【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 空間內(nèi)足以保證為超聲波測(cè)距設(shè)備提供足夠的精度范圍 通過 DS18B20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由 1WIRE 總線傳至 MCU 由軟件進(jìn)行聲速換算為了更好的實(shí)現(xiàn)換算過程同時(shí)兼顧設(shè)備的使用成本我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的各項(xiàng)功能 STC12C5410 采用了低成本低功耗強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)并且在最高支持 48MHz 前提下能夠?qū)崿F(xiàn) 1 個(gè)時(shí)鐘 機(jī)械周期運(yùn)行速度由于能夠使用高頻率的晶振因此相對(duì)于普通單片機(jī)來(lái)說(shuō)可以有效的減少由計(jì)時(shí)問題帶來(lái)的量化誤差能夠滿足較 高精度超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)要求 2 標(biāo)桿校正的方法提高測(cè)距精度 在復(fù)雜環(huán)境下如果難于獲得環(huán)境溫度或者不便獲得環(huán)境溫度時(shí)如果仍舊要求較高的測(cè)量精度我們采用所謂標(biāo)桿校正的方法實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距精度的校正標(biāo)桿校正的示意圖如圖 24 所示 圖 標(biāo)桿校正的示意圖超聲波測(cè)距裝置首先測(cè)量距離已知為 h 的基平面標(biāo)桿聲波往返所用的時(shí)間而后由測(cè)得的時(shí)間和距離 h 根據(jù)公式 ⑷ 求出當(dāng)?shù)芈曀偻ㄟ^這樣的方法我們也能夠順利的求出聲速省去了使用傳感器測(cè)量溫度所帶來(lái)的麻煩因此只用為測(cè)距設(shè)備設(shè)定標(biāo)定和測(cè)量?jī)煞N狀態(tài)即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實(shí)現(xiàn)的高精 度測(cè)距功能通過確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理在數(shù)學(xué)建模的理論基礎(chǔ)之上對(duì)汽車防碰撞系統(tǒng)的安全車距模型進(jìn)行了分析結(jié)合汽車追尾事故的起因以數(shù)學(xué)模型的形式設(shè)計(jì)出了合理的安全車距模型第章硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分單片機(jī)采用 89C52或其兼容系列采用 12MHz高精度的晶振以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率減小測(cè)量誤差單片機(jī)用 P10端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz的方波信號(hào)利用外中斷0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED數(shù)碼管段碼用 74LS244驅(qū)動(dòng)位碼用 PNP三極管 8550驅(qū)動(dòng) 52系列單片機(jī)的功能特點(diǎn) 52系列單片機(jī)中典型芯片 89C52 采用 40引腳雙列直插封裝 DIP 形式內(nèi)部由 CPU4kB 的 ROM256 B 的 RAM2 個(gè) 16b 的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 TO 和 T14 個(gè) 8 b 的工／ O端 IIP0P1P2P3 一個(gè)全雙功串行通信口等組成特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 EPROM 使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途在便攜式省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 21所示 5l 系列單片機(jī)提供以下功能 4 kB 存儲(chǔ)器 256 BRAM32 條工／ O 線 2 個(gè) 16b定時(shí)／計(jì)數(shù)器 5 個(gè) 2 級(jí)中斷源 1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路 空閑方式 CPU 停止工作而讓 RAM 定時(shí)／計(jì)數(shù)器串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作 掉電方式保存 RAM 的內(nèi)容振蕩器停振禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位 5 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法充分利用他的片內(nèi)資源即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr然后求出距離 S＝ Ct／ 2式中的 C為超聲波波 速限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4 個(gè)因素超聲波的幅度反射的質(zhì)地反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍減小測(cè)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)方法由于超聲波屬于聲波范圍其波速 C與溫度有關(guān)超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 2所示發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成單片機(jī) P10 端口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè) 電極用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)用以提高驅(qū)動(dòng)能力上位電阻 R1OR11一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果縮短其自由振蕩時(shí)間 