【文章內(nèi)容簡介】 感器的特點 ， 所以 本 課題 選擇超聲波測距傳感器 ， 3m是 最大 能夠 探測 的 距離。 本章回顧 本章主要講述了超聲波的產(chǎn)生電路，超聲波回波檢測電路和超聲波中央控制模塊的方 案選擇比較，介紹了超聲波的探測范圍。 3 系統(tǒng)硬件設計 硬件電路和軟件程序共同構成了系統(tǒng)設計的主要兩個部分 。 由電源電路、 顯示電路 、 單片機電路 、 發(fā)射電路 、 接收電路 組建了硬件電路的主要部分，此外還包含了復位電路等。經(jīng)過一番的調查研究， STC12C5A60S2 單片機 以其價格成本低廉、高精度作為超聲波倒車雷達系統(tǒng)的硬件電路的核心元件。采用優(yōu)化式的模塊設計，將整體硬件電路分為供電 、顯示 ，還有信號的接收和發(fā)射等模塊。超聲波信號會由發(fā)射探頭內(nèi)部產(chǎn)生，經(jīng)過放大和檢波等電路后發(fā)送出去，此時單片機內(nèi)部的計時器自 動開始計時，當發(fā)射出去的超聲波遇到前方障礙物后，按照原來路徑返回，再次經(jīng)過另一個接收探頭中的放大、帶通、濾波、整形等工序后被單片機接收，同一時間計數(shù)器停止工作并馬上讀取時間參數(shù)。通過預先寫入的程序對此時的測出的速度進行一系列的誤差校正，結合兩者之間的相互作用實現(xiàn)超聲波測量距離功能。經(jīng)過上述各個步驟的測量與計算校正，將得出的速度數(shù)據(jù)與程序中設定好的安全距離進行比較，若測得的數(shù)據(jù)參數(shù)小于程序預先設定的安全參數(shù)，則超聲波倒車雷達系統(tǒng)會發(fā)出“嗶嗶嗶”的響聲，這時說明將遇到障礙物，使用者需要注意距離，反之，則沒有該現(xiàn) 象的出現(xiàn)。 軟件程序主要 由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。它控制單片機進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對超聲波速度的校正，還有實現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在 LED 上。另外程序控制單片機消除 接收 探頭對發(fā)射和接收超聲波的影響 ， 具體放在論文第４章中介紹。 正 文 10 圖 31 系統(tǒng)硬件原理框圖 系統(tǒng)硬件設計思想 硬件的整體設計以單片機 STC12C5A60S2 為核心，由芯片產(chǎn)生的 40HZ 電頻信號可能波形不穩(wěn)，所以在發(fā)射 和接收電路中加入對信號的整形和放大電路，使所得到的的結果更加趨向實際。將超聲波的發(fā)射和接收傳感器探頭與 0UT 口相連接進行超聲波的發(fā)射和接收。硬件的整體結構包括超聲波的發(fā)射和接收電路啊，單片機電路，報警電路和顯示電路等幾個主要的模塊組成 [3]。如圖 31所示： 整個系統(tǒng)由 由單片機 控制， 根據(jù)“回波測距”的原理，首先 單片機發(fā)出 40kHZ的 電平 信號，經(jīng)放大 電路 后通過超聲波發(fā)射器 發(fā)射到空氣中 ；超聲波在空氣中傳播 直至遇到 障礙物后發(fā)生反射，反射的回波經(jīng)空氣傳播給超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進 行檢波處理后，輸入到微處理器的外部中斷口 INT0 處產(chǎn)生中斷，計數(shù)器停止計數(shù)，測得時 差 為 t，再將時刻差與聲速相乘，得出距離數(shù) 值 并送 LED 顯示。 [4]如圖 32所示： 圖 32 超聲波發(fā)射和接受框圖 正 文 11 測距系統(tǒng)設計 對于超聲波測距技術前人已經(jīng)有了幾年的研究經(jīng)驗和發(fā)展，并且出臺了許多比較完善的技術，本設計通過借鑒了前人的寶貴資料，加上自己的想法，對自己的電路設計有了很大的幫助 。 超聲波發(fā)射電路 為了使發(fā)射距離大于 同時又要保證電路簡單實用，所以 超聲波發(fā)射電路要求功率盡量大。 下 面是我 參考 的 電路圖 ， 如圖 31,32,33。 汲取它們優(yōu)秀的方面，注意避開它們的不足之處 ，然后結合分析設計超聲波的發(fā)射與接收電路。 40kHZ 超聲波發(fā)射電路之一， 這個電路主要由晶體管 VT VT2 核心元件，他們構成了電路的強反饋穩(wěn)頻振蕩器，由這個振蕩器產(chǎn)生的頻率與超聲波換能器相等 。 T4016 是耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。 T4016 兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。