【文章內(nèi)容簡介】 務(wù)，是減少我國交通事故發(fā)生的重要措施之一。本文旨在設(shè)計一種能對中近距離障礙物進行實時測量的測距裝置，它能對障礙物進行適時、適量的測量，實時監(jiān)控的作用。 目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機械內(nèi)部損傷的檢測等。在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。 超聲波測距的基本原理超聲波是指頻率高于20KHz的機械波，具有波長指向性好，反射強，傳播性極佳，強度隨距離衰減等諸多優(yōu)點，為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)生器。如沒加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收轉(zhuǎn)換器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳；同時為了方便處理，單片機發(fā)射的超聲波濾被調(diào)制成40kHz左右，具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（timeofflight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。超聲波傳播速度對測距的影響很大，穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對聲速 都將產(chǎn)生直接的影響。因此需對聲速加以修正。對于測距而言，引起聲速變化的主要原因是媒質(zhì)溫度的變化。本設(shè)計采用聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量結(jié)合的方法對聲速進行補償，可有效地消除溫度變化對精度的影響，可通過溫度傳感器DS18B20自動探測環(huán)境溫度，確定計算距離時的波速 同時利用單片機較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的時間，提高了測量精確度。本設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)主要由聲波發(fā)射電路，回波接收電路以及溫度檢測電路，靈活性強，可靠性高，計算簡單，成本低，易于做到實時控制等優(yōu)點。得超聲波往返的時間t，即可求得距離,原理圖如1所示： 圖1單片機測距系統(tǒng)原理圖 本課題的內(nèi)容和任務(wù)本論文主要研究基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，分別對超聲波發(fā)生電路、回波接收電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)碼顯示電路、報警電路及系統(tǒng)設(shè)備的軟、硬件各個部分功能模塊進行了研究。，測距在4m左右的模型，其主要內(nèi)容如下： 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 1） 根據(jù)測距技術(shù)的特點，進行超聲波測距系統(tǒng)的整體研究與設(shè)計。 2） 針對溫度對超聲波傳播速度影響，測量環(huán)境溫度，確定超聲波傳播速度。 3） 對超聲波發(fā)生電路進行論證和設(shè)計，用于產(chǎn)生用于測量的超聲波。 4） 對超聲波接收電路進行論證和設(shè)計，用于接收反射回來的超聲波。 5） 單片機對對發(fā)送和接收波的時間進行測量，用于計算有效距離。 6） LED數(shù)碼顯示測量的距離值，以數(shù)字顯示的方式顯示測量的距離。7） 當(dāng)測量之間的距離低于設(shè)定的最低值時，系統(tǒng)將進行自動報警。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 1）系統(tǒng)主程序的設(shè)計。 2）溫度測量程序設(shè)計。3）發(fā)送、接收子程序的設(shè)計。4）LED顯示程序的設(shè)計。 5）報警程序的設(shè)計。第二章 AVR單片機介紹AVR單片機是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 單片機。RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）是相對于CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機）而言的。RISC 并非只是簡單地去減少指令，而是通過使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理而提高運算速度的。RISC 優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令：并固定指令寬度，減少指令格式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運行速度。由于 AVR 采用了 RESC 的這種結(jié)構(gòu)，使AVR系列單片機都具備了1MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力。　　AVR單片機吸收了 DSP 雙總線的特點，采用 Harvard 總線結(jié)構(gòu)，因此單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分離的，并且可對具有相同地址的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器進行獨立的尋址?！　≡?AVR單片機中，CPU 執(zhí)行當(dāng)前指令時取出將要執(zhí)行的下一條指令放入寄存器中，從而可以避免傳統(tǒng) MCS51 系列單片機中多指令周期的出現(xiàn)。　　傳統(tǒng)的 MCS51 系列單片機所有的數(shù)據(jù)處理都是基于一個累加器的，因此累加器與程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就成了單片機的瓶頸；在 AVR 單片機中，寄存器由32個通用工作寄存器組成，并且任何一個寄存器都可以充當(dāng)累加器，從而有效地避免了累加器的瓶頸效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的性能?！　VR單片機具有良好的集成性能。AVR 系列的單片機都具備在線編程接口，其中的 Mega 系列還具備JTAG仿真和下載功能；都含有片內(nèi)看門狗電路、片內(nèi)程序 Flash、同步串行接口 SPI；多數(shù) AVR 單片機還內(nèi)嵌了 AD 轉(zhuǎn)換器、EEPROM、摸擬比較器、PWM 定時計數(shù)器等多種功能；AVR 片機的 I/O 接口具有很強的驅(qū)動能力，灌電流可直接驅(qū)動繼電器、LED等器件，從而省去驅(qū)動電路，節(jié)約系統(tǒng)成本。AVR單片機采用低功率、非揮發(fā)的 CMOS 工藝制造，除具有低功耗、高密度的特點外，還支持低電壓的聯(lián)機 Flash，EEPROM 寫入功能。　　AVR單片機還支持 Basic、C 等高級語言編程。采用高級語言對單片機系統(tǒng)進行開發(fā)是單片機應(yīng)用的發(fā)展趨勢。對單片機用高級語言編程可很容易地實現(xiàn)系統(tǒng)移植，并加快軟件的開發(fā)過程?！　