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正文內(nèi)容

超聲波測距實(shí)訓(xùn)報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)-文庫吧資料

2024-09-04 21:17本頁面
  

【正文】 度 干擾問題。 專業(yè)技能綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 第 17 頁 共 37 頁 圖 HRSR04 超聲波集成模塊正面外觀圖 圖 HRSR04 超聲波集成模塊背面外觀圖 HRSR04 型 超聲波集成模塊的工作電壓為 5 V,而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于 2 mA 的 ,工作時(shí)候可以比較穩(wěn)定。 圖 超聲波接收電路 HRSR04 超聲波集成模塊 HRSR04 超聲波集成模塊是將超聲 波發(fā)射探頭,超聲波接收探頭, CX20206A 芯片電路, 74LS04 芯片放大電路集成到的一起的一個(gè)超聲波集成模塊。 CX20206A 芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力,而且靈敏度也比較高,所以,能滿足本設(shè)計(jì)的要求。 CX20206A 芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制的功能,當(dāng)測 量的距離比較近時(shí),放大器不會(huì)過載;而當(dāng)測量距離比較遠(yuǎn)時(shí),超聲波信號(hào)微弱,前置放大器就有較大的 專業(yè)技能綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 第 16 頁 共 37 頁 放大增益效果。 超聲波接收電路設(shè)計(jì) 由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的,如果距離較遠(yuǎn),那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較微弱,因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去,而單片機(jī)所產(chǎn)生的 40 kHz 的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去,所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路,本設(shè)計(jì)選用 74LS04 芯片進(jìn)行信號(hào)放大,超聲波發(fā)射電路如圖 所示。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為 340 m/s[7],所以障礙 物到發(fā)射探頭之間的距離為: S=340t/2=170t 因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上就是對(duì)機(jī)器周期 T的計(jì)數(shù),而本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率 fosc取 12 MHz,設(shè)計(jì)數(shù)值 N,則: T= 12/fosc=1μs 專業(yè)技能綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 第 15 頁 共 37 頁 t=NT= N( s) S= 170NT= 170N/1000000( m) 在程序中按 式 S= 170NT= 170N/1000000 計(jì)算距離。首先由超聲波發(fā)射探頭向倒車的方向發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會(huì)被反射回來,當(dāng)接收探頭收到反射波后就會(huì)給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其立刻停止計(jì)時(shí) []。而且,超聲波的測量是一種 比較理想的的非接觸式的測距方法 [6]。 專業(yè)技能綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 第 14 頁 共 37 頁 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì) 超聲波是一種振動(dòng)頻率超過 20 kHz 的機(jī)械波,它可以沿直線方向傳播,而且傳播的方向性好,傳播的距離也較遠(yuǎn),在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到障礙物在入射到它的反射面上就會(huì)產(chǎn)生反射波 [6]。對(duì)于 80S51 單片機(jī),由于片內(nèi) 已經(jīng)自帶 有 了 程序存儲(chǔ)器, 所以 只 要單片機(jī) 外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就 可以 組成了 單片機(jī)的 最小系統(tǒng) 了 。