畢業(yè)論文--汽車倒車測(cè)距儀

1、<p><b>　　汽車倒車測(cè)距儀</b></p><p><b>　　——超聲波測(cè)距</b></p><p>　　系 別： 汽車與電氣工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)電一體化 </p><p>　　班 級(jí)： 08機(jī)電（1）

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成時(shí)間：2011年05月20日 </p><p>　　目

3、 錄</p><p><b>　　第1章 緒論6</b></p><p>　　1.1 超聲檢測(cè)發(fā)展綜述6</p><p>　　第2章 超聲波測(cè)距原理6</p><p>　　2.1 超聲波傳感器介紹7</p><p>　　2.1.1 超聲波傳感器特性8</p>

4、<p>　　2.2 超聲波檢測(cè)概述9</p><p>　　2.3 超聲測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn) 9</p><p>　　第3章 單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)想10</p><p>　　3.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)總體方案10</p><p>　　3.2 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮11</p><p>　　3.2.1

5、 傳感器指向角11</p><p>　　3.2.2 測(cè)距儀的工作頻率12</p><p>　　3.2.3 聲速12</p><p>　　3.2.4 發(fā)射脈沖寬度12</p><p>　　3.2.5 測(cè)量盲區(qū)13</p><p>　　第4章 單片機(jī)倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)各組成單元方案設(shè)計(jì)14</p&

6、gt;<p>　　4.1 發(fā)射接收電路方案設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.2 顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.3 單片機(jī)復(fù)位電路24</p><p>　　4.

7、4 時(shí)鐘電路25</p><p>　　4.5 穩(wěn)壓電源25</p><p>　　第5章 系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn)27</p><p>　　5.1 單片機(jī)硬件介紹27</p><p>　　5.1.1 單片機(jī)AT89C51介紹27</p><p>　　5.1.2 8155芯片介紹28</p>

8、<p>　　5.1.3 74LS244芯片介紹29</p><p>　　5.1.4 74LS04芯片介紹 30</p><p>　　5.2 運(yùn)算放大器31</p><p>　　5.3 探頭UCM介紹 33</p><p>　　5.4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 34</p><p>　　5.4.1

9、主程序 34</p><p>　　5.4.2 顯示子程序和蜂鳴報(bào)警子程序 37</p><p>　　第6章 系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn)39</p><p>　　6.1 誤差產(chǎn)生原因分析39</p><p>　　6.1.1 溫度對(duì)超聲聲速的影響39</p><p>　　6.1.2 回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響4

10、0</p><p>　　6.1.3 超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響40</p><p>　　6.2 針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案41</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p><b>　　附表45</b></p><p>&

11、lt;b>　　致謝47</b></p><p>　　基于單片機(jī)汽車倒車測(cè)距儀的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見(jiàn)的一種距離測(cè)距方法，本文介紹

12、的就是利用超聲波測(cè)距法設(shè)計(jì)的一種倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。</p><p>　　論文的內(nèi)容是基于AT89C51單片機(jī)倒車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將超聲波測(cè)距系統(tǒng)和AT89C51單片機(jī)結(jié)合于一體，設(shè)計(jì)出一種基于AT89C51單片機(jī)的倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。</p><p>　　論文概述了超聲波檢測(cè)的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳

13、感器的原理及特性。對(duì)于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論，并且在介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。通過(guò)多種發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)方案比較，得出了最佳設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)計(jì)單元的原理進(jìn)行了介紹。對(duì)組成各系統(tǒng)電路的芯片進(jìn)行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的誤差分析，給出了系統(tǒng)的改進(jìn)方案。</p><p>　　關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī) 超聲波 AT

14、89C51</p><p>　　The design of car parking rangefinder</p><p>　　Abstract:With the development of social economy is booming and transportation in chief climb the number of cars. Traffic congestion

15、has become more and more serious, crash ongoing, caused the inevitable personal casualty and economic losses, in this kind of situation, design a kind of fast response, high reliability and cheaper the automotive anti-co

16、llision warning system imperative, ultrasonic ranging method is one of the most common distance method, this paper introduces rangefinder is using u</p><p>　　Paper based on AT89C51 is the content of the desi

