【正文】 越大。未來超聲波測距技術(shù)將朝著更高精度，更大應(yīng)用范圍，更穩(wěn)定方向發(fā)展。超聲波波經(jīng)反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。 圖 11 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)框圖 這種以單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。 利用單片機(jī)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，測距精度高，而且單片機(jī)控制方便，計(jì)算簡單。 本課題的研究內(nèi)容和目標(biāo) 本次設(shè)計(jì) 了一款基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)，系統(tǒng)以 單片機(jī)作為微處理器，單片機(jī)的體積小，結(jié)構(gòu)簡單，非常適合用在測控系統(tǒng)中。在結(jié)合市場上已經(jīng)存在的 不少的超聲波測距裝置 ， 本系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 緊湊性好、成本低，可靠性好，能有效 準(zhǔn)確的測量出障礙物和傳感器之間的距離 ，具有一定的市場價(jià)值。報(bào)警的距離可以通過按鍵進(jìn)行控制。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 本次設(shè)計(jì)的超聲波 測距儀預(yù)警系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別為測距部分、控制系統(tǒng)部分和報(bào)警顯示部分。 系統(tǒng)構(gòu)建 這里我們主要介紹系統(tǒng)的硬件部分，在硬件設(shè)計(jì)上我們采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。倒車防撞系統(tǒng)根據(jù) “回波測距 ”的原理設(shè)計(jì)的，整體框圖如圖 21 所示。 (2)控制系統(tǒng)模塊：本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)各個(gè)接口電路進(jìn)行控制，發(fā)射脈沖，檢測到回波后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測出從超聲波發(fā)射到接收回波信號(hào)的時(shí)刻差，從而測出距離。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 測距系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 目前汽車倒車測距儀預(yù)警系統(tǒng)測距技術(shù)主要有激光、毫米波測距儀、攝像控 制 系 統(tǒng) 發(fā)射模塊 接收模塊 數(shù)據(jù)顯示 蜂鳴器 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 系統(tǒng)、紅外線、超聲波等一些測距技術(shù)，不同的目標(biāo)探測方式其工作過程和原理有不同之處，但它們的主要目的都是通過前方返回的探測信息判斷前方車輛和本車間的相對(duì)距離，并根 據(jù)兩車間的危險(xiǎn)性程度做出相應(yīng)的預(yù)防措施。所謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。超聲波在空氣中的傳播速度約為 340m/s。并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此智能的測距系統(tǒng)主要是通過超聲波來實(shí)現(xiàn)的。 本次設(shè)計(jì)使用了超聲波傳感器，它是通過超聲波的一些特性而研制的一款傳感器。 超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作 為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。 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。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。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器的主要特性如下： （ 1）工作頻率。當(dāng)晶片的共振頻率和加到它兩端的交流電壓的頻率相等時(shí)，靈敏度最高，輸出的能量最大。 由于其高居里溫度壓電材料一般比較 ,尤其是當(dāng)診斷用超聲波探頭功率小 ,所以溫度較低 ,你可以工作在很長一段時(shí)間沒有失敗。 （ 3）靈敏度。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。在金屬盒體的頂部內(nèi)側(cè)固定壓電陶瓷。 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 圖 22 為超聲波探頭的結(jié)構(gòu)圖。通過往返時(shí)間乘以傳播速度，就可以計(jì)算出傳播距離。