【正文】 幅度減小，從而減少了不必要的反射波造成的錯(cuò)覺(jué)，抗干擾性能較強(qiáng)；有較好的相對(duì)速度感應(yīng)，探測(cè)精度高；天線(xiàn)和高頻器件體積小，易于安裝。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦浴瓷?、折射、干涉、衍射、散射。同時(shí)，由于超聲波對(duì)人體和環(huán)境是無(wú)害的，所以超聲檢測(cè)可以廣泛應(yīng)用到各個(gè)部門(mén)。超聲波與光波、電磁波、射線(xiàn)等檢測(cè)相比，其最大特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測(cè)物體內(nèi)部情況。近十幾年來(lái)，由于微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測(cè)的限制，進(jìn)一步開(kāi)拓了其適用范圍探頭障礙物s　　　　　　　　　圖21　超聲波檢測(cè)原理圖超聲波檢測(cè)通常采用渡越時(shí)間法,即利用計(jì)算被測(cè)物體的距離。超聲波檢測(cè)原理是通過(guò)超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。T為環(huán)境溫度,在測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合必須考慮此影響,但在一般情況下,可舍去此法,由軟件進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。故在超聲波測(cè)量中，常使用40KHz的超聲波。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，具有很高的抗干擾性能。目前通用的方法是使用超聲波換能器來(lái)產(chǎn)生超聲波。應(yīng)用最多的是聲電和電聲轉(zhuǎn)換，也就是通常所說(shuō)的超聲探頭，當(dāng)一個(gè)電脈沖加到探頭上時(shí)，探頭就發(fā)射出超聲脈沖，反之，當(dāng)一個(gè)超聲脈沖加到探頭上時(shí)，探頭就輸出一個(gè)電脈沖。但掃描空間小，在材料中的衰減大，穿透能力差。但掃描空間大，在材料中的衰減小，穿透能力強(qiáng)。對(duì)于晶粒粗大、對(duì)超聲散射較強(qiáng)烈的材料，高頻率的超聲會(huì)出現(xiàn)晶界引起的林狀回波，致使無(wú)法判傷，～1兆赫的超聲波。在超聲測(cè)距中，由于聲波傳播的介質(zhì)為空氣，其對(duì)超聲衰減很大，所以應(yīng)選取較低頻率的超聲，但太低的頻率又使得測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，所以一般超聲測(cè)距選用的頻率為幾十千赫。探頭晶片尺寸大時(shí)，發(fā)射能量大，擴(kuò)散角小，掃描空間大，近場(chǎng)長(zhǎng)度長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離小缺陷的能力高。對(duì)于缺陷的定位和定量，選擇探頭的原則是聲束應(yīng)盡可能的狹窄，聲束相對(duì)缺陷要垂直入射，在某些情況下需要使能量更加集中，可采用線(xiàn)聚焦或點(diǎn)聚焦探頭。雙壓電晶片振子屏蔽減震環(huán)外殼錐形諧振板支點(diǎn)圖22　超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖探頭型式的選擇也要視具體情況而定，選擇直探頭或斜探頭取決于欲發(fā)現(xiàn)缺陷的部位及方向，對(duì)于探測(cè)鍛件，一般選用直探頭，檢查焊縫時(shí)，則更多使用斜探頭。在超聲測(cè)距中，一般使用雙探頭，以減少發(fā)射信號(hào)對(duì)接收探頭的影響。根據(jù)雷達(dá)在實(shí)際工作時(shí)所處的惡劣環(huán)境的要求，本系統(tǒng)所選用的超聲波傳感器為T(mén)R4016B，其中心頻率為40kHz。