VR 單片機具有多個系列，包括 ATtiny、AT90、ATmega。每個系列又包括多個產(chǎn)品，它們在功能和存儲器容量等方面有很大的不同，但基本結(jié)構(gòu)和原理都類似，而且編程方也相同。產(chǎn)品特性—低功耗的 8 位AVR 微處理器—先進的RISC結(jié)構(gòu)—131 條指令 ，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期—32個8 位通用工作寄存器—全靜態(tài)工作—工作于16 MHz 時性能高達16 MIPS—只需兩個時鐘周期的硬件乘法器—16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash—擦寫壽命: 100,000 次—可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密—JTAG 接口( 與IEEE 標準兼容)– 支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能– 通過JTAG 接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM編程? 外設(shè)特點– 兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器– 一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器– 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC– 四通道PWM– 8路10 位ADC– 面向字節(jié)的兩線接口– 兩個可編程的串行USART– 可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口– 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器– 片內(nèi)模擬比較器? 特殊的處理器特點– 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測– 片內(nèi)經(jīng)過標定的RC 振蕩器– 片內(nèi)/ 片外中斷源– 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式– 32個可編程的I/O 口– 40引腳PDIP 封裝? 工作電壓:– ATmega16： ? 速度等級– 0 16 MHz ATmega16? ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25176。C 時的功耗– 正常模式: mA– 空閑模式: mA– ATmega16結(jié)構(gòu)框圖AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算數(shù)邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16 有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止CPU 和異步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力。本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲區(qū)時引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW 操作。 通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個芯片內(nèi)。 ATmega16結(jié)構(gòu)框圖 Atmega 16封裝形式引腳說明：VCC 數(shù)字電路的電源 GND 地端口A(PA7..PA0) 端口A 做為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7..PB0) 端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口C(PC7..PC0) 端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能。端口D(PD7..PD0) 端口D為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。AVCC AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC 連接。AREF A/D 的模擬基準輸入引腳。 AVR CPU 內(nèi)核CPU 的主要任務(wù)是保證程序的正確執(zhí)行。因此它必須能夠訪問存儲器、執(zhí)行運算、控制外設(shè)以及處理中斷。為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。CPU 在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令。實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的FLASH?？焖僭L問寄存器文件包括32個8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實現(xiàn)了單時鐘周期的ALU 操作。 AVR ATmega16存儲器。AVR 結(jié)構(gòu)具有兩個主要的存儲器空間數(shù)據(jù)存儲器空間和程序存儲器空間。此外ATmega16 還有EEPROM 存儲器以保存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 程序存儲器ATmega16具有16K字節(jié)的在線編程Flash，用于存放程序指令代碼。因為所有的AVR指令為16 位或32 位，故而Flash 組織成8K x 16 位的形式。用戶程序的安全性要根據(jù)Flash程序存儲器的兩個區(qū)：引導(dǎo)(Boot) 程序區(qū)和應(yīng)用程序區(qū)，分開來考慮。Flash存儲器至少可以擦寫10,000次 AVR ATmega16系統(tǒng)時鐘CPU時鐘與操作AVR內(nèi)核的子系統(tǒng)相連，如通用寄存器文件、狀態(tài)寄存器及保存堆棧指針的數(shù)據(jù)存儲器。終止CPU 時鐘將使內(nèi)核停止工作和計算。I/O 時鐘－ CLKI/O I/O時鐘用于主要的I/O 模塊，如定時器/ 計數(shù)器、SPI 和USART。I/O 時鐘還用于外部中斷模塊。要注意的是有些外部中斷由異步邏輯檢測，因此即使I/O 時鐘停止了這些中斷仍然可以得到監(jiān)控。此外 USI 模塊的起始條件檢測在沒有CLKI/O 的情況下也是異步實現(xiàn)的，使得這個功能在任何睡眠模式下都可以正常工作。Flash 時鐘－ CLKFLASH Flash 時鐘控制Flash 接口的操作。此時鐘通常與CPU 時鐘同時掛起或激活。異步定時器時鐘－ CLKASY 異步定時器時鐘允許異步定時器/ 計數(shù)器與D 控制器直接由外部32 kHz 時鐘晶體驅(qū)動。使得此定時器/ 計數(shù)器即使在睡眠模式下仍然可以為系統(tǒng)提供一個實時時鐘。ADC 時鐘－CLKADC ADC具有專門的時鐘。這樣可以在ADC工作的時候停止CPU和I/O時鐘以降低數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，