【正文】 （ 4）數(shù)據(jù)傳輸與顯示 經(jīng)軟件處理得到的距離送給四位 LE。RAM中存儲的計數(shù)值也不能作為距離值直接顯示輸出，計數(shù)值與實際的距離值 之間轉(zhuǎn)換公式為 : / 2 ( ) / 2rs vt v t N?? ，其中， t為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時間， rt 為方波信號作為計數(shù)脈沖時計數(shù)器的時間分辨率， N為計數(shù)器的值。 （ 2）數(shù)據(jù)存儲 為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數(shù)器的計數(shù)值，然后存儲在 RAM中，芯片所測出的溫度值也要存在 RAM中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。根據(jù)以上所述系統(tǒng)硬件設(shè)計和所完成功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能： （ 1）信號控制 在系統(tǒng)硬件中，己經(jīng)完成了發(fā)射電 路、回波接收電路、溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。 由發(fā)送傳感器 (或稱波發(fā)送器 )、接收傳感器 (或稱波接收器 )、控制部分與電源部分組成。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波是指頻率高于 20kHz的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。 充分利用 AT89C2051的片內(nèi)資源，即可在很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)。作為一個計數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳 。作為一個定時器，每個機(jī)器周期寄存器增加 1，這樣寄存器即可計數(shù)機(jī)器周期?？傻綦姳４?RAM的內(nèi)容，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的 其它功能直到下一次硬件復(fù)位。此外， AT89C2051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51的指令和引腳兼容，因此它是一種功能強(qiáng)大的微控制器，它對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高度靈活有效的 解決方案。流過 R1 和 VD1 短路的輸出電流約為 100mA 左右。此時，最大輸出電流近似為 20β 1（ mA）。在負(fù)載電流由空載變?yōu)?500mA 時，輸入電壓從 16～ 24V 范圍內(nèi)，穩(wěn)壓誤差在 1％以內(nèi)。當(dāng)負(fù)載短路時，穩(wěn)壓電路自動關(guān)斷。然后單片機(jī)電源恢復(fù)工作后再次對蓄電池充電。 電源電路設(shè)計 +5V 和 +12V 穩(wěn)壓電源 我們用到的穩(wěn)壓電源電路，能產(chǎn)生 +12v、 +5v和 5v 共 3 組輸出電壓 ,可供采用正、負(fù)工作電源的數(shù)字電路或微處理器集成電路使用。反相器作為顯示器的位驅(qū)動， 8 個 47Ω 的電阻是 LED 的限流電阻， 3 個 的電阻是上拉電阻，使單片機(jī) AT89C2051 輸出電平與用 MC14499 設(shè)計的 LED顯示器動態(tài)顯示接口電路電平相兼容。該動態(tài)顯示接口的原理圖如圖 所示。本設(shè)計采用后者。一幀串行數(shù)據(jù)輸入之后， MC14499就自動開始動態(tài)掃描，實現(xiàn)動態(tài)顯示。通過對顯示接口電路的綜合分析，發(fā)現(xiàn)測距儀利用串行輸入 BCD碼的十進(jìn)制譯碼驅(qū)動顯示器件 MC14499來 完成與單片機(jī)系統(tǒng)的顯示接口較為簡單可靠。長度單位一般為 “m” ，可以不顯示，因此顯示器件可選用 BS202型共陰極 7段 LED顯示器。 圖 報警電路圖 顯示電路設(shè)計 超聲波測距儀的顯 示要求比較簡單，測量結(jié)果采用十進(jìn)制數(shù)字顯示。在揚聲器發(fā)出報警聲時，時基電路 555 處于暫穩(wěn)態(tài)，此時電源向電容充電，從而使 555 結(jié)束暫穩(wěn)態(tài)回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài) 輸出低電平，使揚聲器停止發(fā)出報警聲。振蕩頻率為 800Hz。由于所用設(shè)備通過漏極開路端（ 2腳）連在總線上，控制線需要一個上拉電阻。 實際測溫電路如圖所示，圖中 DS1820管腳 2與單片機(jī) ，單片機(jī)通過它以串口數(shù)據(jù)傳誦方式讀取測溫結(jié)果。計數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)制在 — 55攝氏度所對應(yīng)的一個基數(shù)。低溫度系數(shù)晶振的震蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1。測溫分辨率可達(dá) ℃。轉(zhuǎn)換周期與轉(zhuǎn)換精度設(shè)定有關(guān)， 9位精 度時，最大轉(zhuǎn)換時間為 ； 12位精度時，最大轉(zhuǎn)化時間為 750ms。