【正文】 度C=344m/s(20℃ 室溫 )，忽略聲速的傳播誤差。根據(jù)以上過(guò)計(jì)算可知，在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于 1mm 的誤差。 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 超聲波的傳播速度主要受空氣密度 的影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。 系統(tǒng)工作原理 此次設(shè)計(jì)所采用的汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)的電路模塊圖 如圖 3 所示 。單片機(jī)在超聲波信號(hào)發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波信號(hào)在空氣中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸入到單片機(jī)產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。溫度補(bǔ)償電路利用聲 速和溫度之間的關(guān)系對(duì)聲速進(jìn)行校正，從而消除溫度對(duì)聲速的影響， 報(bào)警電路可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)倒車(chē)過(guò)程中的聲光報(bào)警。 電路的組成要考慮簡(jiǎn)單實(shí)用， 元器件選擇要考慮功 耗問(wèn)題，如單片機(jī)就需選擇低功耗的。 51 系列優(yōu)點(diǎn)之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)。它不光能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn) 算，其功能十分完備，使用起來(lái)得心應(yīng)手。 51 系列在片內(nèi) RAM 區(qū)間還特別開(kāi)辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，十六個(gè)字節(jié)，單元地址 20H～ 2FH，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理（作位處理時(shí)，合 128 個(gè)位，相應(yīng)位地址為 00H～ 7FH），使用極為靈活。而實(shí)施這一處理（包括前面 所有的位功能），只需用一條位操作指令障 礙 物 超聲波接收電路 超聲波發(fā)射電路 單 片 機(jī) 顯示電路 聲光報(bào)警電路 溫度補(bǔ)償電路 系統(tǒng)輔助電源 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 即可。八位除以八位的除法指令，商為八位，精度 不夠，用得不多。作乘法時(shí)，只需一條指令就行了，即 MULAB(兩個(gè)乘數(shù)分別在累加器 A 和寄存器 B 中。很多的八位單片機(jī)都不具備乘法功能，作乘法時(shí)還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。而在其他的單片機(jī)中，則也需調(diào)用專(zhuān)用的子程序才行。 Atmel公司就將其改為電可改寫(xiě)的閃速存儲(chǔ)器（ Flash），容許改寫(xiě) 1000 次以上，這給編程和調(diào)試帶來(lái)極大的便利，其產(chǎn)品 AT89C5 AT89C52 ??等成為了當(dāng)今最流行的八位單片機(jī)。當(dāng)該腳作輸出腳使用時(shí)，則為高電 平或低電平均可。其原因是高電平時(shí)該 腳也同時(shí)作輸入腳使用，而輸入腳必須具有高的輸入阻抗，因而上拉的電流必須很小才行。 基于以上 51 系列單片機(jī)的 優(yōu)點(diǎn)，我選擇 51 單片機(jī)作為本課題的控制處理器。 AT89C51是一種帶 4K字節(jié) FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。此系統(tǒng)采用單片機(jī) AT89C51 作為控制器，兼容 RS232 標(biāo)準(zhǔn)的芯片MAX232 單電源電平轉(zhuǎn)換芯片、 D9 插口實(shí)現(xiàn)串行輸入；復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位方式，簡(jiǎn)單方便；振蕩電路采用單片機(jī)引腳 XTAL XTAL2 跨接石英晶體振蕩器和 30pf 的微調(diào)電容， 12MH晶振構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，使得單片機(jī)能夠以此作為時(shí)鐘控制信號(hào)。（如圖 4 所示） 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 19 F e b 20 1 2 S h e e t of F il e : D : \ pc b\ Z H U F E N G .dd b D r a w n B y: L M 7 80 5 0. 1U F 0. 1U F 47 0U F 47 0U F 56 0 V C C + 1 2V V C C + 5 V綠色 L E D1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 19 F e b 20 1 2 S h e e t of F il e : D : \ pc b\ s hu z i w e n du j i .dd b D r a w n B y:P / T 21P / T 2 E X2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R E S E T9P / R X D10P / T X D11P / I N T 012P / I N T 113P / T 014P / T 115P / W R16P / R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P / A D 821P / A D 922P / A D 1023P / A D 1124P / A D 1225P / A D 1326P / A D 1427P / A D 1528P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P / A D 732P / A D 633P / A D 534P / A D 435P / A D 336P / A D 237P / A D 138P / A D 039V C C40 A T 8 9C 5 1 10 U 12 M 30 P F 30 P F4. 7KV C C單片機(jī)復(fù)位晶振 2KV C C 圖 4 電源模塊的設(shè)計(jì) 一路直接提供 12 伏的直流電源，主要是提供給繼電器使用的，另一路通過(guò)三端穩(wěn)壓芯片7805 穩(wěn)壓成 5 伏直流電源提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用，右邊兩個(gè)電容是 5 伏電源的濾波電容，電阻和綠色的 LED 組成 5 伏電源的工作指示電路，只要電源部分正常，綠色的 LED 就會(huì)點(diǎn)亮。 3）晶振電路的設(shè)計(jì) AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，它的輸入端為芯片引腳 XTAL1,輸出端為引腳 XTAL2。