17、gn of the system, tie-down reversing mainly using ultrasonic features and advantages, will ultrasonic ranging system and AT89C51 combining at an organic whole, design a kind of reversing based on AT89C51 collision-proof

18、alarm system. This system USES software and hardware of the method of combining, has the characteristics of modularization and multi-purpose change.</p><p>　　This paper summarizes the ultrasonic detection de

19、velopment and basic principle, this paper expounds the principle and characteristics of ultrasonic sensor. Some of the main parameters for system is discussed, and introduces the function of ultrasonic ranging system was

20、 put forward on the basis of the overall system formed. Through a variety of emission receiving circuit design scheme comparison, the conclusion of the best design scheme of system, and the principle of every design unit

21、 are introd</p><p>　　Key words: ultrasonic AT89C51 microcontroller</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損

22、失，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見(jiàn)的一種距離測(cè)距方法，應(yīng)用于汽車停車的前后左右防撞的近距離，低速狀況，以及在汽車倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)中，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凵?，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測(cè)距即是利用其反射特性，當(dāng)車輛后退時(shí)，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測(cè)車輛后方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛?cè)?/p>

23、員，起到安全的作用。</p><p><b>　　超聲波檢測(cè)發(fā)展綜述</b></p><p>　　超聲波檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用，它提供了評(píng)價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測(cè)其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。</p><p>　　第2章 超聲波測(cè)距原理</p><p>

24、　　2.1超聲波傳感器介紹</p><p>　　超聲波由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。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，因此在測(cè)控系統(tǒng)的研制上得到了廣泛應(yīng)用。</p

25、><p>　　壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。</p><p>　　傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的

26、發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。</p><p>　　圖2.1壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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2.1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)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電

27、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)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波傳感器。</p><p>　　壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。<

28、/p><p>　　超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。</p><p>　　2.1.1超聲波傳感器的特性</p><p&g

29、t;　　超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以SZW-S40-12M 發(fā)射型超聲波傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。</p><p><b>　　一、頻率特性</b></p><p>　　圖2.2超聲發(fā)射傳感器頻率特性</p><p>　　圖 2.2是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中，f0＝40KHz 為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在 f0處，

30、超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō)在 f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在 f0兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 f0的交流電壓來(lái)激勵(lì)。</p><p>　　另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在 f0處曲線最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，即在 f0處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性

31、曲線和輸出端外接電阻R 也有很大關(guān)系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動(dòng)。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。</p><p><b>　　二、指向特性</b></p><p>　　實(shí)際的

32、超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒(méi)有指向性。但離開(kāi)超聲傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。</p><p>　　2.2 超聲波檢測(cè)概述</p><p>　　超聲波是一種頻率超過(guò) 20kHz 的機(jī)械波。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、?/p>

33、射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會(huì)反射。</p><p>　　2.3 超聲波測(cè)距的原理及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應(yīng)用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測(cè)距原理是通過(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

34、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)。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為 C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(S)，即：</p><p>　　S=C*t/2=C*t0 （2-1）</p><p>　　其中，t0就是所謂的渡越時(shí)間。</p><

35、p>　　可以看出主要部分有： </p><p>　　(1) 供應(yīng)電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；</p><p>　　(2) 使接收和發(fā)射隔離的開(kāi)關(guān)部分；</p><p>　　(3) 轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；</p><p>　　(4) 接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號(hào)的接收傳感器；</p>

36、<p>　　(5) 接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè)備；</p><p>　　(6) 記錄/控制設(shè)備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時(shí)間，存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離。</p><p>　　在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過(guò)程中衰減較大。故在超聲波測(cè)量中，常使用 4

37、0KHz 的超聲波。目前超聲波測(cè)量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合室內(nèi)測(cè)量的方式。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。</p><p>　　距離測(cè)量系統(tǒng)常用的頻率范圍為 25KHz～300KHz 的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)，或者兩個(gè)是分開(kāi)使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大

