【文章內(nèi)容簡介】 0181。s(8個(gè)40KHz方波脈沖)， 800181。s(32個(gè)40KHz方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號后的接收信號。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射 200181。s(8個(gè)40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度；長距離(2m外)發(fā)射800181。s(32個(gè)40KHz脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。167。 測量盲區(qū)在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量評價(jià)會使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下： 圖28傳感器回波測距原理分析圖如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振(由于機(jī)械慣性作用)。因此，在一段較長時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平Vm；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時(shí)間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。由圖28可見，從b點(diǎn)以后，接收的信號低于閾值，相當(dāng)于測距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中a點(diǎn)以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。從c點(diǎn)以后，發(fā)射信號低出閾值Vm，接收信號才基本擺脫發(fā)射信號干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時(shí)，把0c這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此，cb為可測距范圍；b點(diǎn)就為測距遠(yuǎn)限，其外部就為測量不到的區(qū)域。167。 本章小結(jié)本測距系統(tǒng)主要是利用超聲波進(jìn)行測距，主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)。因此，其測量距離在2m之內(nèi)，可以選用200181。s(8個(gè)40KHz方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度。選用HCSR04超聲波測距模塊，其價(jià)格比較實(shí)惠，程序控制簡單具有較高的實(shí)用性。15第3章 超聲波測距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)167。 超聲波測距系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)主要是以單片機(jī)為核心利用超聲波自動測距的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和報(bào)警電路五部分組成。其設(shè)計(jì)方案如下所示： 的高電平測距觸發(fā)信號；模塊自動發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動檢測是否有信號返回。同時(shí)單片機(jī)控制器內(nèi)部T0計(jì)數(shù)器開始記數(shù)。,通過外部中斷啟動單片機(jī)中斷程序,這時(shí)T0計(jì)數(shù)器停止記數(shù), 再由軟件進(jìn)行提取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值換算成時(shí)間通過計(jì)算得出距離數(shù)并送LED顯示,系統(tǒng)還會根據(jù)障礙物與車尾距離遠(yuǎn)近實(shí)時(shí)發(fā)出警示聲音。超聲波自動測距系統(tǒng)原理框圖如圖31所示。圖31 超聲波自動測距系統(tǒng)原理框圖167。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述單片機(jī)是一個(gè)單芯片形態(tài)、面向控制對象的嵌入式應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計(jì)算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。從此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在兩個(gè)重要領(lǐng)域——通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的社會。嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門、最具有發(fā)展前景的 IT 應(yīng)用之一。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)升級成為智能化的電子產(chǎn)品，使其成為具有“生命”的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于對實(shí)時(shí)響應(yīng)要求較高的設(shè)備中，單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其應(yīng)用使電子系統(tǒng)的智能化出現(xiàn)了意想不到的效果，常常無需對硬件資源做任何改動，只需更新系統(tǒng)軟件就能使系統(tǒng)功能升級?，F(xiàn)代社會中嵌入式系統(tǒng)無處不在，早已被應(yīng)用在國防、國民經(jīng)濟(jì)、以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。167。 單片機(jī)最小系統(tǒng)一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)需要一個(gè)電鍵、一個(gè) 10uF 電容、一個(gè) 10k 電阻組成復(fù)位電路；兩個(gè) 30pF 電容和一個(gè) 12Mhz 的晶振組成時(shí)鐘電路。其圖形如圖 32 所示。圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖引腳功能： 為超聲波發(fā)射端口； 為超聲波測試端口（用 LED 顯示時(shí)候有回波）； 為超聲波回波接受端口； 位蜂鳴器報(bào)警端口； 為發(fā)光二極管報(bào)警端口；P0 為LCD顯示端口； 為顯示位控制端口；167。 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號。40 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。，模塊內(nèi)部將發(fā)出8 個(gè)40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。 圖33 超聲波發(fā)射電路框圖167。 發(fā)射電路輸出波形分析為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復(fù)性；此外，所發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個(gè)振動應(yīng)近似為同一頻率的振動，以便接收時(shí)可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個(gè)振動波峰。為避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。由于超聲波是換能器壓電晶片振動時(shí)推動附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的是否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性。通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為：單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。此方法測試距離太近。