溫度測量范圍是 55℃ +125℃，可編程為 912位 A/D轉(zhuǎn)換精度，未編程時默認(rèn)精度為 12 位，測量精度一般為 ℃，軟件處理后可達(dá) ℃。本文采用了 DS1820進(jìn)行測溫。 圖 電位比較器電路圖 17 圖 超聲波接收電路圖 溫度測量電路設(shè)計 溫度對超聲波波速影響非常大，超聲波波度 c與環(huán)境溫度 ? 的關(guān)系有如下經(jīng)驗公式：3 3 1 .4 1 / 2 7 3c ??? (m/s)，所以溫度每變化 1℃，聲波的速度變化約為 /s 。比較器的輸入端需要穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓需要加電容穩(wěn)定 。因為放大后的回波信號幅值已經(jīng)較大，這樣再通過設(shè)置合適的閥值就可以穩(wěn)定的得到有效信號。這因為比較器非常靈敏，信號的微小變化就導(dǎo)致輸出值 OHV 和 OLV 的相互轉(zhuǎn)變。反之 ，則輸出為低電平信號到 PC的數(shù)據(jù)采集端。當(dāng) IU NU 時， OU =0，為低電平 :當(dāng) IU NU 時， OU = NU IU ，為高電平。 這里的第四片 LM324 作反相電位比較器，電路如圖 所示， 有一個閥值電壓 NU ，IU 為反相電壓比較器輸入電壓。對于交流信號而言，電容為短路，因此前三級放大電路的增益均為 10。 LM324既可以雙電源工作，也可以單電源工作，因此能滿足使用要求。另外，由于輸入信號為正弦波，因此必須將放大電路設(shè)計成交流放大電路。不同接收探頭的輸出信號強(qiáng)度存在差異。接收電路如圖 所示。正弦波信號不能直接被單片機(jī)接收，必須進(jìn)行波形變換。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計采用 CSB40R，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。 4腳為超聲波發(fā)射控制信號輸 入端，由單片機(jī)進(jìn)行控制。因而，將4 腳與單片機(jī)的控制信號相接就可以控制發(fā)射電路。 555 定時器的 4腳是復(fù)位端，利用它來控制超聲波脈沖的發(fā)射。 超聲波發(fā)射電路圖（如圖 ）中 將 1R 設(shè)計為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的 40kHz 固有頻率一致。脈沖寬度 LT ≈ 2R 1C ，由電容 1C 放電時間決定； HT =( 1R + 2R ) 1C ，由電容 1C 充電時間決定，脈沖周期 T≈ HT +LT 。當(dāng) CU 充電到 ≥2/3 CCV后，振蕩器輸出 OV 翻轉(zhuǎn)成 0，此時放電管導(dǎo)通，使放電端 (DIS)接地，電容 C通過 2R 對1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 4 J un 2 0 0 7 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:Y1C4C5C82 2uR90 .2 KS1R E S E T+5V P P1R X D2T X D3X T A L 24X T A L 15I N T 06I N T 17T08T19GND10P 3. 711P 1. 012P 1. 113P 1. 214P 1. 315P 1. 416P 1. 517P 1. 618P 1. 719V C C20C 1 8A T 89 C 2 05 1R 2 61K+5 14 地放電，使 CU 下降。 由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器 （如圖所示）。 圖 最小應(yīng)用系統(tǒng)電路圖 超聲波發(fā)送電路設(shè)計 超聲波發(fā)送電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分 ，超聲波探頭（又稱 “ 超聲波換能器 ” ）選用 CSB40T。其發(fā)出脈沖直接送入片內(nèi)定時控制部件。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘產(chǎn)生方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是 XTAL1和 XTAL2，在 XTAL1和 XTAL2上 外接時鐘源即可構(gòu)成時鐘電路。 該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按 RESET 鍵，此時電源 CCV 經(jīng)電阻 1R 、 2R 分壓，在 RESET 端產(chǎn)生復(fù)位高電平。 復(fù)位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合 電容電壓不能突變 的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電， RST 腳將會出現(xiàn) 高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的 RC值來決定。s，則只需 2181。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使 RST引腳加上持續(xù)兩個機(jī)器周期 (即 24個振蕩周期 )的高電平。 圖 硬件框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 單片機(jī)復(fù)位是使 CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一 個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，復(fù)位后 PC＝ 0000H，使單片機(jī)從第 — 個單元取指令。 