【導(dǎo)讀】替人的一種智能化的設(shè)備就有其研究以及應(yīng)用的潛在價值。智能小車中的探測系統(tǒng)用。超聲波的方法實現(xiàn)，超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點。統(tǒng)的思路和所需考慮的問題。給出了以AT89C52單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字倒車?yán)走_(dá)的硬件電路和程序設(shè)計方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計合理、工作穩(wěn)定、工業(yè)實用的要求。

　　

【正文】 功能，要把各部分組合起來電路才能工作，如圖 45 所示。 待加 圖 45 系統(tǒng)總體電路圖 超聲波測距的軟件系統(tǒng)設(shè)計 （ 1） 設(shè)計思路 通過編程控制 口 不斷循環(huán)拉高 ，發(fā)出超聲波，同時啟動計數(shù)器計時， 外部中斷 如果收到回波，此時使計數(shù)器停止計數(shù)，并在中斷子函數(shù)里 根據(jù)溫度的不同 計算出障礙物的距離，通過一定的修正，最終把計算結(jié)果 發(fā)送到液晶屏上 ，顯示出當(dāng)前障礙物的距離，并作出判斷， 發(fā)出報警提示 。 （ 2）軟件流程設(shè)計 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 20 在硬件電路正確無誤的基礎(chǔ)上，用軟件對相應(yīng)部分電路的工 作狀態(tài)進(jìn)行控制，并通過程序?qū)?shù)據(jù)處理，最終使 液晶屏 上顯示出障礙物的距離，并完成控制 語音 。根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)，設(shè)計系統(tǒng)軟件流程圖如圖 所示。 圖 超聲波測距系統(tǒng)軟件流程圖 （ 3）發(fā)射 、 接收超聲波 程序的設(shè)計： 本設(shè)計采用 DYPME007超聲波測距模塊，可實現(xiàn) 能，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理為給予此超聲波測距模塊一觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波投射到物體而反射回來時，模塊輸出一回響信號， 以觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來判定物體的距離。 模塊時序圖 : 開始 系統(tǒng)初始化：液晶，定時器等 啟動 T1并定時，開 T1 中斷，開外部中斷。 進(jìn)入主程序 主程序中是主循環(huán)不斷發(fā)射超聲波 外部中斷回波接收成功 關(guān)總中斷，調(diào)用顯示程序 在主程序中顯示距離 控制語音報警電路 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 圖 45超聲波模塊時序圖 該超聲波模塊時序圖如圖 45 所示。只需要提供一個短期的 10uS 脈沖觸發(fā)信號。該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個 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?；仨懶盘柺且粋€脈沖的寬度成正比的距離對象?？赏ㄟ^發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式 : uS/58=厘米或者 uS/148=英寸。建議測量周期為 60ms以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響 .程序如下： 發(fā)射程序： void getDistance() { TR0=0。 TH0=0。 TL0=0。 trig=1。//開始觸發(fā) delay10us()。//延時 10us trig=0。//停止觸發(fā) TR0=1。//開始計時 } 接收程序： void int0() interrupt 0 { EX0=0。 //外部中斷 0關(guān)閉 TR0=0。//停止計時 distance=(TH0*256+TL0)*((f_temp*+)/2021)。 //單位 mm， EX0=1。 //外部中斷 0允許 } 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 22 （ 4） 語音報警程序設(shè)計 本部分采用 ISD1420 語音芯片實現(xiàn)。首先設(shè)定地址，錄取報警提示聲音，當(dāng)檢測到有障礙物里的近時，從地址讀取錄音并播放已達(dá)到提醒報警的功能。此處為方便起見可以從 0 地址初開始錄入。 （ 5） 顯示程序設(shè)計 本部分采用 12864 串行發(fā)送方式并顯示，主要顯示當(dāng)前溫度和目前車離障礙物的距離，以協(xié)助司機安全倒車。其時序如圖： 圖 12864液晶 時序圖 由時序圖可見， RS=1 實現(xiàn)寫數(shù)據(jù)操作； RS=實現(xiàn)寫命令操作。 RW=0 時為寫操作時間，此時 E=1，開始傳輸數(shù)據(jù) ， E=0 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。具體程序詳見附錄。 5 超聲波測距系統(tǒng)的調(diào)試 超聲波測距硬件系統(tǒng)的調(diào)試 語音報警 電 路調(diào)試 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 圖 51 超聲波模塊時序圖 ISD1110/ISD1420 系列內(nèi)置了若了干操作模式，可用最少的外圍器件實現(xiàn)最多的功能。操作模 式也由地址端控制；當(dāng) A7 和 A6 都為 1 時，其它地址端置高就選擇某個（或某幾個）模式。因為操 作模式和直接尋址互相排斥。操作模式可由微控制器，也可由硬件實現(xiàn)。使用操作模式有兩點注意： （ 1）所有操作最初都是從 0 地址，即存儲空間的起始端開始。后續(xù)操 作根據(jù)所選用的模式可從其 它的地址開始。此外， A4 模式中，當(dāng)電路由錄轉(zhuǎn)為放時地址計數(shù)器復(fù)位為 0，而由放轉(zhuǎn)為錄則不復(fù) 位。（ 2）當(dāng)控制信號（ /PLAYL、 /PLAYE 或 /REC）變低，同時 A6 和 A7 為高時，執(zhí)行操作模式。 這種操作模式一直有效，除非控制信號再次由高變低，芯片重新鎖存當(dāng)前的地址 /模式端電平，然后 執(zhí)行相應(yīng)操作。 表 51 操作模式簡表 A0（信息檢索） ——快速跳過信息而不必知道其確切的地址。控制端每輸入一個低脈沖，內(nèi)部地址 計數(shù)器就跳到下一條信息。此模式僅用于放音，通常與 A4 同時使用 A1（ EOM 刪除） —— 使分段信息變?yōu)橐粭l信息，僅在信息最后留一個 EOM 標(biāo)志。這個模式完成 后，錄入的所有信息就作為一條連續(xù)的信息。 A3（信息循環(huán)） —— 循環(huán)重放位于存儲空間起始處的那條信息。一條信息可以完全占滿存儲空間， 那么循環(huán)就從頭至尾進(jìn)行。給 /PLAYE 發(fā)低脈沖后循環(huán)開始，給 /PLAYL 發(fā)低脈沖后循環(huán)結(jié)束。 A4（連續(xù)尋址） —— 正常操作中，重放遇到 WOM 標(biāo)志時，地址計數(shù)器會復(fù)位。A4 模式禁止地址 計數(shù)器復(fù)位，使得信息可連續(xù)錄入或重放。當(dāng)芯片既非錄音又非放音時 ，將 A4 短暫拉低可使 地址計數(shù)器復(fù)位為 0。 本模塊按照上圖焊接完成，在焊接初期首先實現(xiàn)了音頻的錄放功能，并且順利通過，此部分沒有問題。 本設(shè)計中，語音報警要實現(xiàn)實時并且在報警范圍內(nèi)循環(huán)播放，因此將 A A A3腳拉高，采用循環(huán)模式，以硬件來實現(xiàn)，避免了復(fù)雜的軟件程序。 超聲波測距軟件系統(tǒng)的調(diào)試 在硬件系統(tǒng)測試正常后，開始進(jìn)行軟件 部分 的調(diào)試。 （ 1）超聲波 發(fā)射 、接收 部分調(diào)試 這 部分主要是通過 c 語言 程序 控制 單片機的 循環(huán)拉高，通過外部中斷 0 來接收反射回來的超聲波。 此過程考 主 慮了兩種實 現(xiàn)方案，即通過 循環(huán)檢測法來接收返濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 24 回信息，此法占用大量單片機運算空間時間，對有限的資源來說是一種很大的浪費；第二種方法采用中斷來檢測，不僅節(jié)約資源，而且可以達(dá)到時時監(jiān)測，準(zhǔn)確度得到了大大的提高。 （ 2）超聲波 距離計算 程序調(diào)試 這 部分調(diào)試主要是對定時器 T0 的計數(shù)值進(jìn)行處理。 把 計數(shù)值轉(zhuǎn)化成距 離， 在 液晶屏幕 上顯示出來。 就測得了障礙物的距離。 然后通過式 S= 計算出當(dāng)前距離 。其中 t 為定時器轉(zhuǎn)化成秒的值。然后在調(diào)用顯示子程序，從 液晶屏 顯示出距離。 程序編譯 通過后 后，上電測試，發(fā)現(xiàn) 屏幕不顯示或偶爾有亂碼 并有輕微閃爍 。這說明 液晶屏接觸不良 ， 而程序此時不能判斷是否有誤 。因此在解決這個故障時，我首先考慮 硬件接觸問題 。 之后我又從 中斷程序入手， 因為程序中有定時中斷和外部中斷的嵌套，使得程序容易在這部分出現(xiàn)問題。調(diào)試中我先采用“點燈”的方式看看程序是否進(jìn)入中斷，在確定進(jìn)入以后進(jìn)行相關(guān)調(diào)試就簡單了很多。 更改后程序經(jīng)編譯沒有錯誤后，上電測試，發(fā)現(xiàn) 燈亮， 程序能夠正常進(jìn)入中斷，說明外部中斷正常。 之后 就考慮 數(shù)據(jù)處理時出現(xiàn)問題。 檢查程序發(fā)現(xiàn)，由于計數(shù) 器值 的單位是 us。 計算數(shù)據(jù)時要用到小數(shù)，在處理數(shù)據(jù)時 ， 由于數(shù)據(jù)類型不一致導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤 ，系統(tǒng)也 就無法正常工作。 把數(shù)據(jù)擴(kuò)大相應(yīng)的倍數(shù)后，避免了數(shù)據(jù)類型的問題 ，上電測試， 順利通過 。測試數(shù)據(jù)如表 51 所示。 表 51 測試數(shù)據(jù) 測量次數(shù) 實際值（ cm） 測量值（ cm） 1 10 9 2 40 3 70 4 100 98 5 130 6 160 7 190 8 220 9 250 10 280 但在測量 的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，測量值普遍偏小，并且隨著距離的增大準(zhǔn)確度下降 。 這時，首先考慮到的是 溫度對超聲 波速度的影響很可能造成數(shù)值偏大或偏小 ， 另外就是程序精度不夠考慮不周，很可能是造成距離遠(yuǎn)時精度下降 。 再加入溫度補償算法后精度得到了提高 。 （ 3）顯示程序調(diào)試： 該系統(tǒng)采用 液晶屏 顯示所測量的距離 ，顯示單位為厘米 。 采用 串行 的方式送入數(shù)據(jù)，用 進(jìn)行實時顯示。 程序編譯無誤后，上電測試， 看 效果 調(diào)整程序掃描時間。 最終達(dá)到較好的效果。 （ 4） 系統(tǒng)調(diào)試 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 25 在 各部分程序按照軟件設(shè)計流圖的順序 寫好后，編譯無誤，上電測試。 測量數(shù)據(jù)如上表所示。當(dāng)距離大于 30 厘米時測量出現(xiàn)錯誤即顯示的距離反而變小。 這 里 首先考慮到的問題是 ： ① 發(fā)射頭的發(fā)射功 率 不夠大 ，導(dǎo)致測量距離較近。 ② 接收電路的放大倍數(shù)太小，導(dǎo)致測量距離不 夠遠(yuǎn) 。 先從發(fā)射頭的發(fā)射功率開始入手。先增大了發(fā)射超聲波的功率， 上電測試。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果與上表差不多 ，依然在 30 厘米以上時出現(xiàn)錯誤。 這時考慮接收端信號放大的問題。 在增大了接收端放大倍數(shù)后。 上電測試 ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)依然存在上述問題 。 但是從 測出的距離來看測量值與實際值還有一定的誤差。 通過觀察 測量的數(shù)據(jù) ,發(fā)現(xiàn)測量值總是比實際值大 2 厘米左右。 因此 可以通過程序里對測量的數(shù)據(jù)加以修正就可以減小這個誤差 ，我分析這個誤差是由于在程序執(zhí)行語句時延時大約 6us,有 6us*34000cm/s= 得知正好是兩厘米的誤差。 