【正文】 超聲測(cè)距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 32 參考文獻(xiàn) [1]李華 .MCU51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1993. 6:8793 [2]陳光東 .單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) (第二版 )[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社， ： 2125 [3]徐英慧 ,等 . ARM 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) ——— 基于 S3C2410 與 Linux[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社 , 2020. [4]孫瓊 . 嵌入式 Linux應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)詳解 [M]. 人民郵電出版社 , 2020. [5]張謙琳 .超聲波檢測(cè)原理和方法 [M].北京：中國(guó)科技大學(xué)出版社， ： 1116 [6]九州 .放大電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， ： 134— 146 [7] 郭麗穎 . 基 于 單 片 機(jī) 的 超 聲 波 測(cè) 距 電 路 的 設(shè) 計(jì) [J]. 自 動(dòng) 化 系 統(tǒng) 與用 ,2020,(6):100102 [8]王俊峰，孟令啟 .《現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)》 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [9]樊昌元，丁義元 . 高精度測(cè)距雷達(dá)研究 .電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)， [10]吳斌方 , 劉民 . 超聲波測(cè)距傳感器的研究 [J]. 湖北工學(xué)院學(xué)報(bào) , 2020 .6. [11]高川 , 談?wù)穹?. 基于 AT89C2051 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用科技 , 2020 .11. [12]勝全 .D18B20 數(shù)字溫度計(jì)在微機(jī)溫度采集系統(tǒng)中的序編制 . 南京：南京大學(xué)出版 ，1998. 3 [13]王愛(ài)珍 .基于單 片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [N].忻州師范學(xué)院校報(bào)， [14]張琛，耿標(biāo) .超聲波測(cè)距的原理及設(shè)計(jì) [J].科技傳播， 2020,(13):217222 [15]楊志忠 .《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》 [M].北京：高等教育出版社， 2020 [16]rotor S， ZHANG G X. Geometric Error Measurement and Compensation of Machines [M].Annals of the CIRP. 1995:599609 [17]Olton W. Instrumentation process measurement. Longman。 軟件方面采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，利用算法平均值濾波和相關(guān)濾波以抑制帶寬的隨機(jī)噪聲，以及在測(cè)量時(shí)間內(nèi)近似呈現(xiàn)周期性的干擾并進(jìn)行補(bǔ)償。但要注意接收電路中的諧振回路帶寬不能 太窄，以免降低了電路的穩(wěn)定性。系統(tǒng)抗干擾措施必須從硬件和軟件兩個(gè)方面著手。由于超聲波測(cè)距儀測(cè)量的距離比較小，故采用 TCT4016T/R 超聲波傳感器作為發(fā)射和接收裝置，雖然也存在一定得自身干擾，但是比發(fā)射與接收采用一只壓電陶瓷超聲波傳感器自身干擾要小些。如果超聲波的固有頻率為 40kHz， 并假設(shè)接收信號(hào)觸發(fā)閥值建立時(shí)間滯后兩個(gè)周期，如果將超聲波的固有頻率提高至 200kHz,則測(cè)試誤差將縮小 5倍。可以研究更為合理的波導(dǎo)管和輔助測(cè)量手段。顯示電路采用 LED 數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字顯示。單片機(jī)采用 AT89S51，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。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。 一、超聲波測(cè)距儀接收電路仿真 本接收電路是單片機(jī)超聲波測(cè)距儀中最簡(jiǎn)單的電路，電路由三極管 分離元件構(gòu)成，整個(gè)電路元件少、制作容易、調(diào)試簡(jiǎn)單， 成功率非常高 。 if(show_temperature==1)goto T_show。 show(10)。 show(10)。 LED_temp(dis)。temp[2]=0xF7。 if(dis=8||dis=996){temp[0]=0xF7。 dis=Dis_count()。w=0。TO==0)。} while(flag==0amp。 EX0=1。 time_11uS(6)。 TR1=1。 w=0。 EA=1。 }while(show_temperature==1)。 show(25)。 show(25)。 show(25)。 show(25)。 show(25)。 show(25)。 show(25)。 TR1=0。 超聲測(cè)距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 26 } key()。 bell=1。 LED_Data=0xff。 time(400)。led_2H=0。w) { LED_Data=LED0[w]。 for(w=11。 } 主函數(shù)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容 void main(void) { uchar w。 cm/=20200。 cm=7610。 } 太原工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算 float Dis_count() { float cm。 } }else speed=。 if(tu==0)speed=332+T_C*。 y=Read_Temperature()。 } else{return r。} c=4。 if(c0x1000){c=c+1。 write(0xCC)。 c=read()。 if(r) { write(0xCC)。 reset()。再加上本人對(duì) C語(yǔ)言程序更加熟悉一點(diǎn)，所以最終決定使用 C語(yǔ)言為本次設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言。因此，利用 C 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為單片機(jī)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的必然趨勢(shì)。C 語(yǔ)言的缺點(diǎn)是生成目標(biāo)代碼比 較大，但隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，片內(nèi) ROM的空間做到 16/32 KB 的已經(jīng)很多，所以代碼較大已經(jīng)不是重要的問(wèn)題了。 C 語(yǔ)言應(yīng)用于單片機(jī)編程出了上述特點(diǎn)外，還有以下突出特點(diǎn)：編譯器可以自動(dòng)完成變量存儲(chǔ)單元的分配，省去了分配和紀(jì)錄存儲(chǔ)單元的繁瑣；不必對(duì)單片機(jī)和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，省去了單片機(jī)漫長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間；具有良好的可移植性，只要將程序略加改動(dòng)就可以將其應(yīng)用與其他類型的單片機(jī)，省去了更改單片機(jī)型號(hào)時(shí)重新編寫(xiě)程序的無(wú)奈。 C 語(yǔ)言的模塊化程序結(jié)構(gòu)可以使程序模塊實(shí)現(xiàn)共享。 C 語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)，運(yùn)算速度快，編譯效率高，有良好的可太原工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。