LED報警電路。 控制由 555定時器及超聲波換能器 CSB40T組成的發(fā)射電路發(fā)射超聲波。 XTAL1和 XTAL2接12MHZ晶振構(gòu)成的時鐘電路。顯示器由四個七段數(shù)碼管組成，由串行輸入顯示接口芯片 MC14499驅(qū)動。 C段： 50cm以內(nèi)對應(yīng)方位指示燈長亮，擴(kuò)音器長鳴。 障礙距離指示燈與報警器響應(yīng)方式： A段： 150—100cm指示燈慢閃亮、擴(kuò)音器以相應(yīng)頻率的叫聲提示。同時數(shù)碼管顯示相應(yīng)距離。 DS1820芯片是 DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，溫度測量范圍是 55℃到 +120℃ ，可編程為 9位到 12位 A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá) ℃。本設(shè)計采用 DS1820芯片進(jìn)行測溫。但是由于超聲波傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對回波的接收和處理造成了一定程度的影 響。 超聲波回波接收方案 在超聲波發(fā)射完畢后，再延遲一小段時間才能進(jìn)行接收，目的是為了避免單片機(jī)對發(fā)射頭直接傳送到接收頭的信號進(jìn)行響應(yīng)而不能正常工作。要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必 須放大到一定的幅度。因此，工作電壓不能超過這個極限值。發(fā)射電壓從理論上是越高越好，因為對同一個發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計就相對簡單一些。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動發(fā)出超聲波，電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳 感器的固有頻率 40KHz。發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻 帶 較寬。發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。 超聲波發(fā)射方案 發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。這樣傳感器方向性尖銳，且 避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。 (3)從傳感器設(shè)計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。 工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮 : (1)如果測距的能力要求很大，聲波傳播損 失就相對增加，由于介質(zhì)對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。超聲波傳感器具有反應(yīng)靈敏、探測速度快 (一個測量周期僅需幾十毫秒 )的優(yōu)點，而且結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低。因此選擇利用超聲波傳感器來作為探測器。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 測距探測器方案 除了上述方案分析比較中講述的超聲波測距所獨有的優(yōu)點外超聲波測距在某些特定場合還有著顯著的優(yōu)點，超聲波測距系統(tǒng)是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，因此它是一種非接觸式的測量，所以它能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算結(jié)合由所測溫度值換算出的聲速值就可以得出車體與障礙物之間的距離。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，經(jīng)濾波電容，放大器，電壓比較器傳給單片機(jī)的 INT0口。 倒車時倒檔啟動 探測器系統(tǒng)，單片機(jī) AT89C2051作為主控器，控制 DS1820芯片并處理所測得的溫度數(shù)據(jù)。 通過對預(yù)警提示方式的分析，綜合其特點，采用聲音、 LED 數(shù)碼管燈相結(jié)合的提示方式。此方案造價較高，比較適合高檔汽車，可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配。語音提示比較方便， 避免駕駛員過度關(guān)注顯示器，分散注意力。不過液晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報也較多。這種方式比較實用，一目了然，但沒有聲響，警示效果不好。此方式?jīng)]有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠(yuǎn)，對司機(jī)幫助不大。目前主要有轟鳴器提示、數(shù)碼波段顯示、液晶熒屏顯示，魔幻鏡顯示，音響提示等單個或多種方式相結(jié)合的提示方式，下面對這幾種提示方式進(jìn)行分析和比較。因此本設(shè)計采用超聲波測距方式。故超