【文章內(nèi)容簡介】 成反比關(guān)系。另外，壓電芯片導(dǎo)電是靠貼在兩邊的鍍銀層實現(xiàn)。 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 6 金 屬 殼吸 收 塊保 護 膜接 線 片壓 電 晶 片導(dǎo) 電 螺 桿 圖 22 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 超聲波測距原理 及設(shè)計思路 超聲波測距原理 本系統(tǒng)的倒車雷達，采用超聲波進行測距，主要是利用聲波的反射的原理，縱觀整個系統(tǒng)，原理很簡單，可以把整個系統(tǒng)看成兩端，一端是超聲波的測距模塊，另一端就是能夠反射來超聲 波的障礙物，具體的測距原理是：超聲波由超聲波測距模塊里的超聲波發(fā)射器發(fā)射出來，此時單片機的計時器開始計時，超聲波在空氣中傳播過程中遇到障礙物后被反射出來，反射出來的超聲波回波被超聲波接收器接收回來，此時系統(tǒng)停止計時，然后由公式 時間速度距離 ?? 算出距離。設(shè)超聲波在空氣中傳播的速度為 v ， 超聲波從發(fā)射到返回之間的時間為 t ，那么距離計算公式表達為： vtS 21? （ ） 式中乘以 21 計算的是單程的距離。 由測量距離公式 可知，想提高測量距離的精度，主要從兩方面入手，一是測量傳播時間的準確性、二是超聲波在當前環(huán)境下的傳播速度的準確性。 超聲波測距系統(tǒng)的時間準確性主要由 STC89C52RC 的系統(tǒng)定時周期決定，傳播時間為系統(tǒng)周期乘以脈沖個數(shù)，為了提高測量準確度，本設(shè)計所選晶振的頻率為 12MHz。 對于超聲波傳播速度而言，由超聲波的性質(zhì)可知，超聲波的傳播速度 v 與所處環(huán)境的溫度 T 、傳播介質(zhì)密度以及大氣成分都有著密不可分的關(guān)系，具體公式為 MRTv ?? （ ） 式中， ? 為氣體定壓下與定容下熱容比， R 是通用氣體常數(shù)， T 是環(huán)境氣體的熱力學溫度，熱力學溫度與攝氏溫度的轉(zhuǎn)換公式為 tKT ?? 273 ， M 是氣體相對分子質(zhì) 量。 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 7 在式 中，空氣定壓定容熱容比為 ， R 數(shù)值為 ， M 是kg/ 3?? ，那么式 可以轉(zhuǎn)化為式 ， Kvv 273t10 ?? （ ） 其中， ? ，為在溫度為 0℃時超聲波的傳播速度。 分析關(guān)系式 式可知，超聲波的傳播速度，與環(huán)境溫度關(guān)系最大，速度與溫度的數(shù)值關(guān) 系如表 21 所示，可以看出，超聲波傳播速度隨氣體溫度的升高而加快，且成線性關(guān)系，變化率固定，例如環(huán)境溫度為 0℃時的速度為 332m/s， 20℃時的速度為344m/s，相差 12m/s，在 40℃時的速度為 356m/s，與 20℃時速度也相差 12m/s。在大多數(shù)對聲波速度準確率要求不高的情況下，我們設(shè)定聲速為 340m/s，而在超聲波測距系統(tǒng)中，想要獲得更高的準確率，就要求提供準確的超聲波傳播速度。為解決溫度對聲波速度的影響，在這里，需要進行溫度補償，補償公式為 tv ?? () 其中， t 為環(huán)境溫度（攝氏溫度）。 表 21 超聲波傳播速度與溫度關(guān)系表 項目 數(shù)值 溫度（ ℃） 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 100 聲速 (m/s) 313 319 325 332 338 344 350 356 361 367 388 系統(tǒng)設(shè)計思路 在日常生活中，我們對距離的測量方法不勝枚舉，對近距離的物體我們直接用直尺，對遠距離物體，有激光測距、超聲波方法等先進的測距方法，不論什么測量方法，它們的目的都 一樣，就是通過障礙物返回的探測信息，立即判斷出障礙物與測量之間的距離，然后根據(jù)測量或者計算出的距離采取解決問題的措施。