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)壓電晶片會(huì)發(fā)生共振并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器反之如果兩電極問未外加電壓當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)將壓迫壓 電晶片作振動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)這時(shí)它就成為超聲波接收換能器超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志集成電路 CX20216A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片常用于電視機(jī)紅外遙控接收器考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測(cè)距的超聲波頻率 40 kHz 較為接近可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路 如圖 23 實(shí)驗(yàn)證明用 CX20216A 接收超聲波 無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平 具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力適當(dāng)更改電容 C4 的大小可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力 圖 33 超聲波檢測(cè)接收電路 34 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 超聲波學(xué)習(xí)板采用 STC89C52 單片機(jī)用口輸出超聲波換能器所需的 方波信號(hào)利用外中斷口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)顯示電路采用簡(jiǎn)單的位共陽(yáng) 數(shù)碼管斷碼用 P0口驅(qū)動(dòng)位碼用 9012驅(qū)動(dòng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成 采用 STC89C52 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 紅外接收芯片和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制單片機(jī)通過引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送然后利用單片機(jī)的當(dāng)引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)單片機(jī)選用 STC89C52 經(jīng)濟(jì)易用且片內(nèi)有 4K 的便于編程電路原理圖如圖 4 所示其中只畫出前方測(cè)距電路的接線圖左側(cè)和右側(cè)測(cè)距電路與前方測(cè)距電路相同故省略之圖 超聲波測(cè)距電路原理圖 結(jié)合大學(xué)所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)以及系統(tǒng)的要求選定選定了 AT89C51 單片機(jī)為本系統(tǒng)的主控制單元并且給出了接口協(xié)議和性能參數(shù)等結(jié)合系統(tǒng)的要求選定測(cè)距傳感器為本系統(tǒng)的測(cè)距傳感器并且給出了工作原理參數(shù)和電路本結(jié)一并介紹了系統(tǒng)的其 他傳感器的選擇原則通過硬件的選定設(shè)計(jì)出了整個(gè)系統(tǒng)的電路圖并且盡自己的能力設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)的防干擾的方法第章超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序超聲波發(fā)生子程序超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成我們知道 C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算計(jì)算距離時(shí)又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間超聲波測(cè)距時(shí)所以控制程序可采用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程 1 軟件的設(shè)計(jì) 軟件執(zhí)行的工作過程如下 1 當(dāng)系統(tǒng)按下控制開關(guān)鍵后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化采取主程序循環(huán)方式 2 讀取溫度溫度值將 P2． 4 置 0 選通 AD 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0804 使其進(jìn)人工作同時(shí)與 ADC0804的 INTR端連接當(dāng) INTR端輸出高電平則可以讀取此時(shí)溫度值為了方便計(jì)算波速與溫度對(duì)應(yīng)表改為近似范圍對(duì)應(yīng)速度與溫度近似對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示 表 溫度與速度近似對(duì)應(yīng)關(guān)系 溫度℃ － 20～－ 10 － 10～ 0 0～ 10 10～ 20 20～ 30 30～ 40 40～ 50 波速 ms1 322 328 335 341 346 352 358 3 測(cè)出相應(yīng)的波速值后將其存儲(chǔ)并將 P2． 5 口置 1 停止ADC0804 進(jìn)行溫度采樣然后通過 PZ． 0 口發(fā)出 1O 個(gè)周期 40 kHz 方波脈沖串總時(shí)間為 250 s 需要注意的是在設(shè)計(jì)程序過程中每條指令執(zhí)行的機(jī)器周期為 1 s 或 2 s 所以應(yīng)該考慮這些時(shí)間的損耗也就是說(shuō)需要輸出比較準(zhǔn)確的周期方波 4 當(dāng)發(fā)送完 1O 個(gè)方波脈沖串后就馬上啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T1 進(jìn)行計(jì)數(shù)而計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)最長(zhǎng)時(shí)間為 65． 