基于超聲波的汽車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于超聲波的汽車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于超聲波的汽車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)系部名稱： 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 車輛工程 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 黑黑 龍龍 江江 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 二一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Design of The AutomotiveAnti-collision Systen Based on The UltrasonicDepartment：Automotive Engineering Specialty：Vehicle EngineeringClass:B06-7 The

2、 Students Name: Qi GuodongSupervisor：Lv DegangTitles：LecturerHeilongjiang Institute of Technology2010-06Harbin黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)I摘 要近年來(lái)我國(guó)高速公路追尾碰撞事故頻繁發(fā)生，而車載追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)在解決高速公路行車安全中具有良好的前景，因此引起了研究人員的廣泛關(guān)注。根據(jù)超聲波測(cè)量距離系統(tǒng)，給出了汽車測(cè)距防撞報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能在汽車行駛以及倒車過程中自動(dòng)檢測(cè)，出汽車與最近障礙物之間的距離( 或行車中的車距) 并通過L E D 顯示出來(lái)， 當(dāng)?shù)竭_(dá)極限距離時(shí) 系統(tǒng)能發(fā)出聲光

3、報(bào)警 進(jìn)而提醒司機(jī)雌防撞車。 在公路、街道、停車場(chǎng)、車庫(kù)等擁擠、狹窄的地方倒車時(shí)，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會(huì)發(fā)生追尾事故。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，15的汽車碰撞事故是因倒車時(shí)汽車的后視能力不良造成的。因此。增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測(cè)障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。安全避免障礙物的前提是快速、準(zhǔn)確地測(cè)量障礙物與汽車之間的距離。為此，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心，利用超聲波實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。 超聲波一般指頻率在 20 kHz 以上的機(jī)械波，具有穿透性強(qiáng)，衰減小，反射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。最后由信號(hào)處理

4、裝置對(duì)接收的信號(hào)依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出車與障礙物之間的距離。超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)單，成本低，制作方便，但其傳輸速度受天氣影響較大，不能精確測(cè)距；另外，超聲波能量與距離的平方成正比衰減，因此，距離越遠(yuǎn)，靈敏度越低，從而使超聲波測(cè)距方式只適用于較短距離。目前，國(guó)內(nèi)外一般的超聲波測(cè)距儀，其理想的測(cè)量距離為 45 m，因此大都用于汽車倒車?yán)走_(dá)等近距離測(cè)距中本文根據(jù)聲波在空氣中傳播反射原理，以超聲波換能器為接口部件，介紹了基于 STC89C52 單片機(jī)的超聲波測(cè)距器。該設(shè)計(jì)由超聲波發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊、單片機(jī)處理模塊、數(shù)碼顯示以及聲光告警顯示模塊等部分組成，文中詳細(xì)介紹了測(cè)距器的硬件組成、檢測(cè)原理

5、、方法以及軟件結(jié)構(gòu)。超聲波發(fā)射模塊中采用 555 定時(shí)器構(gòu)成的時(shí)基電路，接收電路使用 SONY 公司的 CX20106A 紅外檢測(cè)專用芯片，該芯片常用于 38kHz 的檢波電路，文中通過對(duì)芯片內(nèi)部電路的仔細(xì)分析，設(shè)計(jì)出能夠成功對(duì) 40kHz 超聲波檢波的硬件電路，并且增益可調(diào)，與傳統(tǒng)超聲波檢波電路相比，電路變得精簡(jiǎn)，調(diào)試變得相對(duì)容易。測(cè)距器使用數(shù)碼管顯示目標(biāo)物的距離。關(guān)鍵詞： 汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)； 單片機(jī)；STC89C52；超聲波；測(cè)距黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)IIABSTRACTThe accident of automobile rear-end collision has taken p

6、lace frequently in recent years，and rear-end collision warning system has good use in improving expressway traffic safety，so the warning system has been paid more attention in the world.The vehicle collision avoidance alarm apparatus system was introdued according to the ultrasonic measurement dista

7、nces system . The system can automaticanlly xeamine the distance between the back and the nearest obstacle ( or the distance among cars ) whicwould be demonstarted through LED that when it arrives the limit distance ,the systemb can send out the warning and reminds the driver for preventing the vehi