在本章中介紹了超聲波的性質(zhì)，由于超聲波的強導(dǎo)向性即遇到障礙物能立即返回，因此采用應(yīng)用較為廣泛的超聲波進行倒車雷達測距，提高了整個系統(tǒng)的方便性和可靠性，更易于研究和控制整個系統(tǒng) [15]。 目前比較普遍的測距原理：通過發(fā)射出超聲波，由于超聲波具有一定的特征頻率，當超聲波遇到障礙物時就被立即反射回去，超聲波傳感 器感受到反射回來的超聲波，然后計算從發(fā)射到接收回來的時間，用時間乘以超聲波的波速，進而求出了測距點與障礙物之間的距離，目前用此原理研究出來的產(chǎn)品很多，例如超聲波測距模塊，超聲波汽車倒車雷達裝置等。 用超聲波方法測距設(shè)計簡單、數(shù)據(jù)處理方便，由于超聲波在空氣中傳播速度可近似為 米 /秒，且單片機一般使用 的晶振，所以用此系統(tǒng)測距精度可以達到毫米級，正常情況下能達到要求不過我國的超聲波測距電路大多是只有厘米級的計算機信息工程學院畢業(yè)論文 8 測量精度。在本系統(tǒng)中，是通過超聲波測距的溫度補償法，最后把測量精度提高到了毫米級，進 一步提高了系統(tǒng)的可讀性。 51 單片機系列硬件結(jié)構(gòu)功能齊全、易于下手等特點。與別的系列不同的是，除了具有 8位核心的 CPU 外，它還擁有一個功能強的位處理器。 超聲波測距的倒車雷達系統(tǒng)的設(shè)計要求，本系統(tǒng)我采用了 STC89C52RC 單片機作為整個系統(tǒng)的主控制器，它的作用是控制整個系統(tǒng)的運作，包括控制超聲波發(fā)射與接收、計算發(fā)射與接收之間的時間差、測量整個運行環(huán)境的溫度、通過測得的時間計算距離、蜂鳴器報警、 LCD 液晶顯示屏顯示溫度及距離等模塊。對于超聲波的發(fā)射與接收，本系統(tǒng)用超聲波測距模塊，此模塊將超聲波接收器與發(fā)射器 設(shè)置在同一個電路上，避免了超聲波接收器與發(fā)射器不在一起而引起的測量不穩(wěn)定的問題；測量環(huán)境溫度的主要原因是由于超聲波在空氣中傳播的時候受溫度的影響比較大，本系統(tǒng)中利用溫度補償法解決了此問題，提高了系統(tǒng)的精確度；與數(shù)碼管顯示不同的是，液晶顯示屏可以顯示多行，不僅顯示計算出來的距離，還可以顯示對超聲波影響較大的溫度因素，用 LCD液晶顯示屏豐富了系統(tǒng)的整體功能；蜂鳴器報警模塊則是設(shè)置一個警戒值，小于警戒值系統(tǒng)就會報警，提醒駕駛員注意安全。 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 9 第 3 章 系統(tǒng)元件介紹 單片機 STC89C52RC 單片機即單片微型 計算機 SCMC（ Single Chip MicroComputer）。它集合了一臺標準計算機上的基本功能部件，如 CPU（核心中央處理器）、 RAM（隨機存儲器）、 ROM（程序存儲）、 I/O 設(shè)備、中斷系統(tǒng)、定時 /計數(shù)器等部件集中在同一塊芯片上，故又稱為微控制器 MCU（ Microcontroller Unit）。和普遍的微型機相比，單片機的最大的優(yōu)點就是體積小，這個有點可以讓單片機很容易的嵌入到別的儀器設(shè)備里，實現(xiàn)所能實現(xiàn)的功能，因此又被稱為嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded Microcontroller Unit)。 