536 ms 這種超聲波收發(fā)傳感器范圍控制在 8 m 范圍內(nèi)從而計(jì)數(shù)器設(shè)定的溢出時(shí)間為 47 ms 因?yàn)槁暡ㄊ瞻l(fā)是來(lái)回時(shí)間的所以設(shè)定為 8／ 340 2 1 000 ms47 ms 當(dāng)溢出的話就重發(fā)方波脈沖串直到接收器受到信號(hào)為止 5 超聲波接收器接收到的反射信號(hào)通過放大經(jīng)過鎖相環(huán)芯片 LM567 輸出分別接在 INT 和 INT端為了不受優(yōu)先級(jí)影響只要設(shè)寄存器 IP 00 H則 INT與 INT 可以按照先收到信號(hào)的先執(zhí)行中斷處理服務(wù)后收到者后處理不分高低中斷優(yōu)先級(jí)口但這里要注意因?yàn)闀?huì)遇到如下兩種情況 1 當(dāng)收到第一個(gè)中斷并處理完后才收到第二個(gè)中斷則按如下順序進(jìn)行處理即收到第一個(gè)中斷后就讀取計(jì)數(shù)寄存器 TH 與 TL 的計(jì)數(shù)值并存儲(chǔ)后跳出中斷服務(wù)繼續(xù)計(jì)數(shù)等待下一個(gè) 中斷到來(lái)當(dāng)收到第二個(gè)中斷時(shí)就再次讀取此時(shí)計(jì)數(shù)器的TH 與 TI 的計(jì)數(shù)值并加上在第一個(gè)中斷執(zhí)行指令時(shí)所損耗的時(shí)間并存儲(chǔ)這樣就得出兩個(gè)聲波傳播的時(shí)間值￡ 與￡ 則 BF V T1 ／ 2AF V T2／ 2 這樣就確定了 BF與 F的距離 2 當(dāng)進(jìn)行第一個(gè)中斷處理時(shí)又同時(shí)收到第二個(gè)中斷信號(hào)的時(shí)候按如下進(jìn)行處理即收到第一個(gè)中斷后就讀取計(jì)數(shù)寄存器 TH 與 TL 的計(jì)數(shù)值并存儲(chǔ)起來(lái)為 t 但是在處理第一個(gè)中斷服務(wù)時(shí)已經(jīng)收到第二個(gè)中斷因?yàn)榈诙€(gè)時(shí)間時(shí)不知道的所以只能取近似值為了減少誤差則第二次時(shí)間值取為 tz 加上第一次執(zhí)行指令時(shí)間的 1／ 2 6 存儲(chǔ)了兩個(gè)時(shí)間值 與后進(jìn)行數(shù)值處理后確定出距離進(jìn)行比較后并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)根據(jù)比較出來(lái)的結(jié)果調(diào)用 LCD顯示子程序作出相應(yīng)的 LCD顯示要求和是否執(zhí)行警報(bào)處理 然后重新從步驟 2 開始執(zhí)行 42 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)就被超聲波接收器 R 所接收到這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離距離的計(jì)算公式為 d s2 c t 2 其中 d為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離 s為聲波的來(lái)回的路程 c為聲速 t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0 利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變?cè)?INT0或 INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序讀取時(shí)間差計(jì)算距離其部分源程序如下 RECEIVE0PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 關(guān)外部中斷 0 MOV R7 TH0 讀取時(shí)間值 MOV R6 TL0 CLR C MOV A R6 SUBB A 0BBH 計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H A 存儲(chǔ)結(jié)果 MOV A R7 SUBB A 3CH MOV 30H A SETB EX0 開外部中斷 0 POP ACC POP PSW RETI 3 主程序流程圖 中斷入口程序 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH reti ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI 圖 41 主程序流程圖 主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化設(shè) 置定時(shí)器 T0工作模式為 16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0 然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)需要延時(shí)約 01 ms這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因后才打開外中斷 0接收返回的超聲波信號(hào)由于采用的是 12 MHz的晶 振計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1μ s當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后將計(jì)數(shù)器 T0中的數(shù)即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間按式 2 計(jì)算即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為 344 ms 則有 d c t 2 172T010000cm 2 其中 T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)算值 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD碼方式送往 LED顯示約 05s然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離主程序采用 C 語(yǔ)言編寫超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P10 端口發(fā)送 2 個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)頻率約40kHz 的方波脈沖寬度為 12μ s 左右同時(shí)把計(jì)數(shù)