【正文】 塊選材上本次設(shè)計采用的元件是現(xiàn)成的 HC—SR04 超聲波傳感器模塊。 圖 13 聲音報警電路 單元設(shè)計模塊 主控制模塊 主控制最小系統(tǒng)電路如圖 14 所示。 圖 12 時鐘電路圖 聲音報警電路 16 如下圖所示，系統(tǒng)中 的聲音報警電路主要是由蜂鳴器、三極管、 2K 電阻 3 個元件構(gòu)成，在實(shí)際測量中只要測量值小于警報值，單片機(jī)的 端口就發(fā)出一個信號聲音報警電路，使得蜂鳴器開始嘯叫，達(dá)到報警效果。 舉一個具體的例子來講，如果我把振動頻率 12MHZ 作為外接石英晶體振蕩器，由此可以推算出：一個振蕩周期為 1/12us，那機(jī)器周期 =振蕩周期 *12，所以當(dāng)頻率為 12MHZ 時，機(jī)器的周期就為 1us。如果，在設(shè)計過程中采用的是外部時鐘源驅(qū)動器件時候，我們要特別注意： XTAL2應(yīng)接地。 圖 11 復(fù)位電路 時鐘電路 反向放大器包含兩個引腳，分別是輸入引腳 XTAL1 和輸出引腳 XTAL2。 至于機(jī)器周期的問題，根據(jù)所采用的晶振類型不同，機(jī)器周期也會隨之產(chǎn)生變化，以頻率為 12MHz 的晶振為例，復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)不小于 2us。在實(shí)驗(yàn)的過程中為了控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行或者為了提高對系統(tǒng)的干預(yù)性，本次設(shè)計采用的是電平式開關(guān)與上電復(fù)位電路，以此來強(qiáng)制對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。 數(shù)碼管的顯示由 STC89C52 的 P1 口控制輸出，傳感器動態(tài)接受反射波過程中，控制器在距離測量結(jié)束后開始調(diào)用顯示程序，將主控制器計算出的距離值通過 P3 端口中的 口送到數(shù)碼管并顯示出來，這樣我們就能清楚實(shí)時的距離變化了。 顯示電路 顯示電路如圖 10 所示。 圖 8 超聲波時序圖 電源設(shè)計 觸發(fā)信號 模塊內(nèi)部 發(fā)出信號 輸出回響 信號 14 電源電路如圖 9 所示。超聲波傳感器的測距功能就是這樣實(shí)現(xiàn)的：通過發(fā)射器發(fā)射信號，然后接收器收到的回響信 號，最后送到最小系統(tǒng)處理運(yùn)算，得到兩者之間的時間間隔，系統(tǒng)就可以計算得到距離了 [7]。只要傳感器的接收電路檢測到有回波信號，則傳感器的 ECHO 引腳便開始輸出回響信號。 因此超聲波接收器的整個運(yùn)作流程變清晰明了，首先反射回來的超聲波信號經(jīng)超聲波接收器接受后，然后兩級放大器將其進(jìn)行一次放大，最后，鎖相環(huán)電路開始檢測反射波的頻率，如果反射波的頻率為 40kHz，傳感器則從 Echo 腳發(fā)出低電平中斷請求信號，單片機(jī) —INT1端立即變成低電平并使得定時器 T0 停止計時工作。其工作的模式為：反射源信號經(jīng)過放大以后，通過對信號的解析，只要接收到符合要求的頻率信號，單片機(jī)控制器就會接到來自鎖相環(huán)電路發(fā)出的中斷請求。 圖 6 超聲波發(fā)射電路原理圖 超聲波接收電路 與發(fā)射電路所不同的是，超聲波傳感器的接收電路由三部分構(gòu)成。單片機(jī)的第 12 號引腳 INT0 端口輸出 8 個頻率在 40kHz 左右的方波信號，這個信號分成兩路形成一個回路，其中超聲波換能器的一個電極接收到的信號是由一級反向器推送到，而超聲波換能器的另一個電極所接收到的信號則是由兩級反向器推送到。發(fā)射電路與接收電路的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了超聲波傳感器發(fā)射與接收聲波的功能 [5]。 ａ STC89C52 ｂ 超聲波 傳感器 11 c 數(shù)碼管 ｄ 按鍵 圖 4 硬件元件電路組圖 超聲波電路 通過內(nèi)部原理圖， 可以發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器中的反相器和超聲波發(fā)射換能器主要構(gòu)成超聲波傳感器的發(fā)射電路。 