【正文】 回波經(jīng)過超聲波接收傳感器，電容隔直濾波，一、二級放大，三級增益放大 11 后進入比較器 LM324，這樣在比較器的輸出端將得到 40KHz的方波輸入到單片機 INT0引腳以產(chǎn)生中斷。但是由于超聲波傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對回波的接收和處理造成了一定程度的影 響。 溫度測量及補償方案 溫度對超聲波波速影響非常大，極大的影響測距精度，需要進行溫度補償。本設計采用 DS1820芯片進行測溫。由單片機處理后進行補償。 DS1820芯片是 DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，溫度測量范圍是 55℃到 +120℃ ，可編程為 9位到 12位 A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達 ℃。 顯示及報警方案 倒車探測器在其偵測區(qū)內(nèi)檢測到障礙物時， LED指示燈及擴音器會根據(jù)車與障礙物的距離發(fā)出警告聲。同時數(shù)碼管顯示相應距離。這樣用戶不僅可以很快的判斷出障礙物的大概距離，還可以清楚的知道詳細距離。 障礙距離指示燈與報警器響應方式： A段： 150—100cm指示燈慢閃亮、擴音器以相應頻率的叫聲提示。 B段： 100—50cm指示燈快閃亮、擴音器以相應頻率的叫聲提示。 C段： 50cm以內(nèi)對應方位指示燈長亮，擴音器長鳴。 擴音器由 555定時器組成電路驅(qū)動，指示燈由單片機直接驅(qū)動。顯示器由四個七段數(shù)碼管組成，由串行輸入顯示接口芯片 MC14499驅(qū)動。 12 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 硬件框圖 單片機 AT89C2051作為主控器，復位端接上電 +按鈕復位電路 。 XTAL1和 XTAL2接12MHZ晶振構(gòu)成的時鐘電路。 DS1820芯片并接收所測得的溫度數(shù)據(jù)。 控制由 555定時器及超聲波換能器 CSB40T組成的發(fā)射電路發(fā)射超聲波。超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，經(jīng)傳感器，濾波電容，放大器，電壓比較器傳給單片機的 INT0口一個低電平。 LED報警電路。 MC14499控制的數(shù)碼管顯示電路。 圖 硬件框圖 單片機最小系統(tǒng)設計 單片機復位是使 CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一 個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，復位后 PC＝ 0000H，使單片機從第 — 個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。單片機復位的條件是：必須使 RST引腳加上持續(xù)兩個機器周期 (即 24個振蕩周期 )的高電平。本文中時鐘頻率為12MHz，每個機器周期為 1181。s，則只需 2181。s以上時間的高電平，在 RST引腳出現(xiàn)高電平后的 RESET INT0 XTAL1 XTAL2 超聲波接收電路 超聲波發(fā)送電路 測溫電路 聲音報警電路 復位電路 晶振 電路 顯示電路 LED 報警電路 13 第二個機器周期執(zhí)行復位。 復位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合 電容電壓不能突變 的性質(zhì)，可以知道，當系統(tǒng)一上電， RST 腳將會出現(xiàn) 高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的 RC值來決定。適當組合 RC 的取值就可以保證可靠的復位。 該電路除具有上電復位功能外，若要復位，只需按 RESET 鍵，此時電源 CCV 經(jīng)電阻 1R 、 2R 分壓，在 RESET 端產(chǎn)生復位高電平。 時鐘電路主要任務是提供一個工作頻率。單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是 XTAL1和 XTAL2，在 XTAL1和 XTAL2上 外接時鐘源即可構(gòu)成時鐘電路。有內(nèi)部和外部兩種時鐘產(chǎn)生方式。本設計采用內(nèi)部時鐘產(chǎn)生方式。電路接法如圖 ，在 XTAL1和 XTAL2兩端跨接晶體諧振器（振蕩頻率為 12MHZ），與內(nèi)部反相器構(gòu)成自激震蕩器。其發(fā)出脈沖直接送入片內(nèi)定時控制部件。此外，電容對頻率有微調(diào)作用，因為外接晶振，電容選擇 20pF，實際應用時諧振器和電容盡可能安裝在單片機附近，減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。 圖 最小應用系統(tǒng)電路圖 超聲波發(fā)送電路設計 超聲波發(fā)送電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分 ，超聲波探頭（又稱 “ 超聲波換能器 ” ）選用 CSB40T。 40KHz 的超聲波是利用 555時基電路振蕩驅(qū)動超聲波探頭產(chǎn)生的。 由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器 （如圖所示）。 接通電源后，電源 CCV 通過 1R 和 2R 對電容 1C 充電，當 CU 1/3 CCV 時，振蕩器輸出 OV =1，放電管截止。當 CU 充電到 ≥2/3 CCV后，振蕩器輸出 OV 翻轉(zhuǎn)成 0，此時放電管導通，使放電端 (DIS)接地，電容 C通過 2R 對1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 4 J un 2 0 0 7 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:Y1C4C5C82 2uR90 .2 KS1R E S E T+5V P P1R X D2T X D3X T A L 24X T A L 15I N T 06I N T 17T08T19GND10P 3. 711P 1. 012P 1. 113P 1. 214P 1. 315P 1. 416P 1. 517P 1. 618P 1. 719V C C20C 1 8A T 89 C 2 05 1R 2 61K+5 14 地放電，使 CU 下降。