當(dāng)該引腳訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí),應(yīng)該輸入的是低電平,要使 89S51 只訪問片外程序存儲(chǔ)器 ,這時(shí)該引腳必須保持低電平;而在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí),用于施加 Vpp 編程電壓 [5]。但在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí), /PSEN 將不會(huì)有脈沖輸出 [5]。 ( b) /PSEN( 29 腳):片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端,低電平時(shí)有效。在 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí),ALE(地址鎖存允許)以每機(jī)器周期兩次進(jìn)行信號(hào)輸出,其下降沿用于控制鎖存 P0口 輸出的低 8 位地址;在不訪問片外存儲(chǔ)器的時(shí)候, ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(hào) (此頻率是振蕩器頻率的 1/6),而在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí), ALE 脈沖會(huì)跳空一個(gè) ,此時(shí)是不可以做為時(shí)鐘輸出 [5]。 P3 口的第二功能,如表 所示 [5]。 P3 口作為通用 I/O 口接口時(shí),第二功能輸出線為高電平。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí), P2 引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變 [5]。 P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口,而且 P2 口具有驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL負(fù)載的能力 [5]。 對(duì)于輸出功能,在單片機(jī)工作的時(shí)候,可以通過用程序指令控制單片機(jī)引腳輸出高電平或低電平 [5]。 P0 口在有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)將會(huì)被作為地址 /數(shù)據(jù)總線口,此時(shí) P0口就是一個(gè)真正的雙向口;而在沒有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí), P0 口也可以作為通用的 I/O接口使用,但此時(shí)只是一個(gè)準(zhǔn)雙向口;另外, P0 口的輸出級(jí)具有驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載的能力即輸出電流不小于 800 uA[5]。本課題設(shè)計(jì)的單片機(jī)復(fù)位電路如圖 所示。 圖 時(shí)鐘信號(hào)電路 ( 3) 復(fù)位 RST( 9 腳) 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí),只要有有兩個(gè)機(jī)器周期即 24 個(gè)振蕩周期以上的高電平在這個(gè)引腳出現(xiàn)時(shí),那么就將會(huì)使單片機(jī)復(fù)位,如果將這個(gè)引腳保持高電平,那么 51 單片機(jī) 芯片就會(huì)循環(huán)不斷地進(jìn)行復(fù)位 [5]。單片機(jī)使用的工作方式是自激振蕩的方式, XTAL1 和 XTAL2 外接的是12 MHz 的石英晶振,使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進(jìn)行振蕩 ,從而就可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào) 。 專業(yè)技能綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 第 11 頁 共 37 頁 GND( 20 腳):接地端。 單片機(jī)的引腳功能圖如圖 所示。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求,選擇AT89S51 單片機(jī)做為本設(shè)計(jì)的單片機(jī)使用,它是由 ATMEL 公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的 CMOS 8 位單片機(jī)。 51 系列單片機(jī)它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源等方面與標(biāo)準(zhǔn)的 52 系列的 單片機(jī)可以完全的兼容。 專業(yè)技能綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 第 10 頁 共 37 頁 ( 8)單片機(jī)技術(shù)的支持網(wǎng)站如何,賣家提供的芯片資料是否足夠完善,是否包含了用戶手冊(cè),設(shè)計(jì)方案舉例,相關(guān)范例程序等。例如,如果信號(hào)線取電只能提供幾 mA 的電流,所以為了能滿足低功耗的要求這個(gè)時(shí)候選用 STC 的 單片機(jī)是最合適的。