電路設(shè)計 針對本次課程設(shè)計的目的和要求，我把系統(tǒng)的整體硬件電路主要劃分成超聲波接口電路，單片機(jī)的最小系統(tǒng)、數(shù)碼管的顯示電路、蜂鳴 器的報警電路、電源接口電路，按鍵電路六大主要硬件部分來做，最后他們之間通過軟件指令的形式連接在一起 [4]。傳感器靈敏度的高低主要是由其生產(chǎn)制造過程中所使用的晶片決定的。因?yàn)橥ㄟ^壓電處理過的材料，通常來說其居里點(diǎn)都很高，但是超聲波探頭在測量物體距離時所消耗的功率很小，這就導(dǎo)致了其工作時的溫度 10 幾乎不會發(fā)生變化，這樣傳感器就能連續(xù)工作而不至于因?yàn)闇囟鹊膭×易兓プ饔?。也就是說，增加超聲波傳感器靈敏度的方法，就是通過調(diào)節(jié)使得傳感器的工作時所產(chǎn)生的交流電的電壓頻率和晶片共同振動時所產(chǎn)生的頻率一致，這樣能產(chǎn)生巨大的能量和超高的靈敏度。 另外，衡量超聲波傳感器的優(yōu)勢和性能特點(diǎn)主要依靠以下三個參數(shù)： 第一個衡量參數(shù)是傳感器的工作頻率。對于超聲波傳感器探頭而言，其最重要的部分是一塊通過壓電處理過的晶片，這個晶片儲藏在探頭外部的包裹之下，而探頭的外部材料通常是塑料材質(zhì)或金屬材質(zhì)的。發(fā)射探頭通常是利用逆向的壓電效應(yīng)來工作的，其原理是在逆向的壓電效應(yīng)中，頻率較高的電振動會被轉(zhuǎn)化稱為同等高頻率的機(jī)械振動，通過這樣的方式來產(chǎn)生超聲波。 一般情況下，我們選擇的超聲波傳感器都是以壓電的方式來產(chǎn)生超聲波的，這種傳感器的探頭通常是用晶體材料或者陶瓷材料制成的，這些材料也要通過壓電處理，而探頭的工作原理正是利用這些通過壓電處理過的材料所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，如圖 3 所示 [3]。 超聲波傳感器 我們通常提到的超聲波傳感器具體來講是這樣的一種傳感型設(shè)備：它一方面可以自己產(chǎn)生一定頻率的超聲波，在產(chǎn)生超聲波之后，與此同時它也可以接收碰到被攝物而被反射過來的聲波信號。也就是說， P3 口既能獨(dú)立定義原來的 I/O 口功能，也能定義第二變異功能。 單片機(jī)的第 10～ 17 引腳分別是 P3 口的 ～ 端口，它具有內(nèi)部上拉電路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 單片機(jī)的第 21～ 28 引腳分別是 P2 口的 ～ 端口，它和 P1 同樣是 8 位具有內(nèi)部上拉電路的準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 單片機(jī)的第 1～ 8 引腳分別是 P1 口的 ～ 端口，與 P0 口所不同的是： P1 口是 8位具有內(nèi)部上拉電路的準(zhǔn)雙向 I/O 端口。在 P0 口作為輸出端口的時候，這 8 個引腳端口能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，在對這 8個端口進(jìn)行賦值定義的時候，只要寫入 “1”就意味著將這些端口設(shè)置為高阻抗輸入端。順便補(bǔ)充一句，在這 4 類 I/O 端口中 P3 口還具有第二功能，在下文我會簡單地介紹。 （ 3）復(fù)位引腳 8 為了提高單片機(jī)在運(yùn)行過程中的抗干擾能力，而且保證整個電路的穩(wěn)定工作， STC89C52還具備復(fù)位功能 RST——第 9 位引腳， RST 作為 RESET 復(fù)位信號輸入端口，為了讓單片機(jī)能夠正常工作，當(dāng)給系統(tǒng)連續(xù)輸入 2 個周期以上的有效高電 平時，復(fù)位引腳接收到高電平信號后，使得整個系統(tǒng)完成復(fù)位初始化操作。在接法上，應(yīng)將外部晶振的兩個引腳分別接在 XTAL1 與 XTAL2 端口上，另外由于使用的情況不同，兩個端口接法也有所差異。 （ 2）時鐘源引腳 單片機(jī)的時鐘引腳有兩個，即第 19位引腳 —XTAL1引腳和 XTAL2引腳。其引腳圖如下圖 2 所示 [2]。在單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算方面 提供了高性 價比 7 的解決方案。