8、cle colliding . The experimental results showed that , the system illustrates a good prospect of application and xetensionHighways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occ

9、ur. According to related statistics, 15% of motor vehicle collisions when the vehicle is reversing, as the capacity of the latter caused by bad.So after the increase of motor vehicles as the ability to detect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research

10、 hotspot in recent years. Security to avoid obstacles on the premise that the rapid and accurate measurement of obstructions and the distance between motor vehicles. To this end, the design of a single-chip microcomputer as the core, the use of ultrasonic ranging to achieve non-contact reversing rad

11、ar system. Generally refers to ultrasonic frequencies above 20 kHz mechanical waves, with penetrating, and attenuation of small, reflecting the ability and so on. Work, the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a shor

12、t pulse. Finally, signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise ra

13、nge; In addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic range finder at home and abroad in gene

14、ral, the ideal distance of the measurement 4 5 m, thus 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)IIIreversing radar are used in cars, such as close range in this paper, according to the spread of sound waves in air reflection to ultrasonic transducer interface components, based on MCU STC89C52 ultrasonic range-finder. Designed

15、 by the ultrasonic transmitter module, receiver module, single-chip processing module, a digital display and alarm sound and light display module, such as parts, the text in detail the range of hardware devices, detection theory, methods and software architecture. The use of ultrasonic transmitter m

16、odule consisting of 555 time-base timer circuit, receiving circuit using the SONY company dedicated CX20106A infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38kHz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detect

17、ion of hardware circuitry and adjustable gain, and compared to conventional ultrasonic detection circuit, the circuit has become streamlined and easier to debug. The use of digital rangefinder display the distance between objects.Key words：Automotive anti-collision alarm system; Singlechip; STC89C52

18、; Silent Wave; Measure Distance黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘 要.IAbstract.II第 1 章 緒論.11.1 課題研究的現(xiàn)狀和發(fā)展歷史及意義.11.2 汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.21.3 本課題的主要研究?jī)?nèi)容.3第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與分析.42.1 超聲波測(cè)距原理.42.2 超聲波發(fā)生器.42.3 壓電式超聲波發(fā)生器原理.42.4 測(cè)量與控制方法.52.5 控制系統(tǒng)方框圖.52.6 超聲波發(fā)射部分的設(shè)計(jì).62.7 超聲波接收器的設(shè)計(jì).62.8 理論計(jì)算.82.9 影響精度的因素分析.82.10 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì).92.11 本章小結(jié).1

19、1第 3 章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .123.1 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理.123.1.1 52 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn).123.1.2 52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理.133.2 超聲波發(fā)射電路.133.3 超聲波檢測(cè)接收電路.143.4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì).153.5 本章小結(jié).17黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).184.1 軟件設(shè)計(jì).184.2 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì).194.3 主程序流程圖.204.4 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序.224.5 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試.234.6 本章小結(jié).23結(jié) 論.24參考文獻(xiàn).26致 謝.28附 錄.29黑龍江工

20、程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1第 1 章 緒 論1.1 課題研究的現(xiàn)狀和發(fā)展歷史及意義隨著科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，自動(dòng)測(cè)量的技術(shù)不斷更新，非接觸式測(cè)量技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在很多工控場(chǎng)合，測(cè)量的物體是不能夠直接接觸到的，或者是測(cè)量物體不宜直接接觸, 這個(gè)時(shí)候就要用到非接觸式的測(cè)量?jī)x器。自物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此超聲波技術(shù)得到廣泛運(yùn)用，而在超聲波測(cè)量領(lǐng)域，尤其是在測(cè)距領(lǐng)域，結(jié)合各種其他技術(shù)的應(yīng)用，超聲波測(cè)量變得十分普及。當(dāng)人類社會(huì)充分享受汽車帶來(lái)的諸多好處的同時(shí)，也為此付出了沉重的生命和財(cái)產(chǎn)代價(jià)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)自 1997 年至 2007 年