按一下電源開關 S，便能驅動 T4016發(fā)射出一串 40kHZ 超聲波信號。電路工作電壓 9V，工作電流約 25mA。發(fā)射超聲波信號大于 8m。電路不需調試即可工作。這樣電路很簡單與實用。 如圖 33 所示： 圖 33 超聲波發(fā)射電路原理圖 (一 ) 40kHZ 超聲波發(fā)射電路之 二如 圖，該電路同樣是以 VT VT2 為核心元件可以適合用于 3~12V 電壓電路 ，且頻率不變。 加上 的電感元件和電容組成電路濾波部分 。工作電流 大概是 25mA， 發(fā)射超聲波信號大于 8m。 如圖 34所示： 正 文 12 圖 34 超聲波發(fā)射電路原理圖（二） 40kHZ 超聲波發(fā)射電路之 三 ， 該電路主要以 74LS04 反向器為主，可以將方波信號傳送到超聲波換能器兩端 ，加強發(fā)射強度，通過上拉電阻的作用提高輸出高電平的能力，增加換能器阻尼效果，縮短振蕩時間。如圖 35 所示： 圖 35 超聲波發(fā)射電路原理圖（三） 通過一輪的深思熟慮的分析 ， 最后 選擇使用 電路三作為 40kHz 頻率信號的發(fā)射電路 。 超聲波檢測接收電路 超聲波檢測接收電路由集成電路 CX20206A 專用芯片和換能器構成，如圖所示。集成電路 CX20206A 是一種常用于電視遙控的紅外線檢波接收芯片，因為紅外遙控的載波頻率與超聲波報警器所用超聲波頻率很接近，故可以用于超聲波接收電路 。用 CX20206A 接收超聲波具有很高的靈敏度和很強的抗干擾能力，總放大增益為 80dB，脈沖幅度在 — 之間。電路中芯片 2 腳中 GND 與 RC 組成了負反饋電路，改變其數(shù)值會改變前置放大器的頻率特性以及增益。電路中 R3的取值影響帶通的中心頻率，用 220K 歐姆使中心頻率接近 40KHz,就符合設計的正 文 13 要求。電容 C1 的大小取值對檢測接收電路的靈敏度和抗干擾能力影響很大，故數(shù)值一定要適合。由于設計的特殊， 2 腳連接的器件選擇和 R3 的大小選取，如果不恰當，到最后實物應用過程中可能會出現(xiàn)報警器誤報的情況。如圖 36 所示 ： 圖 36 超聲波檢測電路圖 測距系統(tǒng)工作原理 當超聲波發(fā)射器沿某一方向發(fā)射聲波的同時，單片機內(nèi)部的定時器開始計時，在空氣中傳播的聲波遇到障礙物后馬上折返，當接收器檢測到回波后馬上停止計時。已知聲音在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù) 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波 速度 時間公式，可以計算出裝置到障礙物的距離（ s），即： s=340t/2。 只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖 37 所示： 圖 37 超聲波的測距原理 圖 正 文 14 如圖 37 所示， H 為裝置到障礙物的水平距離， S 為超聲波裝置到障礙物的發(fā)射路徑，θ為入射角，根據(jù)余弦定理可得： ?cosSH ? （ 31） )(HLarctg?? （ 32） 式中 :L兩探頭之間中心距離的 1/2. 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 (33) 式中 :v— 超聲波在介質中的傳播速度 。 t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要 的時間 . 將（ 3— 2）、（ 3— 3）代入（ 31）中得： ]c o s [21 HLarc tgvtH ? ( 34) 其中 ,超聲波的傳播速度 v 在一定的溫度下是一個常數(shù) (例如在溫度 T=30 度時 ,V=349m/s)。當需要測量的距離 H遠遠大于 L時 ,則 (3— 4)變?yōu)?: vtH 21? ( 35) 所以 ,只要需要測量出超聲波傳播的時間 t,就可以得出測量的距離 H. 測渡越時間測量法 在一 定時間段內(nèi)發(fā)射 10 個超聲波脈沖，當發(fā)射第一個脈沖信號時開始計時，直到接收器接收到最后一個脈沖信號停止定時器 。單片機定時器所計時間，即為傳播渡越時間。超聲波是一種聲波， 而且聲音的傳播受到溫度的影響 ， 根據(jù)：V=+,t 為攝氏溫度，聲速高低影響距離值。 超聲波的衰減 超聲波也有其自身的一些特質，在傳輸?shù)倪^程中，它的傳播速度不僅與自身的性質有關，而且還與超聲波傳輸過程中所處的介質特性有關。根據(jù)相關資料研究發(fā)現(xiàn)，超聲波在傳輸過程中會與大氣，溫度，濕度，壓強的物理因素有關。在眾多的因素 當中溫度對速度的影響幾乎與其他影響的物理因素一樣。