而在內(nèi)部性能方面， STC89C52 單片機(jī)則表現(xiàn)的更為強(qiáng)大，它的強(qiáng)大主要表現(xiàn)在：不僅對電壓值的要求低，以便滿足普通的小實(shí)驗(yàn)設(shè)計要求與實(shí)際的運(yùn)用，另外STC89C52 還搭載了 高性能 CMOS 8 位 微控制器 內(nèi)含 8k 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的 Flash，只讀程序存儲器（ ROM）和 512k 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 （ RAM）， 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，這使得 STC89C52 在功能表現(xiàn)好不遜色，足以完成普遍的實(shí)驗(yàn)設(shè)計的要求。相對于普通計算機(jī)笨重的主機(jī) ， 單片機(jī)展現(xiàn)出了體積小、分量輕、性價比高優(yōu)勢 ， 而且實(shí)現(xiàn)自動檢測與控制 ， 因此單片機(jī)也被稱為嵌入式微控制器EMCU（ EmbeddedMicrocontrollerUnit)。既然是微型計算機(jī)，單片機(jī)也同樣具有跟普通計算機(jī)相同的功能結(jié)構(gòu)，我們知道普通計算機(jī)具備的功能模塊有：進(jìn)行運(yùn)算和控制功能的 CPU，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的 RAM，進(jìn)行程序存儲的 ROM，控制系統(tǒng)需要與外部設(shè)備發(fā)生連接時所需要的控制串行口、并行口的輸入 /輸出設(shè)備，除了以上這些模塊，單片機(jī)還有對內(nèi)外部指令進(jìn)行執(zhí)行與中斷的信號中斷系統(tǒng)，也有控制時間計數(shù)的定時 /計數(shù)器等等。 如圖 1 所示：系統(tǒng)方框結(jié)構(gòu)圖。數(shù)據(jù)采集、按鍵控制、四位數(shù)碼管顯示、報警機(jī)制是整個硬件電路的主要組成模塊。 系統(tǒng)主要功能包括 [1]： （ 1） STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)：主要控制計時器計時，數(shù)碼管顯示 以及距離的計算等； （ 2）超聲波發(fā)射與接收電路：控制聲波的發(fā)射與接收，為距離的測量工作提供計算時間的依據(jù)； （ 3）四位共陽數(shù)碼管：實(shí)時顯示距離； （ 4）按鍵：負(fù)責(zé)給單片機(jī)最小系統(tǒng)輸入設(shè)置指令，比如加鍵、減鍵、復(fù)位鍵； （ 5）復(fù)位電路：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行 的過程中出現(xiàn)不正常的狀況時，為了保證整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行可通過復(fù)位電路進(jìn)行系統(tǒng)初始化； （ 6）時鐘電路：負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的計時工作； （ 7）電源電路：為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸出。如我本次想要完成基于單片機(jī)的超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計，并且想要實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器無線測距、單片機(jī)運(yùn)算、蜂鳴器報警等等功能。 系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機(jī)作為核心控制器 ,在智能小車移動的過程中，由測距儀進(jìn)行實(shí)時距離的探測與對比，當(dāng)無線測距儀通過對超聲波傳播時間的運(yùn)算得到實(shí)際的距離值之后，主控制器便會拿實(shí)際的距離跟系統(tǒng)設(shè)定的距離報警值進(jìn)行對比，當(dāng)測量出來的實(shí)際距離值小于系統(tǒng)初始設(shè)定的報警距離時，蜂鳴器收到報警指令后就會立即報警。 超聲波能夠在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行測量，較強(qiáng)的方向把控能力且能量消耗緩慢，這些特性為超聲波能夠更遠(yuǎn)的傳播奠定了基礎(chǔ)，這恰好能被應(yīng)用在距離測量的領(lǐng)域。