38、器用于放大回聲信號(hào)以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開(kāi)強(qiáng)大的發(fā)射信號(hào)；記錄/控制部分啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。</p><p>　　第3章 單片機(jī)超聲波測(cè)距構(gòu)想</p><p>　　該超聲測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于 DSP 的超聲信號(hào)檢測(cè)中的先期部分。因

39、此初步計(jì)劃是在室內(nèi)小范圍的測(cè)距，限定在 4 米之內(nèi)。本章從整體結(jié)構(gòu)角度討論了測(cè)距系統(tǒng)的組成及一些系統(tǒng)主要參數(shù)。</p><p>　　3.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)的總體方案</p><p>　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及器件的選擇也正是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.1所 示</p><p>　　圖 3.1 超聲波測(cè)距硬件電路圖</p><p>　　電子市場(chǎng)上常

40、見(jiàn)的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為 40KHz。如果需要更高頻率的超聲探頭，比如幾百赫茲或者幾兆赫茲的頻率，就需要到專業(yè)經(jīng)營(yíng)超聲產(chǎn)品的廠商去購(gòu)買或者定制。鑒于有限的條件，擬選用的探頭是 40KHz 的超聲傳感器，有一支接收傳感器 SZW-R40-10P和一支發(fā)射傳感器SZW-S40-12M，其特性參數(shù)如表 3.1所示。</p><p>　　發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時(shí)裝在探頭內(nèi)

41、），諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒(méi)有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲。</p><p>　　電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率 40KHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。</p><p>　　表3.1傳感器特性參數(shù)&l

42、t;/p><p>　　發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過(guò)幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由三級(jí)放大電路，檢波電路及門限判別電路構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。但是由于超聲傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對(duì)于回波的接收和處理造成了相當(dāng)程度的影響。</p>

43、<p>　　3.2系統(tǒng)主要參數(shù)考慮</p><p>　　系統(tǒng)的主要參數(shù)有傳感器的指向角、測(cè)距的工作頻率、聲速、脈沖寬度、測(cè)量盲區(qū)等，下面做介紹并闡述。</p><p>　　3.2.1 傳感器的指向角θ</p><p>　　傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測(cè)量的分辨率。對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō)，它的大小與工作波長(zhǎng)λ，傳感

44、器半徑 r 有關(guān)。</p><p>　　由(2π/λ)*r*sin(θ/2)=1.615 (3-1)</p><p>　　選 f0=40KHz 時(shí)，λ＝C/f0=8.5mm。當(dāng) f0選定后，指向角θ近似與傳感器半徑成反比。指向角θ愈小，空間分辨率愈高，則要求傳感器半徑 r 愈大。鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下，選用國(guó)產(chǎn)

45、現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑 r=6.3mm，故θ=2*arcsin(1.615λ/2*π*r)=75°。</p><p>　　3.2.2 測(cè)距儀的工作頻率</p><p>　　由文獻(xiàn)[5]知，空氣中超聲波的衰減系數(shù)為α=αaαs=Af2+Bf4。所以，空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在 40KHz 左右。太高頻率的超聲波在空氣中是無(wú)法傳播開(kāi)去的。傳感器的

46、工作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。</p><p>　　工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮：</p><p>　　(1) 如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。</p><p>　　(2)

47、 工作頻率越高，對(duì)相同尺寸的換能器來(lái)說(shuō)，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。</p><p>　　(3) 從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。</p><p>　　綜上所述，由于本測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在 40KHz

48、，定為 44KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。</p><p><b>　　3.2.3 聲速</b></p><p>　　由公式(2-1)，聲速的精確程度線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為</p&g

49、t;<p>　　V=331.4＋0.607T(m/s) (3-2) </p><p>　　式中，T 是溫度。由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為 340 m/s。</p><p>　　3.2.4發(fā)射脈沖寬度</p><p>　　發(fā)射脈沖寬度決定

50、了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。</p><p>　　在具體設(shè)計(jì)中，比較了 24μs (1 個(gè) 40KHz 脈沖方波)，120μs( 5 個(gè) 40KHz 脈沖方波)，240μs (10 個(gè) 40KHz