21、，累計(jì)已有 1551038 人死于道路交通事故，其中僅 2007 年，道路交通事故就造成 81649 人死亡。道路交通事故中有86.3%均為汽車追尾碰撞事故。表 1.1 列出了我國(guó) 1997 年2007 年逐年的交通事故次數(shù)、死亡人數(shù)、受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟(jì)損失。表 1.1 我國(guó)歷年道路交通事故統(tǒng)計(jì)(19972007)交通事故死亡人數(shù)受傷人數(shù)經(jīng)濟(jì)損失年份(起)遞增(人)遞增(人)遞增億元遞增19973042175.75738610.281901288.9918.467.45199834612913.78780675.6922272117.1419.304.55199941286019.288352

22、97.0028608028.4521.2410.05200061697149.449385312.3641872146.3726.6925.66200175491922.2410593012.8754648530.5130.8815.7020027731372.411093813.265620742.8533.247.642003667507-13.7104372-4.6494174-12.133.71.42004567753-14.999217-4.9451810-8.627.7-17.62005450254-13.198738-97.8469911-2.318.8-21.220063787

23、81-15.989455-9.4431139-8.314.9-20.92007327209-13.681649-8.7380442-11.83.0-19.5黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)2 由表 1.1 可以看出，進(jìn)行高速公路防碰撞報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)研究的必要性和緊迫性，本文對(duì)汽車防碰撞系統(tǒng)的研究主要基于以下原因：由于超聲波在空氣中波速較慢，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。因此超聲測(cè)距廣泛應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、物體識(shí)別等方面，特

24、別是應(yīng)用于空氣測(cè)距。超聲波測(cè)距利用聲波反射原理，避免傳感器直接與介質(zhì)接觸，是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法。與紅外、激光及無(wú)線電測(cè)距相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性能高、價(jià)格便宜、安裝維護(hù)方便等優(yōu)異特性。在近距范圍內(nèi)超聲測(cè)距具有不受光線、顏色以及電、磁場(chǎng)的影響和指向性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但由于超聲波傳播時(shí)難于精確捕捉，溫度對(duì)聲速影響等原因，使超聲測(cè)距的精度受到很大的影響，限制了超聲測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量精度要求較高場(chǎng)合下的應(yīng)用。1.2 汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)際上對(duì)汽車防撞雷達(dá)的研究始于 20 世紀(jì) 60

25、年代，在此后的 10 多年內(nèi)，以德國(guó)、美國(guó)、日本為代表的主要西方國(guó)家內(nèi)形成了一股研究熱潮，眾多研究機(jī)構(gòu)和汽車制造廠家合作，有多臺(tái)樣機(jī)問世，并有一些相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和論文發(fā)表，但是，局限于當(dāng)時(shí)的微波理論及器件的發(fā)展水平，加上系統(tǒng)其他硬件成本居高不下，導(dǎo)致雷達(dá)難于做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積輕巧、成本低廉，些外，汽車防撞雷達(dá)的工作環(huán)境惡劣，干擾因素眾多，科研工作者在實(shí)驗(yàn)室制造樣機(jī)時(shí)，對(duì)許多因素考慮并不全面，造成在實(shí)際應(yīng)用中，防撞雷達(dá)的工作效果并不理想。 1986年，奔馳公司發(fā)起，包括遍及歐洲的17家主要汽車生產(chǎn)廠和50多個(gè)研究所，制訂了“Promtheus”計(jì)劃，將組合傳感器、通信、人工智能技術(shù)于一個(gè)系統(tǒng)中，

26、其目的是改進(jìn)汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和有效性，其中研制出的性能優(yōu)良的汽車防撞雷達(dá)，幫助駕駛員避免發(fā)生交通事故，是該計(jì)劃的一個(gè)重要組成部份，該計(jì)劃，隨著微波器件及其集成技術(shù)的高速發(fā)展，以及微處理器性能價(jià)格比的突飛猛進(jìn)，使得制造出低成主本、高性能的汽車防撞雷達(dá)成為可能，進(jìn)入90年代后，德國(guó)在這方面的研究工作處于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)90年代中期以后，一些公司開始將注意力轉(zhuǎn)向汽車的新型防撞雷達(dá)，這種新型防撞雷達(dá)應(yīng)用于高速公路，稱為“AICC，即自主智能巡航控制。是汽車?yán)走_(dá)發(fā)展的高級(jí)階段，就實(shí)際情況看，國(guó)際上研制出的用于高速公路的防撞達(dá)基本上都只需黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)3完成向駕駛員提供危險(xiǎn)警報(bào)功能，為

