【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(chǔ)的計(jì)數(shù)值也不能作為距離值直接顯示輸出，計(jì)數(shù)值與實(shí)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(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間， rt 為方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率， N為計(jì)數(shù)器的值。 （ 2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在 RAM中，芯片所測(cè)出的溫度值也要存在 RAM中，而且每次發(fā)射周期的開(kāi)始，需要對(duì)計(jì)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(jì)和所完成功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能： （ 1）信號(hào)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(jì)?？刂撇糠种饕獙?duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)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(guò)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(gè)探頭反射、一個(gè)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(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)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(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。 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(cè)距系統(tǒng)。作為一個(gè)計(jì)數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳 。作為一個(gè)定時(shí)器，每個(gè)機(jī)器周期寄存器增加 1，這樣寄存器即可計(jì)數(shù)機(jī)器周期。可掉電保存 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(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活有效的 解決方案。流過(guò) R1 和 VD1 短路的輸出電流約為 100mA 左右。此時(shí)，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(shí)，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(shí)，穩(wěn)壓電路自動(dòng)關(guān)斷。然后單片機(jī)電源恢復(fù)工作后再次對(duì)蓄電池充電。 電源電路設(shè)計(jì) +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(dòng)， 8 個(gè) 47Ω 的電阻是 LED 的限流電阻， 3 個(gè) 的電阻是上拉電阻，使單片機(jī) AT89C2051 輸出電平與用 MC14499 設(shè)計(jì)的 LED顯示器動(dòng)態(tài)顯示接口電路電平相兼容。該動(dòng)態(tài)顯示接口的原理圖如圖 所示。本設(shè)計(jì)采用后者。一幀串行數(shù)據(jù)輸入之后， MC14499就自動(dòng)開(kāi)始動(dòng)態(tài)掃描，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。通過(guò)對(duì)顯示接口電路的綜合分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)距儀利用串行輸入 BCD碼的十進(jìn)制譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器件 MC14499來(lái) 完成與單片機(jī)系統(tǒng)的顯示接口較為簡(jiǎn)單可靠。長(zhǎng)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(bào)警電路圖 顯示電路設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距儀的顯 示要求比較簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果采用十進(jìn)制數(shù)字顯示。在揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲時(shí)，時(shí)基電路 555 處于暫穩(wěn)態(tài)，此時(shí)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(yáng)聲器停止發(fā)出報(bào)警聲。振蕩頻率為 800Hz。由于所用設(shè)備通過(guò)漏極開(kāi)路端（ 2腳）連在總線上，控制線需要一個(gè)上拉電阻。 實(shí)際測(cè)溫電路如圖所示，圖中 DS1820管腳 2與單片機(jī) ，單片機(jī)通過(guò)它以串口數(shù)據(jù)傳誦方式讀取測(cè)溫結(jié)果。計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)制在 — 55攝氏度所對(duì)應(yīng)的一個(gè)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(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。測(cè)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(shí)，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 ； 12位精度時(shí)，最大轉(zhuǎn)化時(shí)間為 750ms。溫度測(cè)量范圍是 55℃ +125℃，可編程為 912位 A/D轉(zhuǎn)換精度，未編程時(shí)默認(rèn)精度為 12 位，測(cè)量精度一般為 ℃，軟件處理后可達(dá) ℃。本文采用了 DS1820進(jìn)行測(cè)溫。 圖 電位比較器電路圖 17 圖 超聲波接收電路圖 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 溫度對(duì)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(yàn)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?yàn)榉糯蠛蟮幕夭ㄐ盘?hào)幅值已經(jīng)較大，這樣再通過(guò)設(shè)置合適的閥值就可以穩(wěn)定的得到有效信號(hào)。這因?yàn)楸容^器非常靈敏，信號(hào)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(hào)到 PC的數(shù)據(jù)采集端。當(dāng) IU NU 時(shí)， OU =0，為低電平 :當(dāng) IU NU 時(shí)， 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(gè)閥值電壓 NU ，IU 為反相電壓比較器輸入電壓。對(duì)于交流信號(hào)而言，電容為短路，因此前三級(jí)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(hào)為正弦波，因此必須將放大電路設(shè)計(jì)成交流放大電路。不同接收探頭的輸出信號(hào)強(qiáng)度存在差異。接收電路如圖 所示。正弦波信號(hào)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(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計(jì)采用 CSB40R，否則將因無(wú)法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無(wú)法接收。 