例如:在進(jìn)行設(shè)計(jì)戶外的產(chǎn)品時(shí),就必須要選用工業(yè)級(jí)的芯片,以 達(dá)到溫度范圍的要求。封裝的形式多種多樣,例如:雙列直插封裝、 PLCC 封裝及表面貼附等。例如:對(duì)于程序存儲(chǔ)器來說,最好選用的是 Flash 的 存儲(chǔ)器。 ( 2)單片機(jī)的某些增強(qiáng)的功能。在一般的情況下來講,在選擇單片機(jī)時(shí)要需要考慮的幾個(gè)方面有 [5]: ( 1)單片機(jī)最基本性能參數(shù)指標(biāo)。如果選擇了一個(gè)合適的單片機(jī)不僅可以最大地簡化系統(tǒng)的操作,而且其功能可能是最好的,可靠性也比較高,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說更方便。本設(shè)計(jì)的 硬件電路分為 五 部分: 單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波 發(fā)射和接收電路 、蜂鳴器報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示電路 。 超聲波接受器 檢波電路 51 單片機(jī) 超聲波發(fā)射器 放大電路 放大電路 報(bào)警系統(tǒng) 顯示模塊 專業(yè)技能綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 第 9 頁 共 37 頁 3 硬件電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的汽車防撞裝置由 51 單片機(jī)、超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭、 4 位共陽極數(shù)碼管、蜂鳴器組成。根據(jù)對(duì)相關(guān)資料查閱,將兩探頭之間的距離定在 5 cm~ 8 cm 最為合適。 由于超聲波的發(fā)射和接收是分開發(fā)送和接收的,所以發(fā)射探頭和接收探頭必須在同一條水平行直線上,這樣才能準(zhǔn)確地接收反射的回波。更有利于測距的準(zhǔn)確性。 結(jié)合各方面的因素考慮,依據(jù)設(shè)計(jì)的要求,查閱相關(guān)數(shù)據(jù)資料,選擇了超聲波測距傳感器 TR4016Q(其中 T 表示超聲波發(fā)射探頭, R 表示超聲波接收探頭),綜合考慮設(shè)計(jì)的要求出于簡便角 度,選用了 HCSR04 超聲波集成模塊。在超聲波發(fā)射電路啟動(dòng)的同時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)中斷定時(shí)器,利用其計(jì)數(shù)的功能記錄超聲波發(fā)射超聲波到接收到超聲波回波的時(shí)間。本設(shè)計(jì)的汽車防撞裝置的系統(tǒng)框圖如圖 所示。 系統(tǒng)方案 此方案選擇 51 單片機(jī)作為控制核心,所測得的距離數(shù)值由 4 位共陽極數(shù)碼管顯示 ,與障礙物之間的不同距離利用蜂鳴器頻率的不同報(bào)警聲提示,超聲波發(fā)射信號(hào)由51 單片機(jī)的 口送出到超聲波發(fā)射電路,將超聲波發(fā)送出去,超聲波接收電路由CX20206A 芯片和超聲波接收探頭組成的電路構(gòu)成,報(bào)警系統(tǒng)由蜂鳴器電路構(gòu)成。 根據(jù)對(duì)以上三種傳感器性能的比較,雖然能明顯看出來激光傳感器是比較理想的選擇,但是它的價(jià)格卻比較高,而且安全度不夠高。在中、長距離測量時(shí),超聲波傳感器的精度和方向性都要大大優(yōu)于紅外線傳感器,但價(jià)格也稍貴。超聲波傳感器在工作的時(shí)候就是將電壓和超聲波之間的互相轉(zhuǎn)換,當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波時(shí),發(fā)射超聲波的探頭將電壓轉(zhuǎn)化的超聲波發(fā)射出去,當(dāng)接收超聲波時(shí),超聲波接收探頭將超聲波轉(zhuǎn)化的電壓回送到單片機(jī)控制芯片。其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉,使用安全,制作簡單,缺點(diǎn)就是測量精度低,方向性也差,測量距離近 [3]。其優(yōu)點(diǎn)是測量的距離遠(yuǎn)、速度快、測量精確度高、量程范圍大,缺點(diǎn)是對(duì)人體存在安全問題,而且制作的難度大成本也比較高 [3]。而本設(shè)計(jì)的核心是超聲波測距模塊,其他相關(guān)模塊都是在測距的基礎(chǔ)上拓展起來的,測距模塊是利用超聲波傳感器,之后選擇合適單片機(jī)芯片,以下就是從相關(guān)方面來論述的。 2 總體方案論證 本章從系統(tǒng)方案等一些方面來進(jìn)行論證。 第 6 章是對(duì)本設(shè)計(jì)的總結(jié)和展望。 第 5章是硬件的組裝及其性能進(jìn)行分析。 第 4章主要是對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。 第 3章對(duì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。 