【文章內(nèi)容簡介】 空間內(nèi)足以保證為超聲波測距設(shè)備提供足夠的精度范圍 通過 DS18B20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號經(jīng)由 1WIRE 總線傳至 MCU 由軟件進行聲速換算為了更好的實現(xiàn)換算過程同時兼顧設(shè)備的使用成本我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機實現(xiàn)超聲波測距的各項功能 STC12C5410 采用了低成本低功耗強抗干擾設(shè)計并且在最高支持 48MHz 前提下能夠?qū)崿F(xiàn) 1 個時鐘 機械周期運行速度由于能夠使用高頻率的晶振因此相對于普通單片機來說可以有效的減少由計時問題帶來的量化誤差能夠滿足較 高精度超聲波測距儀設(shè)計要求 2 標桿校正的方法提高測距精度 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)境溫度時如果仍舊要求較高的測量精度我們采用所謂標桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正標桿校正的示意圖如圖 24 所示 圖 標桿校正的示意圖超聲波測距裝置首先測量距離已知為 h 的基平面標桿聲波往返所用的時間而后由測得的時間和距離 h 根據(jù)公式 ⑷ 求出當?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量溫度所帶來的麻煩因此只用為測距設(shè)備設(shè)定標定和測量兩種狀態(tài)即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精 度測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)之上對汽車防碰撞系統(tǒng)的安全車距模型進行了分析結(jié)合汽車追尾事故的起因以數(shù)學(xué)模型的形式設(shè)計出了合理的安全車距模型第章硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分單片機采用 89C52或其兼容系列采用 12MHz高精度的晶振以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率減小測量誤差單片機用 P10端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz的方波信號利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED數(shù)碼管段碼用 74LS244驅(qū)動位碼用 PNP三極管 8550驅(qū)動 52系列單片機的功能特點 52系列單片機中典型芯片 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 16b 的定時／計數(shù)器 TO 和 T14 個 8 b 的工／ O端 IIP0P1P2P3 一個全雙功串行通信口等組成特別是該系列單片機片內(nèi)的 Flash可編程可擦除只讀存儲器 EPROM 使其在實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引腳與封裝如圖 21所示 5l 系列單片機提供以下功能 4 kB 存儲器 256 BRAM32 條工／ O 線 2 個 16b定時／計數(shù)器 5 個 2 級中斷源 1 個全雙向的串行口以及時鐘電路 空閑方式 CPU 停止工作而讓 RAM 定時／計數(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距系統(tǒng)單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 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)的最大可測距離存在 4 個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聲波脈沖的直接接收能力將決定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超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計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 P10 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個 電極用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端可以提高超聲波的發(fā)射強度輸出端采兩個反向器并聯(lián)用以提高驅(qū)動能力上位電阻 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間 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板當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會發(fā)生共振并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波這時它就是一個超聲波發(fā)生器反之如果兩電極問未外加電壓當共振板接收到超聲波時將壓迫壓 電晶片作振動將機械能轉(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)上稍有不同使用時應(yīng)分清器件上的標志集成電路 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接收電路 如圖 23 實驗證明用 CX20216A 接收超聲波 無信號時輸出高電平 具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力適當更改電容 C4 的大小可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力 圖 33 超聲波檢測接收電路 34 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計 超聲波學(xué)習板采用 STC89C52 單片機用口輸出超聲波換能器所需的 方波信號利用外中斷口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號顯示電路采用簡單的位共陽 數(shù)碼管斷碼用 P0口驅(qū)動位碼用 9012驅(qū)動主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成 采用 STC89C52 來實現(xiàn)對 紅外接收芯片和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制單片機通過引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送然后利用單片機的當引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時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)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時單片機選用 