4腳為超聲波發(fā)射控制信號(hào)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(hào)相接就可以控制發(fā)射電路。 555 定時(shí)器的 4腳是復(fù)位端，利用它來(lái)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(jì)為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號(hào)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(shí)間決定； HT =( 1R + 2R ) 1C ，由電容 1C 充電時(shí)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(shí)放電管導(dǎo)通，使放電端 (DIS)接地，電容 C通過(guò) 2R 對(duì)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(shí)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(jì) 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(gè)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(shí)控制部件。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(shí)鐘源即可構(gòu)成時(shí)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(shí)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(huì)出現(xiàn) 高電平，并且，這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的 RC值來(lái)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(gè)機(jī)器周期 (即 24個(gè)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(jì) 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(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，復(fù)位后 PC＝ 0000H，使單片機(jī)從第 — 個(gè)單元取指令。 LED報(bào)警電路。 控制由 555定時(shí)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(shí)鐘電路。顯示器由四個(gè)七段數(shù)碼管組成，由串行輸入顯示接口芯片 MC14499驅(qū)動(dòng)。 C段： 50cm以內(nèi)對(duì)應(yīng)方位指示燈長(zhǎng)亮，擴(kuò)音器長(zhǎng)鳴。 障礙距離指示燈與報(bào)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(shí)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(cè)量范圍是 55℃到 +120℃ ，可編程為 9位到 12位 A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃。本設(shè)計(jì)采用 DS1820芯片進(jìn)行測(cè)溫。但是由于超聲波傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對(duì)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(shí)間才能進(jìn)行接收，目的是為了避免單片機(jī)對(duì)發(fā)射頭直接傳送到接收頭的信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)而不能正常工作。要對(duì)這樣小的信號(hào)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(guò)這個(gè)極限值。發(fā)射電壓從理論上是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一個(gè)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(duì)于接收電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)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(dòng)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(kāi)了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。 (3)從傳感器設(shè)計(jì)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(diǎn)考慮 : (1)如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損 失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)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(cè)速度快 (一個(gè)測(cè)量周期僅需幾十毫秒 )的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低。因此選擇利用超聲波傳感器來(lái)作為探測(cè)器。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 測(cè)距探測(cè)器方案 除了上述方案分析比較中講述的超聲波測(cè)距所獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)外超聲波測(cè)距在某些特定場(chǎng)合還有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，超聲波測(cè)距系統(tǒng)是利用計(jì)算超聲波在被測(cè)物體和超聲波探頭之間的傳輸來(lái)測(cè)量距離的，因此它是一種非接觸式的測(cè)量，所以它能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算結(jié)合由所測(cè)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(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)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(shí)倒檔啟動(dòng) 探測(cè)器系統(tǒng)，單片機(jī) AT89C2051作為主控器，控制 DS1820芯片并處理所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)。 通過(guò)對(duì)預(yù)警提示方式的分析，綜合其特點(diǎn)，采用聲音、 LED 數(shù)碼管燈相結(jié)合的提示方式。此方案造價(jià)較高，比較適合高檔汽車，可以按照個(gè)人需求和車內(nèi)裝飾選配。語(yǔ)音提示比較方便， 避免駕駛員過(guò)度關(guān)注顯示器，分散注意力。不過(guò)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(bào)也較多。這種方式比較實(shí)用，一目了然，但沒(méi)有聲響，警示效果不好。此方式?jīng)]有語(yǔ)音提示，也沒(méi)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(duì)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(gè)或多種方式相結(jié)合的提示方式，下面對(duì)這幾種提示方式進(jìn)行分析和比較。因此本設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距方式。故超