所以此系統(tǒng)測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。由此便能很容易計算出試驗(yàn)中的智能小車與障礙物之間的距離：測試距離 =(高電平時間 *聲速 )/2。當(dāng)超聲波傳感器的聲波發(fā)射器接收發(fā)射超聲波的指令之后，它便會立即朝著智能小車的后方實(shí)時發(fā)出超聲波信號，并且在發(fā)射出超聲波的那一刻起單片機(jī)的時鐘電路開始計時。我們目前已經(jīng)知道了速度，接下來求得聲波的傳播時間，就能輕易算出這之間的距離。 前面講到了超聲波的發(fā)射與傳播機(jī)制，接下來便是討論如何通過超聲波傳感器的發(fā)射與傳播來計算距離。 把具有一定頻率特征的超聲波通過超聲波發(fā)射器發(fā)射到被攝目標(biāo)上，一旦發(fā)射出的超聲波遇到被攝物體時，根據(jù)超聲波的傳播特性，聲波便會發(fā)生反射效應(yīng)時，由超聲波接收器接收到反射回的某一特征頻率的超聲波，讓計時器立即計算出這其中超聲波傳輸所用的時間并換算出距離，這是當(dāng)前比較普遍的測距的原理。如何通過將這兩項(xiàng)功能有效地結(jié)合在一起，形成一個完整的測距報警系統(tǒng)，由此我展開了此次課程設(shè)計的思路：采用以單片機(jī)為核心的最小系統(tǒng)，通過編譯軟件程序使以單片機(jī)為核心的最小系統(tǒng)發(fā)出各項(xiàng)運(yùn)算指令，有效地將測距報警系統(tǒng)的各個功能模塊銜接起來，并且完成測距、分析、報警等工作。這使 得在測距儀的應(yīng)用上，保證了整個系統(tǒng)的正常使用。 目前在各個需要用到測距的領(lǐng)域， 我們不難發(fā)現(xiàn)其中少不了超聲波傳感器。 2 總體設(shè)計方案 設(shè)計思路 對于在距離的測量的方法上，從古至今已經(jīng)發(fā)明了很多種。由此可見，此無論是在精確度還是 4 可靠性方面，超聲波測距的優(yōu)勢遠(yuǎn)超過其他測距方式，也適用于更大范圍的應(yīng)用場景，如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機(jī)器人視覺識別等方面都運(yùn)用到了超聲波測距的基本原理。另外，超聲波還具有的一個良好的特性就是超聲波能夠在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行測量，方向把控能力強(qiáng)且能量消耗緩慢，這些特性為超聲波能夠更遠(yuǎn)的傳播奠定了基礎(chǔ)。對于這兩種類型的超聲波發(fā)生器，由于超聲波在其中產(chǎn)生的時候伴隨有不同的頻率，不同的功率和不同的聲波特性，所以這些發(fā)生器在用途上也都不一樣。一般而言，這些超聲波發(fā)生器根據(jù)其產(chǎn)生方式不同大致能夠被劃分成兩個類型：第一種類型的發(fā)生器所發(fā)出的超聲波是通過電氣的方式產(chǎn)生的，第二種類型的發(fā)生器所發(fā)出的超聲波是通過機(jī)械運(yùn)動的方式產(chǎn)生的。因此，超聲波傳感器就是基于這種原理被設(shè)計和制造出來的。 通過直線而不是曲線進(jìn)行傳播，是超聲波傳播的主要方式。 超聲波的應(yīng)用 超聲波不僅與物理聯(lián)系緊密而且它的應(yīng)用場景也相對靈活。 （ 4）聲壓特性 超聲波的聲壓特性主要體現(xiàn)在，當(dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)時使改介質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化，這種變化主要是由于聲波的振動使介質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生了相互壓縮和稀疏的作用。這個原因一方面跟分子本身的質(zhì)量有一定的關(guān)系，但是更主要的因素還取決于分子振動速度，所以介質(zhì)分子獲得的能量與其分子的振動的頻率成正比。那超聲波強(qiáng)大的功率是從何而來的呢 ?這是主要因?yàn)椋寒?dāng)聲波產(chǎn)生之后總有一個途徑會讓他傳播出去，那它在這種介質(zhì)中傳播的過程中，聲波的傳播作用改變了介質(zhì)分子原來的靜止?fàn)顟B(tài)，而且在聲波的帶動下，介質(zhì)分子振動的頻率慢慢地趨向