STC89C52 經(jīng)濟易用且片內(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距電路的接線圖左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路相同故省略之圖 超聲波測距電路原理圖 結(jié)合大學(xué)所學(xué)的單片機知識以及系統(tǒng)的要求選定選定了 AT89C51 單片機為本系統(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)的要求選定測距傳感器為本系統(tǒng)的測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)計出了整個系統(tǒng)的電路圖并且盡自己的能力設(shè)計了硬件系統(tǒng)的防干擾的方法第章超聲波測距儀的軟件設(shè)計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語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算計算距離時又要求精細計算程序運行時間超聲波測距時所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程 1 軟件的設(shè)計 軟件執(zhí)行的工作過程如下 1 當系統(tǒng)按下控制開關(guān)鍵后對系統(tǒng)進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 使其進人工作同時與 ADC0804的 INTR端連接當 INTR端輸出高電平則可以讀取此時溫度值為了方便計算波速與溫度對應(yīng)表改為近似范圍對應(yīng)速度與溫度近似對應(yīng)關(guān)系如表所示 表 溫度與速度近似對應(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 測出相應(yīng)的波速值后將其存儲并將 P2． 5 口置 1 停止ADC0804 進行溫度采樣然后通過 PZ． 0 口發(fā)出 1O 個周期 40 kHz 方波脈沖串總時間為 250 s 需要注意的是在設(shè)計程序過程中每條指令執(zhí)行的機器周期為 1 s 或 2 s 所以應(yīng)該考慮這些時間的損耗也就是說需要輸出比較準確的周期方波 4 當發(fā)送完 1O 個方波脈沖串后就馬上啟動計數(shù)器 T1 進行計數(shù)而計數(shù)器計數(shù)最長時間為 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)從而計數(shù)器設(shè)定的溢出時間為 47 ms 因為聲波收發(fā)是來回時間的所以設(shè)定為 8／ 340 2 1 000 ms47 ms 當溢出的話就重發(fā)方波脈沖串直到接收器受到信號為止 5 超聲波接收器接收到的反射信號通過放大經(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)先級口但這里要注意因為會遇到如下兩種情況 1 當收到第一個中斷并處理完后才收到第二個中斷則按如下順序進行處理即收到第一個中斷后就讀取計數(shù)寄存器 TH 與 TL 的計數(shù)值并存儲后跳出中斷服務(wù)繼續(xù)計數(shù)等待下一個 中斷到來當收到第二個中斷時就再次讀取此時計數(shù)器的TH 與 TI 的計數(shù)值并加上在第一個中斷執(zhí)行指令時所損耗的時間并存儲這樣就得出兩個聲波傳播的時間值￡ 與￡ 則 BF V T1 ／ 2AF V T2／ 2 這樣就確定了 BF與 F的距離 2 當進行第一個中斷處理時又同時收到第二個中斷信號的時候按如下進行處理即收到第一個中斷后就讀取計數(shù)寄存器 TH 與 TL 的計數(shù)值并存儲起來為 t 但是在處理第一個中斷服務(wù)時已經(jīng)收到第二個中斷因為第二個時間時不知道的所以只能取近似值為了減少誤差則第二次時間值取為 tz 加上第一次執(zhí)行指令時間的 1／ 2 6 存儲了兩個時間值 與后進行數(shù)值處理后確定出距離進行比較后并存儲數(shù)據(jù)根據(jù)比較出來的結(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)行警報處理 然后重新從步驟 2 開始執(zhí)行 42 超聲波測距儀的算法設(shè)計 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號當這個超聲波遇到被測物體后反射回來就被超聲波接收器 R 所接收到這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離距離的計算公式為 d s2 c t 2 其中 d為被測物與測距儀的距離 s為聲波的來回的路程 c為聲速 t為聲波來回所用的時間在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0 利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間當收到超聲波反射波時接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變在 INT0或 INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號單片機響應(yīng)外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序讀取時間差計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 讀取時間值 MOV R6 TL0 CLR C MOV A R6 SUBB A 0BBH 計算時間差 MOV 31H A 存儲結(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 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化設(shè) 置定時器 T0工作模式為 16位定時計數(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)需要延時約 01 ms這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因后才打開外中斷 0接收返回的超聲波信號由于采用的是 12 MHz的晶 振計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1μ s當主程序檢測到接收成功的標志位后將計數(shù)器 T0中的數(shù)即超聲波來回所用的時間按式 2 計算即可得被測物體與測距儀之間的距離設(shè)計時取20℃時的聲速為 344 ms 則有 d c t 2 172T010000cm 2 其中 T0 為計數(shù)器 T0 的計算值 測出距離后結(jié)果將以十進制 BCD碼方式送往 LED顯示約 05s然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離主程序采用 C 語言編寫超聲波發(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 個左右超聲波脈沖信號頻率約40kHz 的方波脈沖寬度為 12μ s 左右同時把計數(shù)