如轉(zhuǎn)速測(cè)量、汽車(chē)中的風(fēng)門(mén)位置、踏板位置、懸掛位置、閥門(mén)位置和工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的絕對(duì)位置及接近行為的檢測(cè)。其輸出電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例，而與磁場(chǎng)變化率無(wú)關(guān)。所以霍爾效應(yīng)傳感器是一種比電感式和接觸式傳感器更可靠、更便捷的低速傳感器。因?yàn)閭鞲衅髋c其信號(hào)調(diào)節(jié)電路低于在同一芯片上集成。在集成霍爾效應(yīng)傳感器中，根據(jù)信號(hào)調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu)不同，可分為開(kāi)關(guān)和純屬輸出兩種傳感器。ADI公司最近推出的AD22151是一種純屬輸出磁場(chǎng)傳感器，適合用于檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度和各種特殊位置檢測(cè)。它的主要特點(diǎn)是將大量的霍爾元件陣列集成技術(shù)與內(nèi)部溫度補(bǔ)償及信號(hào)調(diào)節(jié)電路結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)單片集成?！囟葌鞲衅饕环N物質(zhì)材料制作成的電阻,它會(huì)隨溫度的上升而改變電阻值,如果它隨溫度的上升而電阻值也跟顯著上升就稱(chēng)為正電阻系數(shù)，如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱(chēng)為負(fù)電阻系數(shù)。PT100溫度感測(cè)器是一種以白金(Pt)制作成的電阻式溫度檢測(cè)器,屬于正電阻系數(shù)，其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：其中=,為100Ω(在0℃的電阻值),T為攝氏溫度。鉑電阻溫度傳感器，因其測(cè)量范圍大，復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛使用?！∠到y(tǒng)的總體設(shè)計(jì)概述針對(duì)本設(shè)計(jì)，如果采用微波雷達(dá)來(lái)完成測(cè)距功能，由于測(cè)距過(guò)程中數(shù)據(jù)計(jì)算的復(fù)雜性，對(duì)系統(tǒng)速度和精度的要求高，超出了一般單片機(jī)的處理能力，需要加入DSP或FPGA芯片才能完成，而設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使成本低廉而易于普及，所以應(yīng)有一個(gè)更合適的測(cè)距方案用于本汽車(chē)安全報(bào)警系統(tǒng)，本系統(tǒng)選用了超聲波檢測(cè)。而在單片機(jī)方面，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)資源的實(shí)際要求，在能完成工作任務(wù)的基礎(chǔ)上不造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)考慮到了市場(chǎng)的實(shí)際情況。ATmega8是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。系統(tǒng)資源豐富，恰好滿(mǎn)足本系統(tǒng)對(duì)處理器的要求，且不會(huì)造成多余的浪費(fèi)。49第3章　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件部分可以分為：主程序、中斷服務(wù)程序和功能函數(shù)。功能函數(shù)主要有：端口控制函數(shù)、40KHz信號(hào)產(chǎn)生函數(shù)、度越時(shí)間測(cè)量函數(shù)、溫度測(cè)量函數(shù)、車(chē)速測(cè)量函數(shù)、距離計(jì)算函數(shù)、LED顯示函數(shù)、聲音報(bào)警函數(shù)。