假設(shè)單片機(jī)微處理器的周期為 t，則 T=Nt，則測量得距離可式 ()超聲波探頭 發(fā)射波 反射波 障礙物 t V 發(fā)射波 反射波 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 表示： L=CT/2=CNt/2 （ ） 因?yàn)槌暡ㄖ赶蛐詮?qiáng)，所以超聲波對(duì)障礙物面的入射角對(duì)超聲波電子倒車測距儀的靈敏度影響較大。超聲波測距原理圖如圖 23 所示。單片機(jī)內(nèi)部有看門狗定時(shí)器，可以在程序跑飛的情況下自動(dòng)的復(fù)位；通過快速的指令周期可以實(shí)時(shí)的采集到數(shù)據(jù)。 圖 24 單片機(jī)控制系統(tǒng) 顯示報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 顯示器應(yīng)用極為廣泛，是一種輸出設(shè)備，綜合課題的實(shí)際要求、成本以及考慮單片機(jī)的接口資源， 本設(shè)計(jì)使用四個(gè) DPY_7SEG_DP 共陰二極管顯示器，由于倒車時(shí)距離障礙物的距離本來就比較近，大概在 3 米以內(nèi)，所以一個(gè)四位的 LED 顯示器就可以達(dá)到要求。 系統(tǒng)探測范圍及傳感器布點(diǎn)的確定 超聲波傳感器發(fā)射超聲波有一定的角度范圍，超聲波傳感器的測量角度如圖 25 所示。 2．不同大小的反射面積會(huì)影響反射波的強(qiáng)度。 發(fā)射電路 接收電路 顯示距離 報(bào)警電路 單 片 機(jī) 控 制 發(fā)射傳感器 接收傳感器 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 根據(jù)以面得原理可知，在下列環(huán)境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況： 1．鐵絲網(wǎng)、繩索這類細(xì)小的物體。 3．易吸收聲波之物質(zhì)，如棉質(zhì)。 5．障礙物為銳角反射體，錐狀物體。對(duì)于 超聲波傳感器 這樣在室外工作的物體，為了有效的減少各種干擾。在本次設(shè)計(jì)中我們選用 UCMR40KI 、 UCMT40KI (R 表示接收傳感器， T 表示發(fā)射傳感器 )，最大探測距離為 10m，發(fā)射擴(kuò)散角為 60 度。之后又介紹的超聲波傳感 器的工作原理和本次所選用的傳感器的型號(hào)。 圖 25 探測角度 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 硬件部分設(shè)計(jì) 本章主要講述了超聲波測距系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)的整個(gè)硬件系統(tǒng)分成各個(gè)單元的模塊電路設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想 其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的壓電晶片震動(dòng)，經(jīng)過換能器后發(fā)射電路發(fā)出40kHz 的脈沖超聲波。發(fā)射回來的超聲波也是經(jīng)過放大濾波整形后輸入單片機(jī)的 INT0 端產(chǎn)生中斷。 AT89S52 單片機(jī) AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在線 可編程 Flash 存儲(chǔ)器。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 超聲波測距的系統(tǒng)及其組成 本系統(tǒng)由單片機(jī) AT89S52 控制，包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、發(fā)射電路與接收放大電路和顯示電路幾部分組成，如圖 6 所示。顯示電路等幾部分組成。系統(tǒng)的晶振頻率為 12MHz，這樣可以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，使測量誤差減小。用 4 個(gè)為共陽的 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片 機(jī) 輸入一個(gè)低電平脈沖。單片機(jī)將測得的時(shí)間與聲速相乘再除以 2 即可得到測量值，最后經(jīng) 3 位數(shù)碼管將測得的結(jié)果顯示出來。 由 K1， K2， K3 組 成測距系統(tǒng)的按鍵電路。如圖 32。超聲波發(fā)射電路由電阻 R2三極管 BG超 聲波脈沖變壓器 B 及超聲波發(fā)送頭 T40 構(gòu)成，超聲波脈沖變壓器，在這里的作用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩產(chǎn)端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測量距離。 40kHz 的方波由 AT89S52 單片機(jī)的 輸出，經(jīng) BG4 推動(dòng)超聲波脈沖變壓器，在脈沖變壓器次級(jí)形成 60VPP 的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，輸入單片機(jī)的 腳。方波的周期為 1/40ms，即 25181。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生 40kHz 方波。