STC89C52RC 主要功能包含 32 位引腳，看門狗電路，復(fù)位電路，且內(nèi)置 8K 內(nèi)存，512B 運存，另外還包含 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結(jié)構(gòu) (兼容傳統(tǒng) 51的 5向量 2級中斷結(jié)構(gòu) )， STC89C52 單片機工作模式是全雙工模式。另一大優(yōu)點是 STC89C52單片機系統(tǒng)頻率可最低至 0Hz，有兩種省電模式。在單片機閑置狀態(tài)時，處理器不再運行，但是可以保持運存、計數(shù)、通信、中斷等部件運行。當單片機進入掉電保護時，運 行內(nèi)存的 數(shù)據(jù)被記錄下來，晶振 停止運行，在系統(tǒng)被復(fù)位或下一次中斷之前，整個系統(tǒng)都被終止運行 [18]。 STC89C52RC 示意圖如圖 31。 圖 31 STC89C52RC 的引腳圖 STC89C52RC 的引腳功能有 [19]： （ 1） 主電源引腳 VSS—— 第 20腳，電路接地電平。 VCC—— 第 40腳，一般運行時都是 +5V 的電壓。 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 10 （ 2) 時鐘源 XTAL1 —— 第 19 腳，作為 STC89C52RC 中反相器的輸入端， XTAL1 正常情況下與晶振的一個引腳相連。特殊情況下，如果采用外部信號時，那么這個引腳接地。 XTAL2 —— 第 18 腳，作為 STC89C52RC 中反相器的輸出端。 XTAL2 正常情況下與晶振的另一個引腳相連。特殊情況下，如 果使用外部源， XTAL2 就與信號源相連，作為外部信號的輸入端使用。 （ 3) 控制、復(fù)用和選通 PROGALE/ —— 第 30 腳，該引腳是地址鎖存允許信號和編程脈沖輸入端信號。 RST/VPD —— 第 9 腳， RST/VPD 是復(fù)位信號 RESET 的輸入端。一般情況下，滿足RST/VPD 上連續(xù)施加兩個系統(tǒng)周期的復(fù)位信息，系統(tǒng)就進入復(fù)位狀態(tài)。在電源信號無電時， RST/VPD 就連通備用電，從而確保系統(tǒng)信息無損失。 PSEN—— 第 29 腳，外部 ROM 訪問選通信號。 （ 4) 多功能 I/O 端口 P0 口 —— 第 32~39 腳， 8 位真正的雙向數(shù)據(jù) I/O 口。 P1 口 —— 第 1~8 腳，此端口是具 8 位準雙向的 I/O 端口并且含有上拉電阻。 P2 口 —— 第 21~28 腳，與 P1 口一個功能類似，它是 8 位的雙向 I/O 口，并且含有上拉電阻。在兩種情況下 P2口可作為高 8 位的地址總線，一種情況是單片機對存儲器訪問時，另一種情況是當對片內(nèi)的程序存儲器（ EPROM 型）程序編程及校驗時使用。 P3 口 —— 第 10~17 腳，與 P1 端口和 P2 端口一樣 ，是 8 位的準雙向 I/O 口。但是與 P P2 不同的是，它還提供特殊的第二功能。而且每一個引腳都可以單獨選擇任一功能使用。第二功能表的具體含義如表 31： 表 31 P3 口的第二功能表 端口引腳 第二功能 端口引腳 第二功能 RXD（串行通訊輸入口） T0（定時 /計數(shù)器 0） TXD（串行通訊輸出口） T1（定時 /計數(shù)器 1） 0INT （外中斷 0） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選 通） 1INT （外中斷 1） RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 11 超聲波測距模塊 產(chǎn)品特點 該系統(tǒng)采用測距模塊為 SR04HC ， SR04HC 的測量范圍是 4 厘米至 4 米，準確度為 3毫米， SR04HC 主要由三部分組成：發(fā)射部分，接收部分以及控制部分。