【正文】 定閾值的單比較器檢測(cè)回波 , 由于聲波在傳輸過程中存在吸收衰減和擴(kuò)散損失 , 聲強(qiáng)隨目標(biāo)距離增大 , 而呈指數(shù)規(guī)律衰減 , 在量程范圍內(nèi) , 最近目標(biāo)和最遠(yuǎn)目標(biāo)的回波幅度相差較大 , 可能導(dǎo)致越過門檻的時(shí)刻前后移動(dòng) , 從而影響計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。所以最終測(cè)得的時(shí)間比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出 2脈沖發(fā)送時(shí)間 , 從而造成了回波時(shí)間 t 的測(cè)量誤差。通過對(duì)超聲波接收回波的觀察分析 , 發(fā)現(xiàn)接收回波經(jīng)包絡(luò)檢波后 , 其包絡(luò)線前沿為按指數(shù)規(guī)律上升的曲線 , 大約在第九個(gè)波到包絡(luò)線的峰頂 , 第三個(gè)波近似為峰頂?shù)?75%。 影響回波時(shí)間 t 測(cè)定的因素及減小誤差的方法 在測(cè)量過程中 , 為了防止其他信號(hào)的干擾 , 提高測(cè)量的可靠性 , 單片機(jī)開始計(jì)數(shù)時(shí) , 超聲傳感器常常發(fā)射由多個(gè)方波組成的脈沖串作為測(cè)量的載體 [20]。 對(duì)于時(shí)差法測(cè)速，在測(cè)速過程中物體的運(yùn)動(dòng)位移是一定的，但在時(shí)差上在程序中未能考慮到各部分電路的傳輸速度，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，實(shí)際測(cè)速中應(yīng)在回波接收完之后才發(fā)射第二次 ,但在程序計(jì)算中，是默認(rèn)在第一次回波后直接發(fā)射第二次，所以由此造成對(duì)速度的計(jì)算中少加了 50us的時(shí) 間，這個(gè)時(shí)間對(duì)時(shí)差法測(cè)速測(cè)速的誤差影響不足 ,40KHZ 的方波其波長(zhǎng)為 25us，根據(jù)超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)的要求，當(dāng)測(cè)量距離在 10m 以下時(shí)，設(shè)此時(shí)的聲速為 340m/s，則對(duì)于時(shí)差法的兩次發(fā)射與接收所耗時(shí)間可以控制在 以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量周期不超過 的設(shè)計(jì)要求。 定時(shí)中斷 入口 定時(shí)器初始化 發(fā)射超聲波 是否 發(fā)射完 停止發(fā)射 返回 外部 中斷入口 關(guān)外部中斷 讀取時(shí)間值 計(jì)算速度 結(jié)果輸出 開外部中斷 返回 22 第 4章 系統(tǒng) 性能 分析 系統(tǒng)功能分析 本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變速物體的速度進(jìn)行比較準(zhǔn)確的測(cè)量 ，由于現(xiàn)有的超聲波換能器最遠(yuǎn)的探測(cè)距離為 35m，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)更遠(yuǎn)距離的物體進(jìn)行速度測(cè)量 。 當(dāng)系統(tǒng)判斷測(cè)速數(shù)據(jù)有效時(shí)，需要對(duì)測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，本次設(shè)計(jì)是針對(duì) 速度在 10m/s以下運(yùn)動(dòng)物體速度測(cè)量，顯示保留兩位小數(shù)，即利用 3位顯示。其次就是對(duì)兩種方法測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較如果二者測(cè)速結(jié)果相差 ，即△ V量。得到定時(shí)器數(shù)據(jù)后，分別利用時(shí)差法計(jì)算公式以及多普勒計(jì) 算公式對(duì)速度進(jìn)行計(jì)算。所以可以根據(jù) ，當(dāng)收到第一個(gè)高電平時(shí)，即 0的計(jì)時(shí)停止，存儲(chǔ) T0的數(shù)據(jù)為 num1，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器 1，當(dāng) ， T1定時(shí)停止，并存儲(chǔ) T1數(shù)據(jù)為 num2。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)高電平產(chǎn)生并發(fā)送出去后定時(shí)器 0開始計(jì)時(shí)。 測(cè)速系統(tǒng)程序由按鍵 s1控制單片機(jī)發(fā)送方波，方波的發(fā)射是靠單片機(jī)產(chǎn)生方波，由 ，周期的控制由高低電平時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生 40KHZ的方波，所以控制方波的周期為 25us，即高電平 ，低電平。 本次設(shè)計(jì)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)同時(shí)具有時(shí)差法以及多普勒測(cè)速功，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化之后，調(diào)用發(fā)射子程序產(chǎn)生產(chǎn)生兩個(gè)周期 40KHZ的方波發(fā)射出去，同時(shí)定時(shí)器 0開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波信號(hào)碰到物體反射回來(lái)后，當(dāng)接收器收到回波信號(hào)時(shí)定時(shí)器 0停止工作，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器 1，當(dāng)下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器 1停止計(jì)時(shí)進(jìn)入外部中斷，同理再發(fā)射一次超聲波信號(hào)，利用定時(shí)器 0的時(shí)間記錄得到兩次物體與發(fā)射探頭的距離進(jìn)而求出物體運(yùn)動(dòng)速度，而利用定時(shí)器 1的時(shí)間記錄則可以得出回波信號(hào)的頻率，進(jìn)而利用多普勒原理求出物體速度。使用 C語(yǔ)言進(jìn)行 8052系列單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，編程者可以專注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)，不必將大量的精力花在內(nèi)存分配等底層工作上，從而大大加快了軟件開發(fā)的速度。有了超聲波發(fā)射與接收的硬件電路，為后續(xù)單片機(jī)控制軟件編程打下了基礎(chǔ)。 17 小結(jié) 本章 對(duì)超聲波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括了超聲波發(fā)射、超聲波接收、單片機(jī)控制以及數(shù)碼管顯示幾部分。數(shù)碼管中WE1， WE2， WE3， WE4， WE5， WE6 是它們的位選端，每一個(gè)數(shù)碼對(duì)應(yīng)一個(gè)位選端，與上面的 U5 元件 74HC573 的數(shù)據(jù)輸出端的低 6位相連， U5 的數(shù)據(jù)輸入端也連接到單片機(jī)的 P0 口。 