27、駕駛員爭(zhēng)取一定的反映時(shí)間。歐盟RadarNet研究項(xiàng)目整合己有研究成果，研制新型多功能汽車防撞雷達(dá)，其中，德國(guó)奔馳公司和英國(guó)勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的汽車防撞雷達(dá)工作于35GHz，探測(cè)距離150米，信號(hào)處理系統(tǒng)可以計(jì)算出前方車輛或障礙物的距離及相對(duì)速度，并根據(jù)后車速度計(jì)算出必要的安全距離，當(dāng)兩車距離小于安全距離時(shí)發(fā)出燈光和聲音報(bào)警信號(hào)，安裝在轎車、客車上試用，效果較好。美國(guó)防撞技術(shù)研究起步較晚，但目前已處于世界領(lǐng)先水平。主要代表有福特和Eaton orad公司開發(fā)的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其前方探測(cè)距離106米，可在探測(cè)范圍內(nèi)跟蹤20多個(gè)目標(biāo)，工作頻率24.725GHz，雷達(dá)功率SmW a國(guó)內(nèi)對(duì)汽車防

28、撞裝置的研究相對(duì)比較晚，整體水平也相對(duì)較低。具有代表性是有:上海汽車電子工程中心研制的SAE-100型毫米波汽車防撞雷達(dá)樣機(jī)，采用LFMCW制式，工作頻率35GHz，測(cè)距范圍大于100米，測(cè)速范圍大于100km/h采用增益為26dB的喇叭天線，發(fā)射功率405mW，以DSP為中央處理器。1.3 本課題的主要研究?jī)?nèi)容（1）研究國(guó)內(nèi)外汽車防撞系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展歷史，理解本課題研究的意義；（2）分析各種汽車防撞系統(tǒng)的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)；（3）提出改進(jìn)汽車防撞系統(tǒng)的對(duì)策（4）設(shè)計(jì)一種新型的汽車防撞系統(tǒng)，給出設(shè)計(jì)電路圖。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)4第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與分析2.1 超聲波測(cè)距原理超聲

29、波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t,然后求出距離 S=Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表 1 列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。圖 2.1 即為超聲波測(cè)距的具體流程圖。 定時(shí)器顯示器振蕩器調(diào)制器接收檢測(cè)器電聲換能器計(jì)時(shí)器控制電聲換能器 圖 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖2.2 超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們

30、已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。2.3 壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)5產(chǎn)生

31、超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。2.4 測(cè)量與控制方法聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體 阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來(lái)。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示 圖 2.2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)2.5 控制系統(tǒng)方框圖超聲波汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖如圖 2.3 所示。該系統(tǒng)全部由單片機(jī)控制，超聲波發(fā)射電路能在單片機(jī)的

32、控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號(hào)之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，算出車尾與障礙物之間的距離，將處理結(jié)果送入顯示電路進(jìn)行顯示，再按照技術(shù)指標(biāo)的要求由聲光報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。圖 2.3 超聲波汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)62.6 超聲波發(fā)射部分的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭的型號(hào)選用CSB40T，采用軟件發(fā)生法產(chǎn)生40Kz的超聲波信號(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波，這種方法充分利用軟件，靈活性好。超聲波發(fā)送器設(shè)計(jì)圖如圖2.4所示。圖 2.4 超聲波發(fā)送電路圖2.7 超聲波接收器的設(shè)計(jì)超聲波接收器包括超聲波接

33、受探頭，信號(hào)放大電路及波形變換電路3部分。超聲波接收器設(shè)計(jì)圖如圖2.5所示。按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。接收電路的設(shè)計(jì)可采用通用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波在空氣中傳播時(shí)，其能量的衰減程度與距離成正比，距離越近、信號(hào)越強(qiáng)，距離越遠(yuǎn)、信號(hào)越弱，通常在lmv1V之間。放大電路采用單電源供電，信號(hào)放大和變換采用一片HD74HC04P通用運(yùn)算放大器，前三級(jí)為放大器設(shè)計(jì)，后一級(jí)為比較器設(shè)計(jì)。為滿足交流信號(hào)的需要，每一級(jí)放大器均采用電容電路進(jìn)行電平偏移，對(duì)交流信號(hào)而言，電容為短路，前三級(jí)放大電路的放大增益均為10。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，距離較近時(shí)，兩級(jí)放大的增益能輸出足夠強(qiáng)度的信號(hào)，在第3級(jí)有可能出現(xiàn)