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動識別被測距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失。另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20Vpp，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓5V，傳感器發(fā)射信號的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。167。 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測距法。存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：。，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)。穩(wěn)定準(zhǔn)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。，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2，當(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為： (31) 實(shí)際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為45176。接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。167。 超聲波的接收電路設(shè)計(jì)接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，電荷量很少，只能提供微小交變的電壓信號，而不能提供電流信號。所以需要一個(gè)前置放大電路將這一微小交變電壓信號充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號，放大有用信號的同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。前置放大電路單元的作用是對有用的信號進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。圖34 超聲波接收電路框圖電路如圖33所示，考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大(一般數(shù)百兆歐姆以上)，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗(Input Impedance))；同時(shí)，換能器的輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓 (Input Offset Voltage)。前置放大電路是由一個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器TL082及電阻、和構(gòu)成，組成反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。由電路的基本知識有如下公式。 (32) (33)根據(jù)下面兩個(gè)放大器理想化的重要概念：，即U==0，若把它理想化，則有U=0，但不是短路，故常稱為虛短。，即凈輸入電流I0，如把它理想化，則有，但不是斷開，故常稱為虛斷。故可知本電路中：，且，所以有如下公式。 (34)上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運(yùn)算關(guān)系，式中的負(fù)號表示與反相。電路的電壓放大倍數(shù)如35公式所示。 (35)利用反相比例放大器可實(shí)現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡單，只需要調(diào)節(jié)和阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運(yùn)放的同相輸入端接有電阻，參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即，靜態(tài)時(shí)使輸入級偏置電流平衡并讓輸入級的偏置電流在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移對輸出端的影響，故又稱為平衡電阻。根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，故分別取；；，即放大電路將輸入信號放大200倍。167。 顯示電路設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而己。最簡單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD于顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，選用3位LED示，表示距離的數(shù)值。液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求由數(shù)碼管，通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)顯示，表示距離的數(shù)值。167。 數(shù)碼管的簡介液晶顯示器件（LCD）是一中平板薄型顯示器件，其驅(qū)動電壓很低、工作電流極小，與TTL電路結(jié)合起來可以組成微功耗系統(tǒng)，廣泛地用于電子鐘表、電子計(jì)算器、各種儀器和儀表中。液晶是一種介于晶體和液體之間的有機(jī)化合物，常溫下既有液體的流動性和連續(xù)性，又有晶體的某些光學(xué)特性。液晶顯示器件本身不發(fā)光，在黑暗中不能數(shù)字，它依靠在外界電場作用下產(chǎn)生的光電效應(yīng)，調(diào)制外界光線使液晶不同部位顯示出反差，從而顯示出字型。2. 半導(dǎo)體顯示器某些特殊的半導(dǎo)體材料，例如用磷砷化鎵作成的PN結(jié)，當(dāng)加正向電壓時(shí)，可以將電能轉(zhuǎn)化成光能，從而發(fā)出清晰悅目的光線。利用這樣的PN結(jié)，既可以封裝成單個(gè)的發(fā)光二極管（LED），也可以封裝成分段式（或點(diǎn)陣式）的顯示器件。它既可以用半導(dǎo)體三極管驅(qū)動，也可以直接用TTL與非門驅(qū)動。在顯示譯碼器和顯示器的連接中，顯示譯碼器各個(gè)輸出端必須具有足夠的吸取電流的能力，以驅(qū)動有關(guān)顯示段發(fā)光。顯示譯碼器的輸出級的電路結(jié)構(gòu)形式與所選用顯示器的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)相匹配，否則不僅不能正常工作，甚至?xí)?dǎo)致器件損壞。實(shí)際數(shù)碼管是把發(fā)光二極管的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管就可以組成7段式半導(dǎo)體數(shù)碼管，如圖35所示。每個(gè)數(shù)碼管可顯示0～9十個(gè)數(shù)字，數(shù)碼管（）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光的顏色不同略有差別，通常約為2～～10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要有一個(gè)專門的譯碼器，該譯碼器不但要完全成譯碼功能，還要有相當(dāng)?shù)尿?qū)動能力。數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）。按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。(共陽極) （共陰極）圖35 數(shù)碼管引腳圖當(dāng)輸入BCD碼(以A、B、C、D表示)，輸出是數(shù)碼管各段的驅(qū)動信號(以Fa～Fg表示)，也稱4—7譯碼器。例如，當(dāng)輸入8421碼ABCD=0100時(shí)，應(yīng)顯示為“4”,即要求同時(shí)點(diǎn)亮b、c、f、g段，熄滅a、d、e段，故譯碼器的輸出應(yīng)為Fa～Fg=0110011，這也是一組代碼，常稱為段碼。同理，根據(jù)組成0～9這10個(gè)字形的要求可以列出8421BCD七段譯碼器的真值表，共陽極的是低電平有效，共陰極的反之，共陽極數(shù)碼管的真值表如表31所示。表31 數(shù)碼管段碼表十進(jìn)制數(shù)段碼（不帶點(diǎn)顯示）段碼（帶點(diǎn)顯示）00xeb0xef10x280x2c20xb30xb7