51、 脈沖方波)，720μs( 30 個(gè) 40KHz 脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)，最終選用 120μs (5 個(gè) 40KHz 脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中。</p><p><b>　　3.2.5測(cè)量盲區(qū)</b></p><p>　　在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳

52、感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下：</p><p>　　當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，

53、發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振（由于機(jī)械慣性作用）。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平 VM ；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來(lái)的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)，其幅值也愈來(lái)愈小。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)的衰減總是

54、比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值 Vm ，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。</p><p>　　第4章 單片機(jī)倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)各組成單元設(shè)計(jì)</p><p>　　該超聲波測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路組成，下面主要通過(guò)各個(gè)模塊的各種方案比較，確定設(shè)計(jì)的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能

55、較好的AT89C51單片機(jī)。</p><p>　　4.1發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　超聲波發(fā)射與接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設(shè)計(jì)方案關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。本文通過(guò)多種方案比較，以達(dá)到最佳方案確定。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案一：</b></p><p>　　由施密

56、特振蕩器和數(shù)字功放電路組成，由P1.0口發(fā)出的同步脈沖信號(hào)如圖4.1。它啟動(dòng)振蕩器，輸出40KHz的高頻信號(hào)，經(jīng)整形及功放電路，加至發(fā)射換能器，發(fā)出40kHz的超聲波。</p><p>　　電路主要由回波放大接收及比較控制電路組成，如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 接收控制及接口電路</p><p>　　初始，比較器A1同相端已經(jīng)通過(guò)調(diào)整Rr，使其

57、電壓略高于2.5V。因此A1應(yīng)輸出高電平，但由于D1相位作用，A1輸出低電平，即RS觸發(fā)器的=0，Q=1， =1，= 0。當(dāng)P1.0發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，在A點(diǎn)形成正脈沖，經(jīng)N1反相，= 0，D1相位釋放，= 1，Q=0，= 1（正跳），T0計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。脈沖過(guò)后，= 1，=1，Q=0，= 1?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)放大濾波，送至比較器A1的反相端，它是疊加在2.5V電壓上的交變40kHz的信號(hào)。它的前沿使A1輸出低電平。=0，= 1，Q=1，= 0（負(fù)

58、跳），即獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷，T0計(jì)數(shù)停，計(jì)數(shù)值N1送存RAM。</p><p>　　由于發(fā)射探頭和接收探頭都是平行放置且距離較近，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)，接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)，因此必須將其隱去。當(dāng)P1.0輸出啟動(dòng)信號(hào)，主控同步脈沖加至比較器A2時(shí)，A2輸出一個(gè)遠(yuǎn)大于2.5V的電壓，經(jīng)過(guò)D2降壓后約為7.5V左右，加至A1同相端，又C2的延遲作用，A1同相端產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，它的幅度和寬度

59、均大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)，A1輸出端即RS觸發(fā)器的端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去。這段時(shí)間稱為盲區(qū)，約2ms。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案二:</b></p><p>　　40KHz的超聲波發(fā)送脈沖信號(hào)由單片機(jī)的P1.0口送出，發(fā)出一系列的脈沖群，每一個(gè)脈沖群的持續(xù)時(shí)間大約為0.5ms左右。信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大，再經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路即變壓器（變壓器輸入輸出比為1：

60、10）后，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部的壓電晶片開(kāi)始震動(dòng)，經(jīng)過(guò)壓電換能器將發(fā)出40kHz的脈沖超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射波，發(fā)射波返回到超聲波傳感器上，盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但是由回波引起的接受壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離有幾毫伏，遠(yuǎn)距離還不到幾毫伏，由于在較遠(yuǎn)距離的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也很小，為此要求將信號(hào)放大6000倍左右。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信

61、號(hào)，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。</p><p>　　在接收端第一級(jí)，要求其放大倍數(shù)為了C945這62倍左右，所以選擇只三極管，達(dá)到了放大倍數(shù)。第二三級(jí)選用了一枚集成放大器NE5532，它集成了兩個(gè)放大器，可達(dá)到預(yù)定放大倍數(shù)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案三:</b></p><p><b>　　1、發(fā)射電路</b><