34、信號(hào)飽和，但距離較遠(yuǎn)時(shí)，必須采用三級(jí)放大電路。合理調(diào)節(jié)電位器R10，選擇比較基準(zhǔn)電壓，使測(cè)量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)證明，比較參考黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)7電壓的選取非常關(guān)鍵，它與測(cè)量靈敏度、系統(tǒng)魯棒性都有關(guān)聯(lián)。選小可提高測(cè)量靈敏度，但魯棒性下降，容易出現(xiàn)虛假回波被捕捉的情況，選大則情況相反圖 2.5 超聲波接收電路圖2. 8 理論計(jì)算T 2T 1圖 2.6 測(cè)距的原理黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)8如圖 2.6 所示為反射時(shí)間 ，是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的 時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖所示，對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測(cè)量回波時(shí)間 T 利用公式

35、 （2-2TCS1）其中，S 為被 測(cè)距離、V 為空氣中聲速、T 為回波時(shí)間， （2-21TTT2）可以計(jì)算出路程，這種 方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過設(shè)置“時(shí)間門”來(lái)加以 克服。這樣可以求出距離： （2-221TTCS3）本次設(shè)計(jì)是用 555 時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生 40Hz 的超聲波信號(hào)。其振蕩頻率計(jì)算公式如下： （2-5109243. 1CRRf4）2.9 影響精度的因素分析 1） 發(fā)射接收時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時(shí)，可知由軟件生成的起始時(shí)間對(duì)于一般要求的精度是可靠的

36、。對(duì)于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會(huì)有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測(cè)物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程為： （2- kht +ktet +kt20AAcosAcos5）由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)9但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號(hào)可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個(gè)回波確定準(zhǔn)確的接受時(shí)間，必須對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時(shí)間，會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量精度產(chǎn)生影響。 2）當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)測(cè)量精度的影響分

37、析 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)超聲波測(cè)距測(cè)量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時(shí)間的影響嚴(yán)重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： （2-6）sRTCM由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y(cè)距時(shí)的測(cè)量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢?（2-7）0CC1 T 273式中 C0=331.4m/s ； T 為絕對(duì)溫度，單位 K 。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降 1oC, 聲速將增加或者減少 0.607m /s ，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測(cè)量精度的重

38、中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀佟?對(duì)于時(shí)間誤差主要由發(fā)送計(jì)時(shí)點(diǎn)和接收計(jì)時(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確性確定，為了能夠提高計(jì)時(shí)點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對(duì)發(fā)射信號(hào)和加收信號(hào)通過校正的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。此外，當(dāng)要求測(cè)距誤差小于 1 mm 時(shí)，假定超聲波速度 C=344 ms(20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。則測(cè)距誤差 st0.000 002 907 s，即 2.907 ms。根據(jù)以上過計(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 1 mm 的誤差。使用的 12 MHz 晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的 89C51 單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到 1s 的精度，因此系統(tǒng)采用 A

39、T89S51 的定一時(shí)器能保證時(shí)間誤差在 1 mm 的測(cè)量范圍內(nèi)。超聲波的傳播速度主要受空氣密度所的影響，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。由此可見，測(cè)量精度與溫度有著直接的關(guān)系，本文采用 DS18B20 溫度傳感器，對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量，并在軟件中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。2.10 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1）溫度校正的方法提高測(cè)距精度 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)10由上述的誤差分析知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式 求出當(dāng)?shù)芈曀伲瑥亩軌颢@得較高的測(cè)量精度。而問題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值

40、。 為了便于對(duì)溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用 DALASS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 集成溫度傳感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 總線專利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個(gè) I/O 口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線供電） ，極大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在 10oC 85oC 的工作環(huán)境下可以保持 0.5% 的使用精度，在這個(gè)空間內(nèi)足以保證為超聲波測(cè)距設(shè)備提供足夠的精度范圍。 通過 DS18B20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由 1-WIRE 總線傳至 MCU ，由軟件進(jìn)行聲速換算。為了更好的實(shí)現(xiàn)換算過程同時(shí)兼顧設(shè)備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 STC