電容一般選擇 30pf，電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低，穩(wěn)定 性和速度。 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖所示。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)采用與發(fā)射端同型號(hào)的壓電式超聲波傳感器，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。 超聲波接收部分采用集成芯片 CX20206A， 這是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片?？梢岳盟鳛槌暡z測(cè)電路。為了不使放大器的輸出信號(hào)過(guò)強(qiáng)而產(chǎn)生失真，集成塊內(nèi)部有自動(dòng)電平限制電路，對(duì)前置放大器的增益進(jìn)行自動(dòng)限制。 2) 限度放大器：當(dāng)信號(hào)太強(qiáng)時(shí)為了防 止放大器過(guò)載，限制高電平振幅，同時(shí)也可消除寄生調(diào)幅干擾。 4) 檢測(cè)器：將返回的超聲波的包絡(luò)解調(diào)回來(lái)。 接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。 圖 6 超聲波接收電路 超聲波接收電路所采用的集成芯片 CX20206A 是一款紅外接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視紅外遙控器。適當(dāng)?shù)母淖?C3 的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 等。 CX20206A 可用來(lái)完成遙控信號(hào)， CX20206A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外解調(diào)集成電路，采用 8 腳單列直插式塑料超小型封裝， +5v 供電，內(nèi)部含可前置放大、自動(dòng)偏置、限幅放大、通帶攄波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出等電路。 CX20206A 的引腳注釋及引腳圖（如圖 7所示）。 2) 2 腳：該腳與 GND 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。但 C 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R=， C= F。 4) 4腳：接地端。例如，取 R=200kΩ時(shí)， fn≈ 42kHz，若取 R=220kΩ，則中心頻率 f0≈ 38KHz。 7) 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ，沒(méi)有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。 圖 7 CX20206A 的引腳圖 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波 發(fā)射電路兩個(gè)部分， 可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流 100mA 以上的驅(qū)動(dòng)電路。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路，但缺點(diǎn)是靈活性低。 40KHz 的超聲波是利用 LC 震蕩電路振蕩產(chǎn)生的，其振蕩頻率計(jì)算公式如下： 脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用 AT89S51 的 口發(fā)射 40 kHz 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò) 74HC04放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。對(duì)于 HC 類(lèi)型，其工作電壓為 2～ 6 V，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入 LSTTL 邏輯信號(hào)和CMOS 邏輯輸入等特點(diǎn)。 發(fā)射電路主要由反向器 74HC04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻 R R9 一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓 電晶片和一個(gè)換能板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出顯示方式有以下幾種：發(fā)光管、 LED 數(shù)碼管、液晶顯示器。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用液晶顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 顯示質(zhì)量高：液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器 (CRT)那樣需要不斷刷新亮點(diǎn)。 數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠 ，操作更加方面。功耗低：相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng) IC 上，因而耗電量比其他顯示器少的多。它獨(dú)有的藍(lán)色背光電路可以在環(huán)境光線較弱的條件下應(yīng)用，顯示清晰，顏色靚麗，價(jià)格便宜的特點(diǎn)，是很好的顯示設(shè)備。由于本系統(tǒng)可以不用顯示 漢字，介于設(shè)計(jì)成本上的需要，我們采用了這個(gè)顯示方案。而且蜂鳴器的工作電流一般比較大，單片機(jī) I/O 引腳輸出的電流較小，單片機(jī)輸出的 TTL 電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要利用一個(gè)電流放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來(lái)放大電流就可以了。而當(dāng)電流、電壓被控制在一個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)的 P 口就發(fā)停止發(fā)出信號(hào)，而使蜂鳴器停止報(bào)警。 圖 10 聲光報(bào)警電路 溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì) 由于超聲波的傳播速度 V受到空氣中的溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中溫度的影響最為突出，溫度每升高 1℃，速度增加約 。 溫度測(cè)控系統(tǒng)在檢測(cè)溫度時(shí)可利用一線性數(shù)字溫度計(jì)即集成溫度傳感器 DS18B20 和單 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 片機(jī)，構(gòu)成一個(gè)高精度的數(shù)字溫度檢測(cè)系統(tǒng)。因而，使用 DS18B20 可使系統(tǒng)