系統(tǒng)總框圖如圖31所示：微波雷達(dá)傳感器LED顯示單片機(jī)系統(tǒng)ATmega8L超聲波傳感器聲音提示車(chē)速傳感器時(shí)鐘電路復(fù)位電路溫度傳感器圖31　系統(tǒng)總框圖本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就充分的考慮到了性?xún)r(jià)比等各種因素，采用AVR單片機(jī)ATmega8L。系統(tǒng)對(duì)其I/O端口的分配情況如表31所示。然后系統(tǒng)將一直檢測(cè)微波雷達(dá)探測(cè)器信號(hào)輸入端口，如果沒(méi)有反饋信號(hào)（為高電平）則一直繼續(xù)檢測(cè)。接下來(lái)分別調(diào)用T/C1, T/C2,ADC初始化子程序，對(duì)其進(jìn)行初始化操作。只有打開(kāi)發(fā)全局中斷使能，當(dāng)中斷源發(fā)生中斷事件時(shí)系統(tǒng)才能受理。接下來(lái)要調(diào)用子程序，讀取T/CA/D的值。再接下來(lái)要對(duì)這兩個(gè)值進(jìn)行一定的計(jì)算處理，設(shè)定一定的危險(xiǎn)等級(jí)。這是本系統(tǒng)主程序的一個(gè)工作流程。當(dāng)汽車(chē)在高速行駛時(shí)，需要檢測(cè)的距離將會(huì)非常遠(yuǎn)。采用微波雷達(dá)來(lái)完成測(cè)距功能，由于測(cè)距過(guò)程中數(shù)據(jù)計(jì)算的復(fù)雜性，對(duì)系統(tǒng)速度和精度的要求高，超出了一般單片機(jī)的處理能力，需要加入DSP或FPGA芯片才能完成，不利于普及。當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示汽車(chē)當(dāng)前速度值；當(dāng)前方5m處出現(xiàn)障礙物時(shí)，發(fā)出電平信號(hào)給中央處理器進(jìn)行處理。流程圖如圖33所示。在發(fā)射單元中，利用定時(shí)器／計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。而且還有可能產(chǎn)生中斷嵌套等情況，使得系統(tǒng)的可靠性會(huì)受到一定的影響。這一方式在系統(tǒng)執(zhí)行期間將不必產(chǎn)生中斷，不影響其它程序的執(zhí)行的情況下可靠的產(chǎn)生信號(hào)。而為了能正確的完成設(shè)計(jì)，需要對(duì)該定時(shí)器/計(jì)數(shù)器作一個(gè)深入的了解認(rèn)識(shí)。本系統(tǒng)所使用的單片機(jī)ATmega8L有一個(gè)16位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)使用它來(lái)完成距離測(cè)量過(guò)程中的精確計(jì)時(shí)功能。　超聲波發(fā)射40kHz信號(hào)的產(chǎn)生(1)　T/C2相關(guān)知識(shí)T/C2是一個(gè)通用單通道8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，其主要特點(diǎn)如下：? 單通道計(jì)數(shù)器? 比較匹配時(shí)清零定時(shí)器(自動(dòng)重載)? 無(wú)干擾脈沖,相位正確的脈寬調(diào)制器(PWM)? 頻率發(fā)生器? 10位時(shí)鐘預(yù)分頻器? 溢出與比較匹配中斷源(TOV2與OCF2)? 允許使用外部的32kHz手表晶振作為獨(dú)立的I/O時(shí)鐘源雙緩沖的輸出比較寄存器OCR2一直與TCNT2的數(shù)值進(jìn)行比較。比較匹配結(jié)果還會(huì)置位比較匹配標(biāo)志OCF2，用來(lái)產(chǎn)生輸出比較中斷請(qǐng)求。clkT2可以由內(nèi)部時(shí)鐘源或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生，具體由時(shí)鐘選擇位CS22:0確定。但是不管有沒(méi)有clkT2，CPU都可以訪(fǎng)問(wèn)TCNT2。計(jì)數(shù)序列由T/C控制寄存器(TCCR2)的WGM21和WGM20決定。