第 2章介紹的是汽車防裝系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì) 的汽車倒車?yán)走_(dá)要能夠連續(xù)測距,數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)的處理后,用 4位數(shù)碼管顯示所測量得到的距離,并利用不同頻率使蜂鳴器發(fā)出不同的鳴叫聲進(jìn)行語音報(bào)警。本系統(tǒng)利用一片89S51單片機(jī)對(duì)超聲波信號(hào)循環(huán)不斷地進(jìn)行采集。 課題研究內(nèi)容及章節(jié)安排 本文所介紹的超聲波測距報(bào)警系統(tǒng)在測距的時(shí)候采用的是兩個(gè)超聲波探頭分別進(jìn)行超聲波發(fā)射和接收來進(jìn)行距離的測量的。 就目前市面上的產(chǎn)品來講,目前的汽車倒車?yán)走_(dá)主要是具備數(shù)碼管或者液晶屏的距離顯示并且?guī)в蟹澍Q器的語音報(bào)警為主的汽車安全系統(tǒng)。這些的倒車?yán)?達(dá)能夠連續(xù)測距并顯示汽車與障礙物之間的距離,而且采用蜂鳴器的不同頻率的鳴叫聲進(jìn)行報(bào)警提示和距離顯示提示,從而能夠盡量不占用駕駛員的視覺空間 [1]。 隨著科學(xué)技術(shù)水平的迅速發(fā)展,相關(guān)電子技術(shù)也是飛躍前進(jìn),當(dāng)然,汽車電子產(chǎn)業(yè)也得到飛速發(fā)展,電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展使得車載電子安全產(chǎn)品有很大的發(fā)展前景。 現(xiàn)在市面上的魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)應(yīng)該算是比較先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)了,它結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn),并采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù),并用高速電腦控制,可全天準(zhǔn)確地進(jìn)行探測 2 m以內(nèi)的障礙物,并以不同的聲音提示和直觀的距離顯示來提醒駕駛員;魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)把后視鏡、倒車?yán)走_(dá)、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣溫度顯示等多項(xiàng)功能整合在一起 [1],并設(shè)計(jì)了語音功能,因?yàn)槠渫庑尉褪且粔K倒 車鏡 ,所以可以不占用車內(nèi)空間,可以直接安裝在車內(nèi)倒視鏡的位置,而且它樣式種類繁多,可以按照個(gè)人需求和車內(nèi)裝飾選配,當(dāng)然它的價(jià)格也是比較貴的 [1]。汽車離障礙物距離越近,蜂鳴器報(bào)警聲越急,蜂鳴器報(bào)警雖然使駕駛員知道有障礙物的存在,但卻不能確定汽車車尾離障礙物有多遠(yuǎn),所以,蜂鳴器報(bào)警對(duì)駕駛員幫助不是很大;之后一個(gè)質(zhì)的飛躍就是液晶屏顯示的出現(xiàn),特別是液晶顯示開始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng),駕駛員就是只要發(fā)動(dòng)車輛,而且不用掛倒擋,液晶顯示器上就會(huì)出現(xiàn)汽車圖案以及汽車與周圍的障礙物的距離,液晶顯示是動(dòng)態(tài)顯示,液晶顯示器的外表美 觀,顯示的色彩也很清晰,而且可以直接粘貼在儀表盤上,安裝也很方便 [1]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 本汽車防撞裝置包含有單片機(jī)控制電路、超聲波測距傳感器 、蜂鳴器報(bào)警電路及數(shù)碼管顯示部件等,裝置將各部件有機(jī)地結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)超聲波測距及蜂鳴器報(bào)警提示的功能。 汽車防撞裝置這種汽車安全輔助裝置能大大減少汽車駕駛員在倒車的時(shí)候顧慮和對(duì)距離判斷的失誤,從而能夠避免倒車的安全問題的發(fā)生,故此裝置對(duì)于提高交通安全將起到重要的作用。這樣駕駛員就能通過測距的顯示甚至不同的聲音來直接判斷汽車玉障礙物之間的距離。本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的 汽車防撞裝置能減少駕駛員的駕駛壓力和判斷錯(cuò)誤,使駕駛員泊車倒車更加安全方便,本設(shè)計(jì)將對(duì)提高交通安全起到重要作用。隨著汽車數(shù)量的增加,停車場的數(shù)量也急劇增加,停車車輛密集,停車人多,所以汽車碰撞亦逐漸增多。 一些由駕駛員反應(yīng)不夠迅速而導(dǎo)致的汽碰擦,還有很多時(shí)候是由于駕駛員對(duì)離障礙物的距離判斷不準(zhǔn)確而造成的,如果駕駛員能提前知道障礙物的存在并且知道障礙物的距離,那么駕駛員就能及時(shí)地采取措施,從而能避免事故的發(fā)生。而本設(shè)計(jì)就是利用單片機(jī)知識(shí)、傳感器知識(shí)等,進(jìn)行的汽車防撞裝置的設(shè)計(jì),在汽車倒車時(shí)
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