據(jù)統(tǒng)計歸納得出：超聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣扰c空氣中溫度 的關系可以用以下公式表示：c=+（ m/s）。在使用時，如果溫度 處于一個穩(wěn)定值 ，則可認為聲速是正 文 15 基本不變的。超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減 。 【 5】 控制系統(tǒng)電路 STC12C5A60S2 單片機最小系統(tǒng)設計 STC12C5A60S2 系列單片機是單時鐘 /機器周期 (1T)的新一代 8051 單片機，在設計的整個系統(tǒng)中其的核心的作 用。它的引腳功能以及芯片內(nèi)部固有功能，在編譯碼下載就能實現(xiàn)設計所要求的功能。由于單片機要作為控制中心，其具有高速的特點能夠盡可能快的處理分析數(shù)據(jù)，以及及時的做出判斷，控制進行下一步的操作。 STC12C5A60S2 系列單片機的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051 單片機 【 6】 ,但比 51 單片機功能更加強，運算能力更快，穩(wěn)定性更好。其內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路 ,片上集成 1280 字節(jié) RAM，工作頻率范圍為 0~35MHz。通用 I/O 口數(shù)量一樣，每個 I/O 口驅動能力比傳統(tǒng)的強。這個單片機為了不被過大的電流必須總體控制在 120mA 以下。 在系統(tǒng) 和應用都 可編程 ， 無需專用編程器 ，不用 專用 的仿真器 ， 通過串口 就能 直接下載用戶程序 。如圖 38所示， 9 腳 RST 為復位輸入，復位時保持高電平。 30 腳 ALE/PROG 當訪問外部存儲時地址鎖存 允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。 圖 38 STC12C5A60S2 引腳圖 正 文 16 蜂鳴器電路 蜂鳴器電路由電源、電阻等構成，如圖 39所示。 其中 RBELL=10K； RB=0。超聲波報警器根據(jù)對環(huán)境狀況的分析，出現(xiàn)情況，利用單片機的處理，最終達到報警的目的，具體的是蜂鳴器發(fā)出刺耳的聲 音。 [7] 圖 39 蜂鳴器電路圖 測距誤差分析 在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。下面公式是超聲波傳播速度與空氣溫度的關系 :V=+ 式中， T 為實際溫度單位為 ℃ ， V 為超聲波在介質中的傳播速度單位為 m/s。 [8]如下表 21所示： 表 01 超聲波波速與溫度系數(shù)表 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 正 文 17 本章小結 本章首先介紹了系統(tǒng)的硬件設計思想，然后分析了超聲波傳感器的結構、工作原理和工作方式，最后根據(jù)超聲波測距的工作原理和理論分析，對超聲波、發(fā)射模塊、超聲波接收模塊的硬件電路設計進行了詳細的闡述，并對本系統(tǒng)硬件設計過程中采取的硬件抗干擾措施進行了介紹。 4 系統(tǒng)軟件設計 軟件總體流程設計 本設計硬件是作為基礎部分，最主要的是軟件編寫，因為從超聲波的產(chǎn)生到數(shù)據(jù)的處理 ，一直到最終的顯示都是程序占主導的地位，因此這部分是至關重要的。 編程語言的選擇 C 語言 [9]是一種兼顧了多種高級語言的編譯型的程序設計語言，并具 有 匯編語言的功能。 C語言 不僅擁有豐富的庫函數(shù)，處理 編譯速效高 和良好的可移植性，而且 能夠 直接實現(xiàn) 對 系統(tǒng)硬件的操控。 同時在開發(fā)編寫程序的過程中可以借鑒到前人的經(jīng)驗，提高了程序的正確性 。 因此， 采用Ｃ語言編程，運用模塊化程序設計思想，對不同功能模塊的程序進行分別編程，以便移植或調用，這樣使軟件層次結構清晰，有利于軟件的調試修改 。 程序需要完成的功能 （ 1） 控制超聲波的發(fā)射與接收 （ 2）消除余振 （ 3） 檢測回波信號 （ 4） 數(shù)據(jù)的換算處理 （ 5）距離的顯示 （ 6）對距離進行判斷 正 文 18 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)原理 按照該系統(tǒng)的測距設計要求，主要是記錄時間 T，再與超聲波在介質中的傳輸速度 V進行運算的得到系統(tǒng)到障礙物的距離 S。當單片機的振蕩電路產(chǎn)生 40khz的脈沖串后，由驅動超聲波的換能器發(fā)射超聲波，同時內(nèi)部的定時器開始工作，一旦當超聲波接收器接收到回波信號時，定時器停止工作，