T/C溢出中斷標(biāo)志TOV2根據(jù)WGM21:0設(shè)定的工作模式來(lái)設(shè)置。一旦TCNT2等于OCR2，比較器就給出匹配信號(hào)。若OCIE2=1還將引發(fā)輸出比較中斷。根據(jù)WGM21:0和COM21:0設(shè)定的不同工作模式，波形發(fā)生器可以利用匹配信號(hào)產(chǎn)生不同的波形(2)　定時(shí)器工作模式的選擇本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用CTC(比較匹配時(shí)清除定時(shí)器)模式。當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值TCNT2等于OCR2時(shí)計(jì)數(shù)器清零。這個(gè)模式使得用戶(hù)可以很容易地控制比較匹配輸出的頻率，也簡(jiǎn)化了外部事件計(jì)數(shù)的操作。計(jì)數(shù)器數(shù)值TCNT2一直累加到TCNT2與OCR2匹配，然后TCNT2清零。在中斷服務(wù)程序里可以更新TOP的數(shù)值。如果寫(xiě)入OCR2的數(shù)值小于當(dāng)前TCNT2的數(shù)值，計(jì)數(shù)器將丟失一次比較匹配。為了在CTC模式下得到波形輸出，可以設(shè)置OC2在每次比較匹配發(fā)生時(shí)改變邏輯電平。在期望獲得OC2輸出之前，首先要將其端口設(shè)置為輸出。頻率由如下公式確定：變量N代表預(yù)分頻因子(3612256或1024)。模式下OCF2置位和TCNT2清除的情況如圖35所示：圖35　T/C 時(shí)序圖，CTC模式，預(yù)分頻器為fclkI/O/8(3)　T/C2寄存器的配置? Bit 7 – FOC2: 強(qiáng)制輸出比較表33　T/C控制寄存器－TCCR2Bit76543210TCCR2FOC2WGM20COM21COM20WGM21CS22CS21CS20讀／寫(xiě)RR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初值00000000FOC2僅在WGM指明非PWM模式時(shí)才有效。寫(xiě)1后，波形發(fā)生器將立即進(jìn)行比較操作。要注意FOC2類(lèi)似一個(gè)鎖存信號(hào)，真正對(duì)強(qiáng)制輸出比較起作用的是COM21:0的設(shè)置。讀FOC2的返回值永遠(yuǎn)為0。表34　波形產(chǎn)生模式的位定義模式WGM21(CTC2)WGM20(PWM2)T/C的工作模式TOPOCR2的更新時(shí)間TOV2的置位時(shí)刻000普通0xFF立即更新MAX101相位修正PWM0xFFTOPBOTTOM210CTCOCR2立即更新MAX311快速PWM0xFFTOPMAX ? Bit 5:4 – COM21:0: 比較匹配輸出模式這些位決定了比較匹配發(fā)生時(shí)輸出引腳OC2的電平。同時(shí)其方向控制位要設(shè)置為1以使能輸出驅(qū)動(dòng)。表34給出了當(dāng)WGM21:0設(shè)置為普通模式或CTC模式時(shí)COM21:0的功能。表36　時(shí)鐘選擇位說(shuō)明CS22CS21CS20說(shuō)明000無(wú)時(shí)鐘，T/C不工作001clkT2S/(沒(méi)有預(yù)分頻)010clkT2S/8(來(lái)自預(yù)分頻器)011clkT2S/32(來(lái)自預(yù)分頻器)100clkT2S/64(來(lái)自預(yù)分頻器)101clkT2S/128(來(lái)自預(yù)分頻器)110clkT2S/256(來(lái)自預(yù)分頻器)111clkT2S/1024(來(lái)自預(yù)分頻器)在本系統(tǒng)中，要產(chǎn)生的是40KHz的波形，所以對(duì)寄存器的設(shè)定為：工作在CTC模式，所以WGM21=1，WGM20=0。時(shí)鐘選擇為沒(méi)有預(yù)分頻的狀態(tài)，所以CS22=0CS21=0CS20=1所以，TCCR2=0b11010001初始化TCNT2+1NYOC2取反輸出開(kāi)始TCNT2＝OCR2？