s，所以只能產(chǎn)生半周期為 12181。s 的方波信號(hào)，頻率分別為 和 。 圖 34 超聲波測距接收單元 由于反射回來的超聲波信號(hào)非常微弱，所以接收電路需要將其進(jìn)行放大。接收到的信號(hào)加 到 BG BG6 組成 的兩級(jí)放大器上進(jìn) 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 行放大。放大的信號(hào)通過檢波電路得到解調(diào)后的信號(hào)，即把多個(gè)脈沖波解調(diào)成多個(gè)大脈沖波。該接收電路結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，制作難度小。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機(jī)的 P0 口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的 、 、 、 口 ,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用 PNP 三極管 8550 三極管驅(qū)動(dòng)。 圖 35 顯示單元 供電電路 本測距系統(tǒng)由于采用的是 LED 數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時(shí)，系統(tǒng)工作電流約為 3045mA，而系統(tǒng)中單片機(jī)的工作電壓為 +5V,為保證系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的可靠正常工作，并且方面系統(tǒng)的供電方式我們選擇電腦的 USB 口進(jìn)行供電，這樣可以為調(diào)試系 統(tǒng)方便，即由 USB 口供電，調(diào)試時(shí)直接由電腦 USB 口供電。 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 圖 36 供電單元電路圖 報(bào)警輸出電路 報(bào)警電路的主要的作用是當(dāng)檢測到的距離小于我們所設(shè)定的最小的報(bào)警距離的時(shí)候，系統(tǒng)要發(fā)出報(bào)警的聲音，來提示我們。單片機(jī)的 口通過一個(gè)限流電阻控制三極管 8550 的基極，三極管的發(fā)射機(jī)接 +5V 的電壓，集電極接蜂鳴器的一端，蜂鳴器的另一端接地。報(bào)警輸出電路如圖 37。主要對(duì)其中的單片機(jī)最小系統(tǒng)，超聲波接收電路，超聲波發(fā)射電路，顯示電路以及電源電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。超聲波測距的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測距時(shí)），所以控制程序可采用 C語言編程。置位總中斷允許位 EA。測距間隔中，整個(gè)程序主要進(jìn)行循環(huán)顯示測量結(jié)果。超聲波頭發(fā)送完 送超聲波后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器 T0 進(jìn)行計(jì)時(shí)，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時(shí)，單片機(jī)需要延時(shí)約 2ms 時(shí)間（這也就是超聲波測距儀會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因，稱之為盲區(qū)值）后，才啟動(dòng)對(duì)單片機(jī) 腳的電平判斷程序。由于采用單片機(jī)采用的是 12 MHz的晶振，計(jì)時(shí)器每計(jì)一個(gè)數(shù)的時(shí)間就是 1μs，當(dāng)超聲波測距子程序檢測到接收成功標(biāo)志位后，會(huì)將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)按式（ 2）計(jì)算，即可得被測物體與測距儀之間的距離。 測出距離將測得的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制 BCD碼在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。 超聲波測距子程序及其流程圖 void wdzh() { TR0=0。 TL1=0x00。 北京城市學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 sx=0。 csbfs()。 TR1=1。 while(i) { } i=0。 if(i=3300) csbint=0。 s=TH1。 TR0=1。 jsz=s*csbc。 } 產(chǎn)生超聲波的子程序： 為了方便程序移置及準(zhǔn)確產(chǎn)生超聲波信號(hào)，本測距的超聲波產(chǎn)生程序是用匯 編語言編寫的進(jìn)退聲波產(chǎn)生程序。超聲波發(fā)射的完整波形個(gè)數(shù)：共計(jì)四個(gè) here: cpl 。如果一直顯示 “ ”，則需將下限值增大。試驗(yàn)板中的聲速?zèng)]有進(jìn)行溫度補(bǔ)償，聲速值為 340m/s，該值為 15℃ 時(shí)的超聲波值。 當(dāng)我焊接好元器件，檢查無短路后，我接通了電源。 調(diào)試現(xiàn)象 本設(shè)計(jì)