當 CU 下降到 ≤1/3 CCV 后，振蕩器輸出 OV 又翻轉(zhuǎn)成 1，此時放電管 又截止，使放電端 (DIS)不接地，電源 CCV 通過 1R 和 2R 又對電容 1C 充電，又使 CU 從 圖 555構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖 1/3 CCV 上升到 2/3 CCV ，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復始，從而在輸出端 OV 得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖寬度 LT ≈ 2R 1C ，由電容 1C 放電時間決定； HT =( 1R + 2R ) 1C ，由電容 1C 充電時間決定，脈沖周期 T≈ HT +LT 。 其振蕩頻率計算式為 f=(( 2R +2 1R ) 1C )。 超聲波發(fā)射電路圖（如圖 ）中 將 1R 設計為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的 40kHz 固有頻率一致。 采用 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器可以實現(xiàn)寬范圍占空比的調(diào)節(jié)，并且電路設計簡單，占用面積小。 555 定時器的 4腳是復位端，利用它來控制超聲波脈沖的發(fā)射。當 4 腳為低電平時， 555有振蕩脈沖輸出；為高電平時， 555定時器清零，沒有輸出。因而，將4 腳與單片機的控制信號相接就可以控制發(fā)射電路。為保證 555時基具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用 +12V電源即 CCV =12V。 4腳為超聲波發(fā)射控制信號輸 入端，由單片機進行控制。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 7 J u n 2 0 07 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:T R I G2Q3R4C V o l t5T H R6D I S7VCC8GND1U15 55R2R1C2 C1V C CVOUC 15 圖 超聲波發(fā)射電路圖 超聲波接收電路設計 超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，關鍵是頻率要一致，本設計采用 CSB40R，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收，必須進行波形變換。按照上面所討論的原理，單片機需要的只是第一 個回波的時刻。接收電路如圖 所示。超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減與距離成正比，即距離越近信號越強，距離越遠信號越弱，通常在 1mV～ 1V之間。不同接收探頭的輸出信號強度存在差異。由于輸入信號的范圍較大，對放大電路的增益提出了兩個要求：一是放大增益要大，以適應小信號時的需要；二是放大增益要能變化，以適應信號變化范圍大的需要。另外，由于輸入信號為正弦波，因此必須將放大電路設計成交流放大電路。為減少負電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號放大和變換采用了 LM324通用運算放大器，前三級為放大器設計，后一級 為比較器設計。 LM324既可以雙電源工作，也可以單電源工作，因此能滿足使用要求。為滿足交流信號的需要，每一級的放大器均采用阻容電路進行電平偏移，即圖 7C 、 21C 、 22C 和 24C ，容量均為 10μ F，實現(xiàn)單電源條件下交流信號的放大。對于交流信號而言，電容為短路，因此前三級放大電路的增益均為 10。距離較近時，兩級 放大的增益已能夠輸出足夠強度的信號了，第三級有可能出現(xiàn)信號飽和，但距1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 9 M a y 20 0 7 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:T R I G2Q3R4C V o l t5T H R6D I S7VCC8GND15 55R21KC13 30 0 P FR15KC S B 40 TV C C接 P 1 .3超聲波發(fā)送電路圖C2 16 離較遠時，必須采用三級放大。 這里的第四片 LM324 作反相電位比較器，電路如圖 所示， 有一個閥值電壓 NU ，IU 為反相電壓比較器輸入電壓。調(diào)節(jié)電位器可得到閥值電壓 NU 。當 IU NU 時， OU =0，為低電平 :當 IU NU 時， OU = NU IU ，為高電平。 當 LM324 檢測到超聲波回波信號時，它輸出低電平信號，此時 LM324 的輸入電壓就小于閥值電壓，所以 LM324 就輸出高電平信號，通向 PC 的數(shù)據(jù)采集端。反之 ，則輸出為低電平信號到 PC的數(shù)據(jù)采集端。比較器這一部分如果調(diào)節(jié)不當也可能會出現(xiàn)一些問題，如在輸出端會有高頻輸出等。這因為比較器非常靈敏，信號的微小變化就導致輸出值 OHV 和 OLV 的相互轉(zhuǎn)變。利用比較器的正反饋產(chǎn)生滯環(huán)特性來降低比較器的靈敏度，可以減少干擾。因為放大后的回波信號幅值已經(jīng)較大，這樣再通過設置合適的閥值就可以穩(wěn)定的得到有效信號。采用可調(diào)電位計是較為方便的方法。比較器的輸入端需要穩(wěn)定的基準電壓需要加電容穩(wěn)定 。合理調(diào)節(jié)電位器27R ，選擇比較基準電壓，可使測量更加準確和穩(wěn)定。 圖 電位比較器電路圖 17 圖 超聲波接收電路圖 溫度測量電路設計 溫度對超聲波波速影響非常大，超聲波波度 c與環(huán)境溫度 ? 的關系有如下經(jīng)驗公式：3 3 1 .4 1 / 2 7 3c ??? (m/s)，所以溫度每變化 1℃，聲波的速度變化約為 /s 。當 18 溫度從 0～ 40℃變化時，將會產(chǎn)生大約 7％ 的聲速變化，在超聲波測距儀中，把聲 速作為一個標準量，為了獲得較精確的聲速，引入溫度補償是必要的。本文采用了 DS1820進行測溫。 DS1820是 DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，電路連接非常簡單，但是必須保證時序與單片機嚴格同步。溫度測量范圍是 55℃ +125℃，可編程為 912位 A/D轉(zhuǎn)換精度，未編程時默認精度為 12 位，測量精度一般為 ℃，軟件處理后可達 ℃。溫度輸出以 16 位符號擴展的二進制數(shù)形式提供，低位在前，以 ℃ /LSB（最小可分辨信號）形式表達，高五位為擴展符號位。轉(zhuǎn)換周期與轉(zhuǎn)換精度設定有關， 9位精 度時，最大轉(zhuǎn)換時間為 ； 12位精度時，最大轉(zhuǎn)化時間為 750ms。在本系統(tǒng)中采用默認的 12位精度。測溫分辨率可達 ℃。 DS1820溫度傳感器有兩個晶振，低