匯編語(yǔ)言的缺點(diǎn)是程序的通用性和可移植性差；程序比較繁瑣，調(diào)試?yán)щy；目標(biāo)程序比較龐大，運(yùn)行速度慢。但由于匯編指令與機(jī)器語(yǔ)言指令一一對(duì)應(yīng)，即一條匯編語(yǔ)言的可執(zhí)行指令對(duì)應(yīng)著一條機(jī)器語(yǔ)言指令，反之亦然。它直接利用機(jī)器提供的指令系統(tǒng)編寫(xiě)程序，該類程序的可執(zhí)行指令是與機(jī)器語(yǔ)言程序的指令一一對(duì)應(yīng)的。 下面將對(duì)匯編語(yǔ)言與 C語(yǔ)言的特點(diǎn)進(jìn)行比較。而且程序的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。具體電路圖如圖 46 所示： 圖 46 LED 顯示電路 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 考慮到本設(shè)計(jì)的實(shí)際需求， 系統(tǒng)只需提供簡(jiǎn)單的嘀嘀聲作為報(bào)警信號(hào)即可?？紤]各種因素，本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中， LED 數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描 顯示。綜合本課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示的 LED 驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。具體電路如圖 45 所示： 太原工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 圖 45 超聲波接收電路 LED顯示電路 顯 示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。 CX20206A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以滿足超聲波接收電路的要求。發(fā)射電路發(fā)出的脈沖信號(hào)，在碰到障礙物后，經(jīng)反射后的超聲波脈沖變成微弱的交流信號(hào)，接收電路接收后送到 CX20206A 的 1 腳，為信號(hào)的輸入端，經(jīng)過(guò)前置放大器的放大，限幅放 大器的放大，由于其有自動(dòng)增益控制功能，可以保證超聲傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器具有較高的增益，而在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載，其帶通濾波器中心頻率可由芯片 5 腳的外接電阻調(diào)節(jié)，取 200 kΩ，控制在 38 kHz。 超聲波接收電路 超聲波換能器接收到反射回來(lái)的超聲波信號(hào)后，會(huì)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)比較弱，需要放大整形等一系列處理才能輸入單片機(jī)完成相應(yīng)的信息處理。 8 腳：為電源端。該引腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。例如，取 R=200kΩ時(shí)， f0≈ 42kHz，若取 R=220kΩ，則芯片中心頻率 f0≈ 38kHz。 5 腳：為帶通濾波器調(diào)整端。該引腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間超聲測(cè)距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 18 相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推 薦參數(shù)為 f。但 C1 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R1=， C1=1μ F。該引腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。該引腳和地之間連接光電二 極管，輸入阻抗約 40kΩ。本具體 電路如圖 42 所示： 圖 42 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路設(shè)計(jì) CX2020A 簡(jiǎn)介 CX2O106A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號(hào)接收集成電路，廣泛應(yīng)用于視頻、音頻、空調(diào)、風(fēng)扇等各種遙控系統(tǒng)中作遙控信號(hào)接收電路。本設(shè)計(jì)采用軟件產(chǎn)生，由定時(shí)器 T0 產(chǎn)生40KHz 的方波信號(hào)。另外，為了更便于觀測(cè)本設(shè)計(jì)調(diào)試中的現(xiàn)象，用三個(gè)發(fā)光二級(jí)管來(lái)觀察調(diào)試結(jié)果，以本設(shè)計(jì)的程序來(lái)說(shuō)明，當(dāng)大于 2m 時(shí)是安全距離，綠燈亮，當(dāng)在 到 2m 之間時(shí)，黃燈亮，當(dāng)在 1m到 之間時(shí)，危險(xiǎn)距離，開(kāi)繼電器，紅燈亮，啟動(dòng)報(bào)警電路。 太原工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 4 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)外圍電路主要有鍵盤(pán)電路、電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、串口電路，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，鍵盤(pán)電 路相當(dāng)于倒車擋，主要控制單片機(jī)執(zhí)行指令的狀態(tài)，時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。超聲波的接收信號(hào)選用 CX20206 芯片處理。 該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 33 所示 ： 超聲測(cè)距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 14 圖 33 單片機(jī)引腳與 封裝 其他元器件的選擇 顯示部分是采用七段四位數(shù)碼管，選用共陰極接法， CD4511 控制段選碼， 74LS138控制位選信號(hào)。 5l 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。 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。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。因此，選用 AT89C51單片機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求以及總體設(shè)計(jì)思路對(duì)所選擇的單片機(jī)要求進(jìn)行進(jìn)一步的概括。因此其性能將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施。一旦達(dá)到居里溫度點(diǎn)( 573C??),就完全喪失壓電性能。 （ 4）工作溫度 工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。 （ 3）指向角 指向角是超聲波傳感器方向性的一個(gè)參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。本設(shè)計(jì)采用 40KHZ的探頭 TCT4016T/R。中心頻率 越 高，測(cè)距越短，而分超聲波發(fā)射器 放大電路 超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時(shí)器 單片機(jī)控制 顯示器 超聲測(cè)距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 12 辨力越高。 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 硬件選型 超聲波探頭的中心頻率及主要參數(shù) 一、主要參數(shù) （ 1）中心頻率 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。 ] cos[ 2 H arctg vt H ? L 1 vt H 2 ?