41、12C5410 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的各項(xiàng)功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)，并且在最高支持 48MHz 前提下能夠?qū)崿F(xiàn) 1 個(gè)時(shí)鐘 / 機(jī)械周期運(yùn)行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對(duì)于普通單片機(jī)來(lái)說(shuō)可以有效的減少由計(jì)時(shí)問題帶來(lái)的量化誤差，能夠滿足較高精度超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)要求。 2）標(biāo)桿校正的方法提高測(cè)距精度 在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時(shí)，如果仍舊要求較高的測(cè)量精度，我們采用所謂標(biāo)桿校正的方法實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距精度的校正。標(biāo)桿校正的示意圖如圖 2.4 所示。 T R 基平面（標(biāo)桿）超聲波測(cè)距裝置被測(cè)物圖 2.7 標(biāo)桿校正的示意圖超聲

42、波測(cè)距裝置首先測(cè)量距離已知為 h 的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時(shí)間，而后由測(cè)得的時(shí)間和距離 h 根據(jù)公式 求出當(dāng)?shù)芈曀佟Ｍㄟ^這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測(cè)量溫度所帶來(lái)的麻煩。因此，只用為測(cè)距設(shè)備設(shè)定“標(biāo)定”和“測(cè)量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實(shí)現(xiàn)的高精度測(cè)距功能。2.11 本章小結(jié)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)11通過確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，在數(shù)學(xué)建模的理論基礎(chǔ)之上對(duì)汽車防碰撞系統(tǒng)的安全車距模型進(jìn)行了分析，結(jié)合汽車追尾事故的起因，以數(shù)學(xué)模型的形式設(shè)計(jì)出了合理的安全車距模型。第 3 章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射

43、電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用 AT89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。3.1 52 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理 3.1.1 52 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)52 系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C52)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由 CPU，4kB 的 ROM，25

44、6 B 的 RAM，2 個(gè) 16b 的定時(shí)計(jì)數(shù)器 TO 和 T1，4 個(gè) 8 b 的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 2-1 所示。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)12圖 3.1 51 系列單片機(jī)封裝圖5l 系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB 存儲(chǔ)器；256 BRAM；32 條工O 線；2 個(gè) 16b 定時(shí)計(jì)數(shù)器；5 個(gè) 2 級(jí)中斷源；1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：

45、CPU 停止工作，而讓 RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。52 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。3.1.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 SCt2，式中的 C 為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接

46、收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。3.2 超聲波發(fā)射電路黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)13超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 3.2 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) P1.0 端口輸出的 40kHz 的方波信號(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，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向

47、器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 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，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。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。3

48、.3 超聲波檢測(cè)接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(如圖2.3)。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖 3.2 超聲波發(fā)射電路原理圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)14圖 3.3 超聲波檢測(cè)接收電路3.4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)CJ-1 超聲波學(xué)習(xí)板采用 STC89C52 單片機(jī)，用 P1.0 口輸出

49、超聲波換能器所需的40K 方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)，顯示電路采用簡(jiǎn)單的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，斷碼用 P0 口驅(qū)動(dòng)，位碼用 9012 驅(qū)動(dòng)。主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成。 采用 STC89C52 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) CX20106A 紅外接收芯片和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過 P1.0 引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后利用單片機(jī)的 INT0，當(dāng)INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)

50、控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用 STC89C52，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有 4K 的 ROM，便于編程。電路原理圖如圖3.4 所示。其中只畫出前方測(cè)距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測(cè)距電路與前方測(cè)距電路相同，故省略之。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)15 圖 3.4 主機(jī)電陸設(shè)計(jì)圖黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)16圖 3.5 超聲波測(cè)距電路原理圖黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)173.5 本章小結(jié)結(jié)合大學(xué)所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)以及系統(tǒng)的要求選定選定了 AT89C-51 單片機(jī)為本系統(tǒng)的主控制單元，并且給出了接口協(xié)議和性能參數(shù)等。結(jié)合系統(tǒng)的要求選定測(cè)距傳感器為本系統(tǒng)的測(cè)距傳感器，并且給出了