基本工作原理 [20]： （ 1）提供至少 10μs 的高電平信號，就可以通過 TRIG 啟動測距功能； （ 2）啟動測距后，發(fā)射器發(fā)射頻率為 40KHz 的超聲波信號，接收器會自動檢測反射回來的聲波； （ 3）當接收到反射信號時，經(jīng)過 I/O 端口給出高電平信號，直到接收完所有的反射信號。 實物圖 圖 32 超聲波測距模塊實物圖 從圖中可以看出，該模塊包含的引腳分別是電源 VCC、觸發(fā) TRIG、響應(yīng) ECHO和接地 GND。 電氣參數(shù) 表 32 超聲波測距模塊電氣參數(shù) 電氣參數(shù) HC— SR04 超聲波模塊 工作電壓 5V 工作電流 15mA 工作頻率 40Hz 最遠射程 4m 最近射程 4cm 測量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10181。s 的 TTL 脈沖 輸出響應(yīng)信號 與傳播距離成正比的邏輯電平信號 規(guī)格尺寸 45*20*15mm 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 12 超聲波時序圖 圖 33 超聲波時序圖 從上圖可以看出，當外部提供不小于 10μs 的 TTL 信號時，超聲波發(fā)射模塊將依次發(fā)射 8 個 40KHz 的脈沖信號，遇到障礙物后信號反射回來，被接收模塊接收到并給出電平響應(yīng)，相應(yīng)電平輸出正比于測量的寬度。 溫度傳感器 DS18B20 溫度傳感器主要組成單元是熱敏元件，熱敏元件是利用物體在不同溫度下其屬性會發(fā)生變化的原理制成。市場上的熱敏元件有很多種類，根據(jù)材料及性質(zhì)的不同，分為金屬熱電阻、熱電偶、半導(dǎo)體材料熱電阻 等不同形式。在所有熱敏元件中，使用范圍最為普及的當屬半導(dǎo)體材料熱敏元件，它與其他種類元件相比，優(yōu)點是尺寸小巧、反應(yīng)速度快、準確性高、生產(chǎn)方便、成本低，適用范圍廣。 DS18B20 是美國一家公司最近研發(fā)的新型溫度傳感器，它最大的優(yōu)點是可以快速直接的顯示出所測量的溫度值度。DS18B20 采用“一線總線”通信模式，測量范圍更廣，精度更高，系統(tǒng)可靠性進一步提升。 DS18B20 的特點簡單介紹如下 [21]： (1)可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ～ ； (2)每個芯片唯一編碼， 零待機功耗 ，無需外部元件 (3)可調(diào)的 9 至 12 位分辨率，可編程溫度為 ℃， ℃， ℃， ℃； (4)用戶可定義報警設(shè)置 ,測溫范圍： 55℃～ 125℃ ； (5)自我保護功能，可防止電源接反損壞傳感器； (6)DS18B20 封裝方式多樣，圖 34 展示了 PR35 封裝圖。 圖 34 PR35 封裝 圖 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 13 LCD1602 液晶顯示器 在我們的日常生活學習中，液晶顯示屏的應(yīng)用相當廣泛，在很多的家用電器、大街小巷里 的廣告牌等 都可以看到液晶顯示器的身影， 液晶 顯示主要通過字符、圖像及數(shù)字的形式 顯示出來 。 液晶顯示 器 的優(yōu)點 （ 1）低功耗 液晶顯示器 的功耗主要體現(xiàn)在兩部分，一是內(nèi)部的電極，二是內(nèi)部的驅(qū)動，其他的顯示器則沒有此優(yōu)點，大大的節(jié)省了能源的消耗； （ 2）數(shù)字式接口 數(shù)字式的接口 是液晶顯示屏最為重要的優(yōu)點， 液晶顯示 器 通過數(shù)字式的接口連接