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后與前文所設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)射與接收電路進(jìn)行連接，整體設(shè)計(jì)原理圖見附錄 2。這種 電路可以驅(qū)動(dòng)大電容 或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需要外接口。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上 。 物體的運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)過單片機(jī)的運(yùn)算處理后送到數(shù)碼管顯示 ，數(shù)碼管顯示的電路連接圖如圖 10 所示，數(shù)碼管顯示所用的驅(qū)動(dòng)為集成芯片 74HC573，其引腳圖如圖 9所示： 15 OE1D12D23D34D45D56D67D78D89GND10LE11Q812Q713Q614Q515Q416Q317Q218Q119VCC20SN74HC573AN 圖 9 74HC573引腳圖 圖 9 為 74HC573 引腳圖 ， 74HC573 有 三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)輸出 、 置數(shù)全并行存取 、 使能輸入 以及 有改善抗擾度的滯后作用 等特點(diǎn)。 單片機(jī)具有四種總線形式： P0和 P2組成的 16位地址地址總線； P0分時(shí)復(fù)用為 8位數(shù)據(jù)總線； ALE、 PSEN、 RST、 EA和 P3口的 INT0、 INT T0、 T WR、RD以及 P1口的 T T2EX組成控制總線；而 P3口的 RXD、 TXD組成串行通信總線。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復(fù)位功能。還有兩個(gè)時(shí)鐘引腳 XTAL XTAL2。其中有四個(gè)電源引腳，用來(lái)接入單片機(jī)的工作電源。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。另外， AT89S52 可降至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 14 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。它與單板機(jī)或個(gè)人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)屬于芯片級(jí)應(yīng)用，需要用戶了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，從而使芯片具備特定的智能。 單片機(jī)有著微處理器所不具備的功能，它可以獨(dú)立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機(jī)的最大 特點(diǎn)。 8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。 單片機(jī)按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為 4位、 8 位、 16位及 32位單片機(jī)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。 13 8 腳：電源正極， ～ 5V。 6 腳： 該腳與地之間接一個(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。 5 腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波 器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。 2 腳：該腳與地之間連接 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 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(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。其引腳圖 6所示： 11 圖 6 LM555CM引腳圖 將 555 定時(shí)器的２管腳和６管腳連在一起作為信號(hào)輸入端，即可得到施密特觸發(fā)器。 555 定時(shí)器是一種多用途 的數(shù)字 模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。超聲波接收電路原理圖如圖 7所示： 圖 5所示電路中超聲波接收探頭接收到信號(hào)后先經(jīng)過整形放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大，然后將正弦波信號(hào)加入到由 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器對(duì)波形進(jìn)行變換，變換為方波信號(hào)后加入到 紅外線檢波接 收 專用 芯片CX20206a， 當(dāng) CX20206A 接收到方波信號(hào)時(shí)，會(huì)在第 7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入 。 由于在空氣中傳播后會(huì)發(fā)生一定衰減，波形會(huì)發(fā)生失真，所以需要在接收到超聲波信號(hào)應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行整形放大。 其引腳圖如圖 4所示： 圖 4中 3引腳為同向 輸入端，電壓信號(hào)從這輸入， 1管腳和 8管腳之間為增益設(shè)定電路，經(jīng)過放大后從 5管腳輸出加到超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去。但在 1腳和 8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至 200。 LM386 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。它的內(nèi)建增益為 20，透過 pin 1 和 pin8 腳位間電容的搭配， 增益最高可達(dá) 200。所以如圖 3所示原理圖中從單片機(jī)產(chǎn)生的 40KHZ方波先通過二階的低通濾波器把方波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ? 圖 3 超聲波發(fā)射模塊原理圖 號(hào)，然后經(jīng)過功率放大后發(fā)射出去。 綜合以上幾點(diǎn)考慮，本系統(tǒng)選擇中心頻率為 40KHz的超聲波傳感器。因此從測(cè)量復(fù)雜 障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。 超聲波傳感器中心 頻率的選取主要基于以下幾點(diǎn)考慮： (1)如果測(cè)距范圍較大，則超聲波在空氣中傳播時(shí)的損失就相對(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，就必須降低超聲波傳感器的中心頻率。 超聲波傳感器的中心頻率是 超聲測(cè)速 系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，因