51、工作原理、參數(shù)和電路。本結(jié)一并介紹了系統(tǒng)的其他傳感器的選擇原則，通過硬件的選定設(shè)計(jì)出了整個(gè)系統(tǒng)的電路圖。并且盡自己的能力設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)的防干擾的方法。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)18第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(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(cè)距時(shí)） ，所以控制程序可采用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。4.1 軟件的設(shè)計(jì)軟件執(zhí)行的工作過程如下：(1)當(dāng)

52、系統(tǒng)按下控制開關(guān)鍵后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，采取主程序循環(huán)方式。(2)讀取溫度溫度值，將 P24 置“0”，選通 AD 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0804 使其進(jìn)人工作，同時(shí) P2.5 與 ADC0804 的 INTR 端連接，當(dāng) INTR 端輸出高電平則可以讀取此時(shí)溫度值。為了方便計(jì)算波速與溫度對(duì)應(yīng)表改為近似范圍對(duì)應(yīng)，速度與溫度近似對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 1 所示。表 1 溫度與速度近似對(duì)應(yīng)關(guān)系溫度/ 2010 100 010 1020 2030 3040 4050波速/(m.s-1) 322 328 335 341 346 352 358(3)測(cè)出相應(yīng)的波速值后將其存儲(chǔ)，并將 P25 口置“1”停止 ADC080

53、4 進(jìn)行溫度采樣，然后通過 PZ0 口發(fā)出 1O 個(gè)周期 40 kHz 方波脈沖串，總時(shí)間為 250 s。需要注意的是在設(shè)計(jì)程序過程中，每條指令執(zhí)行的機(jī)器周期為 1 s 或 2 s，所以應(yīng)該考慮這些時(shí)間的損耗，也就是說(shuō)需要輸出比較準(zhǔn)確的周期方波。(4)當(dāng)發(fā)送完 1O 個(gè)方波脈沖串后，就馬上啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T1 進(jìn)行計(jì)數(shù)，而計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)最長(zhǎng)時(shí)間為 65536 ms，這種超聲波收發(fā)傳感器范圍控制在 8 m 范圍內(nèi)，從而計(jì)數(shù)器設(shè)定的溢出時(shí)間為 47 ms(因?yàn)槁暡ㄊ瞻l(fā)是來(lái)回時(shí)間的，所以設(shè)定為(8340)21 000 ms：47 ms)，當(dāng)溢出的話就重發(fā)方波脈沖串，直到接收器受到信號(hào)為止。(5)超聲波接收器

54、接收到的反射信號(hào)通過放大經(jīng)過鎖相環(huán)芯片 LM567 輸出，分別接在 INT 和 INT。端，為了不受優(yōu)先級(jí)影響，只要設(shè)寄存器 IP=00 H 則 INT。與INT 可以按照先收到信號(hào)的先執(zhí)行中斷處理服務(wù)，后收到者后處理，不分高低中斷優(yōu)先級(jí)口。 但這里要注意，因?yàn)闀?huì)遇到如下兩種情況。1)當(dāng)收到第一個(gè)中斷并處理完后才收到第二個(gè)中斷則按如下順序進(jìn)行處理，即收黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)19到第一個(gè)中斷后，就讀取計(jì)數(shù)寄存器 TH 與 TL 的計(jì)數(shù)值并存儲(chǔ)后跳出中斷服務(wù)，繼續(xù)計(jì)數(shù)，等待下一個(gè)中斷到來(lái)，當(dāng)收到第二個(gè)中斷時(shí)就再次讀取此時(shí)計(jì)數(shù)器的 TH 與 TI 的計(jì)數(shù)值，并加上在第一個(gè)中斷執(zhí)行指令時(shí)所損耗的

55、時(shí)間并存儲(chǔ)，這樣就得出兩個(gè)聲波傳播的時(shí)間值 與 ，則 BF= VT1 2，AF=VT22，這樣就確定了BF 與 F 的距離。2)當(dāng)進(jìn)行第一個(gè)中斷處理時(shí)又同時(shí)收到第二個(gè)中斷信號(hào)的時(shí)候按如下進(jìn)行處理，即收到第一個(gè)中斷后，就讀取計(jì)數(shù)寄存器 TH 與 TL 的計(jì)數(shù)值并存儲(chǔ)起來(lái)，為 t 。但是在處理第一個(gè)中斷服務(wù)時(shí)已經(jīng)收到第二個(gè)中斷，因?yàn)榈诙€(gè)時(shí)間時(shí)不知道的，所以只能取近似值，為了減少誤差，則第二次時(shí)間值取為 tz 加上第一次執(zhí)行指令時(shí)間的12。(6)存儲(chǔ)了兩個(gè)時(shí)間值 t1 與 t2。后，進(jìn)行數(shù)值處理后確定出距離進(jìn)行比較后并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)比較出來(lái)的結(jié)果，調(diào)用 LCD 顯示子程序，作出相應(yīng)的 LCD 顯示