圖36　T/C2工作流程圖注意：通過(guò)T/C寄存器可以直接對(duì)計(jì)數(shù)器的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。在計(jì)數(shù)器運(yùn)行的過(guò)程中修改TCNT2的數(shù)值有可能丟失一次TCNT2和OCR2的比較匹配。匹配事件用來(lái)在OC2引腳上產(chǎn)生波形。這個(gè)周期由以下幾個(gè)時(shí)間段組成：發(fā)送6個(gè)40KHz的波形脈沖，占用150us；等待300us后開(kāi)啟輸入捕捉使能（盲區(qū)隔離）；等待回波信號(hào)而這個(gè)工作周期用單片機(jī)上所剩的T/C0來(lái)完成。T/C可以通過(guò)預(yù)分頻器由內(nèi)部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，計(jì)數(shù)方向始終向上(增加)，且沒(méi)有計(jì)數(shù)器清除操作。在正常工作時(shí)，當(dāng)TCNT0變?yōu)椤?”時(shí)，T/C溢出標(biāo)志(TOV0)置位。在應(yīng)用T/C0時(shí)，得先給TCNT0賦初值。當(dāng)T/C中斷屏蔽寄存器TIMSK中的TOIE0和狀態(tài)寄存器的全局中斷使能位I都為“0”時(shí)，T/C0的溢出中斷使能。當(dāng)計(jì)數(shù)器T/C溢出而執(zhí)行中斷服務(wù)程序后，可以重新給這個(gè)TCNT0賦初值。系統(tǒng)使用它來(lái)完成距離測(cè)量過(guò)程中的精確計(jì)時(shí)功能。T/C1相關(guān)知識(shí)16位的T/C可以實(shí)現(xiàn)精確的程序定時(shí)（事件管理）、波形產(chǎn)生和信號(hào)測(cè)量。16位計(jì)數(shù)器映射到兩個(gè)8位I/O存儲(chǔ)器位置：TCNT1H為高8位，TCNT1L為低8位。CPU訪(fǎng)問(wèn)TCNT1H時(shí)，實(shí)際訪(fǎng)問(wèn)的是臨時(shí)寄存器（TEMP）。訪(fǎng)問(wèn)16位寄存器必須通過(guò)特殊的步驟：TCNTOCR1A/B與ICR1是AVR CPU通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)可以訪(fǎng)問(wèn)的16位寄存器。每個(gè)16位計(jì)時(shí)器都有一個(gè)8位臨時(shí)寄存器用來(lái)存放其高8位數(shù)據(jù)。訪(fǎng)問(wèn)低字節(jié)會(huì)觸發(fā)16位讀或?qū)懖僮?。?dāng)CPU讀取16位寄存器的低字節(jié)時(shí)，高字節(jié)內(nèi)容在讀低字節(jié)操作的同時(shí)被放置于臨時(shí)輔助寄存器中。對(duì)OCR1A/B寄存器的讀操作就不涉及臨時(shí)寄存器。而讀16位寄存器時(shí)應(yīng)先讀取該寄存器的低位字節(jié)。如果這種情況發(fā)生，那么中斷返回后臨時(shí)寄存器中的內(nèi)容已經(jīng)改變，造成主程序?qū)?6位寄存器的讀寫(xiě)錯(cuò)誤。unsigned int i。　　　　　　　　　 　/* 保存全局中斷標(biāo)志 */CLI( )。 　　　　　　　　　　　　/* 設(shè)置ICR1到i */SREG=sreg。}T/C控制寄存器TCCR1A/B為8位寄存器，沒(méi)有CPU訪(fǎng)問(wèn)的限制。所有中斷都可以由中斷屏蔽寄存器TIMSK單獨(dú)控制。波形發(fā)生器用比較結(jié)果產(chǎn)生PWM或在輸出比較引腳OC1A/B輸出可變頻率的信號(hào)。在某些操作模式下，TOP值或T/C的最大值可由OCR1A寄存器、ICR1寄存器，或一些固定數(shù)據(jù)來(lái)定義。但此時(shí)OCR1A是雙向緩沖的，TOP值可在運(yùn)行過(guò)程中得到改變。輸入捕捉16位T/C的主要部分是可編程的16位雙向計(jì)數(shù)器單元。外部事件發(fā)生的觸發(fā)信號(hào)由引腳ICP1輸入。如果此時(shí)ICIE1=1，輸入捕捉標(biāo)志將產(chǎn)