造成的 在程序里處理完數(shù)據(jù)后然數(shù)據(jù)減去這個三厘米。程序編寫完畢后 ，上電測試。測試結(jié)果如下表 所示 。 表 52 調(diào)試前 測試數(shù)據(jù) 測量次數(shù) 實際值（ cm） 測量值（ cm） 1 10 9 2 40 3 70 4 100 98 5 130 6 160 7 190 8 220 9 250 10 280 表 53 調(diào)試后 測試數(shù)據(jù) 測量次數(shù) 實際值 （ cm） 測量值（ cm） 1 10 2 40 3 70 4 100 5 130 131 6 160 7 190 8 220 219 9 250 10 280 此時，觀察表 53 的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測量值與實際值的誤差已經(jīng)在 1%之內(nèi) ， 誤差 減小 。 至此系統(tǒng)基本上達(dá)到了課題的要求。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 26 結(jié) 論 （ 1） 硬件部分電路采用了超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路， 語音報警電路，液晶 顯示電路 等構(gòu)成 。 最多可顯示四位數(shù)，測距精度可達(dá) 到 1cm。 ① 超聲波發(fā)射部分電路采用單片機內(nèi)部直接 產(chǎn)生方波并從 口輸出 。 ② 超聲波接收電路采用的是 到 口外部中斷。 這樣由于沒有濾波電路在與其他電路一同工作時，可能對此電路產(chǎn)生干擾，因此在智能小車中這部分電路應(yīng)采用 CX20216 來實現(xiàn)， CX20216 中有放大電路，濾波電路等一系列信號處理電路，如果設(shè)計恰當(dāng)就可以達(dá)到較高的靈敏度，測量距離也會較遠(yuǎn)，抗干擾能力也較強。 ③ 液晶串行 方式顯示。 經(jīng)測試結(jié)果時顯示效果良好 。 （ 2）軟件部分 程序采用了 超聲波發(fā)射程序， 外部中斷子程序 ，定時器計數(shù) ，定時器中斷子程序以及 液晶 顯示程序。 ① 超聲波發(fā)射程序采用 nop 語句實現(xiàn)，由于定時器中斷有響應(yīng)時間，其最大頻率只能達(dá)到 。 ② 外部中斷子程序在對定時器計數(shù)值處理時應(yīng)注意，進(jìn)中斷馬上停止計數(shù)，數(shù)據(jù)處理完后把定時器清零 ，在返回主程序時重新開始計數(shù)。 這樣處理才能使系統(tǒng)正常的工作。 ③ 在定時器計數(shù)溢出時，在相應(yīng)的中斷子程序中調(diào)用顯示子程序以顯示出 后 方無障礙 物 。 （ 3） 整個系統(tǒng)測試， 測試結(jié)果表明顯示值與實際值的誤差在 1cm左右，能測量的距離范圍在 70—80 厘米左右，并且在無障礙物時，能顯示（ SAFE）。此時整個系統(tǒng)基本上達(dá)到了課題的 要求。要想進(jìn)一步擴(kuò)大測量的距離，超聲波發(fā)射電路和接收電路都需要一定的改進(jìn)。發(fā)射電路可采用 555 定時器實現(xiàn)以提高發(fā)射功率，接收電路可采用 CX20216 電路以提高接收電路的靈敏度和抗噪聲性能。這樣測量的距離就能達(dá)到更遠(yuǎn)。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 27 參 考 文 獻(xiàn) [1] 劉鳳然 . 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) [J]. 傳感器世界 , 2021,5:2932 [2] 何希才 , 薛永毅 . 傳感器及其應(yīng)用實例 [M]. 北京 : 機械工業(yè)出版社 , 2021:138152 [3] 胡漢才 . 單片機原理及其接口技術(shù) [M]. 北京 : 清華大學(xué)出版社 , 2021:2746 [4] 譚洪濤 , 張學(xué)平 . 單片機設(shè)計測距儀原理及其簡單應(yīng)用 [J]. 現(xiàn)代電子技術(shù) , 2021,18:9496 [5] 李念強等 . 單片機原理及應(yīng)用 [M]. 北京 : 機械工業(yè)出版社 , 2021:90100 [6] 童詩白 , 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