56、要求和是否執(zhí)行警報(bào)處理 。然后重新從步驟 2 開始執(zhí)行。4.2 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為： d=s/2=(ct)/2 （4-1） 其中，d 為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離，s 為聲波的來(lái)回的路程，c 為聲速，t 為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射

57、波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。其部分源程序如下： RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關(guān)外部中斷 0 ? MOV R7, TH0 ；讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)20SUBB A, #0BBH；計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H, A ；存儲(chǔ)結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A? SETB EX0 ；開外部中斷 0 POP ACC? PO

58、P PSW RETI 4.3 主程序流程圖數(shù)碼管顯示* 中斷入口程序 * ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH reti ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)21 圖 4.1 主程序流程圖主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到

59、接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約 0.1 ms（這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1s，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即是否是否是上電復(fù)位延時(shí)等待蜂鳴器響 200ms定時(shí)器 0初始化中斷 0初始化全局中斷打開報(bào)警設(shè)定模式設(shè)定報(bào)警值發(fā)送 4 個(gè)超聲波等待接收接收標(biāo)志位顯示 0數(shù)碼管顯示距離超過限制蜂鳴器報(bào)警黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)22超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式（2）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20時(shí)的聲速為 344 m/s

60、則有： d=(ct)/2=172T0/10000cm (2)其中，T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)算值。 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用 C 語(yǔ)言編寫。4.4 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.0 端口發(fā)送 2 個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約 40kHz 的方波） ，脈沖寬度為 12s 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語(yǔ)言編程。 超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷 0 檢測(cè)返回超聲波信

61、號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測(cè)距不成功。 前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī) INT0 端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機(jī) INT1 端口，同時(shí)單片機(jī) P1.3和 P1.4 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來(lái)處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。部分源程序如下： receive1：push psw pus

62、h acc clr ex1 ；關(guān)外部中斷 1 jnb p1.1, right ；P1.1 引腳為 0,轉(zhuǎn)至右測(cè)距電路中斷服務(wù)程序jnb p1.2, left ；P1.2 引腳為 0,轉(zhuǎn)至左測(cè)距電路中斷服務(wù)程序 return：SETB EX1；開外部中斷 1 pop. acc pop. psw reti right： .；右測(cè)距電路中斷服務(wù)程序入口 ajmp. return 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)23left：. ；左測(cè)距電路中斷服務(wù)程序入口 4.5 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收采用 15 的超聲波換能器 TCT40-10F1（T 發(fā)射）和 T

63、CT40-10S1（R 接收） ，中心頻率為 40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.075.5m，測(cè)距儀最大誤差不超過 1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多

64、次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。軟件的調(diào)試程序見附錄一4.6 本章小結(jié)利用 C52 系列單片機(jī)的功能開發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，經(jīng)過一系列的測(cè)試與調(diào)節(jié)，具有比較高的準(zhǔn)確性，適合大眾化汽車使用，其檢測(cè)范圍在 8O3 m 之間，誤差可以控制在 4-o05 m，這個(gè)誤差在實(shí)際使用是可以接受的。若想得到更高的精度，可要選用處理速度高的 DSP 芯片或高頻率的 MCU 運(yùn)算芯片、靈敏度比較高的鎖定信號(hào)芯片、響應(yīng)速度快的超聲波收發(fā)傳感器，而這些芯片一般應(yīng)用在機(jī)器人設(shè)計(jì)的場(chǎng)合比較多。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)24結(jié) 論超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。

65、實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用 STC89C52 或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用

66、PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。超聲波發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) P1.0端口輸出的 40kHz 的方波信號(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，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 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，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。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。超聲波檢測(cè)接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一