62、/p><p>　　發(fā)射電路由555多諧振蕩器和數(shù)字功率放大器組成。采用555 多諧振蕩器可以實(shí)現(xiàn)寬范圍占空比的調(diào)節(jié)，并且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單占用面積小。如圖4.2所示，由單片機(jī).P1.0口發(fā)出同步脈沖信號(hào)，該同步脈沖啟動(dòng)多諧振蕩器，使其輸出20KHz的高頻電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形及功放電路加至超聲波換能器探頭，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)頻率為20KHz 的超聲波。</p><p><b>　　2、接

63、收電路</b></p><p>　　接收電路主要由回波放大接收電路及比較電路組成。如圖4.3所示，首先調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使比較器A1 同相端電位高于2.5V。由于D1輸出低電平， 而反相器N 輸出高電平，所以有RS 觸發(fā)器的=0，=1，Q=1，=0當(dāng)P1.0發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)（如圖4.2中的（1）所示）經(jīng)過(guò)微分電路形成的同步脈沖信號(hào)通過(guò)反相器N 的反相功能，=0，D1 箝位釋放=1，Q=0，=1（正跳變），T0

64、計(jì)數(shù)器開(kāi)始記數(shù)，脈沖經(jīng)過(guò)之后==1，Q=0，=1。 回波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波送至比較器A1的反相端，它是疊加在2.5V上的頻率為20KHz的高頻電壓信號(hào)。如圖4.2中的（3）所示，其前上升沿使A1輸出低電平，=0，=1，Q=1，=0（負(fù)跳變）；即獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求，使T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，記數(shù)值N 送存RAM。</p><p>　　3、盲區(qū)干擾信號(hào)的消隱</p><p>　　通

65、常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)接收換能器接收到的第一個(gè)波是串?dāng)_直通波，也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過(guò)繞射由發(fā)射換能器直接到達(dá)接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)。所以必須將其隱去,當(dāng)P1.0輸出啟動(dòng)信息,同步脈沖加至比較器A2時(shí)，A2 輸出一遠(yuǎn)大于2.5V 的電壓， 經(jīng)D2降壓后大約等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延遲作用，A1同相端將產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，如圖

66、4.2中的（4）所示。它的寬度和幅度都大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)，A1 輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去，這段時(shí)間稱為盲區(qū)，約2毫秒。</p><p>　　圖4.2 測(cè)距脈沖圖</p><p>　　圖4.3 超聲波回波接收電路</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案四:</b></p><p><b&g

67、t;　　1、發(fā)射電路</b></p><p>　　發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz 脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機(jī)P1.1 口控制其是否工作。其電路圖如圖1所示。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。</p>&l

68、t;p><b>　　2、接收電路</b></p><p>　　接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量。接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。其電路如圖4.5所示。圖4.5 中，R11、R12、C13、C14、R15 和運(yùn)算放大器Amp1A 組成了一級(jí)濾波放大電路；R21、R22、C23、C24、R

69、25 和運(yùn)算放大器Amp1B 組成了二級(jí)濾波放大電路。</p><p>　　圖4.4 發(fā)射部分電路</p><p>　　圖4.5 一次和二次濾波放大電路</p><p>　　發(fā)射接收電路中應(yīng)考慮的各種問(wèn)題：</p><p>　　發(fā)射波形如圖 4.6，傳感器的振蕩波形要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，理論上信號(hào)的幅度時(shí)指數(shù)上升的，Q 各周期后達(dá)

70、到滿幅度的 95%，1.5Q 個(gè)周期后達(dá)到 99%。為提高傳感器的靈敏度，Q 值一般不能太低，為使傳感器充分振蕩起來(lái)，發(fā)射脈寬要求不能小于 Q 個(gè)振蕩周期，才能使發(fā)射幅度基本達(dá)到最大?？紤]到測(cè)量“盲區(qū)”，這里選擇脈寬為 120μs，包含 5 個(gè)調(diào)制的 44KHz 的方波信號(hào)。</p><p>　　圖 4.6 發(fā)射波形</p><p>　　由文獻(xiàn)[3]知，測(cè)距儀的發(fā)射波形如圖 4.6，在規(guī)定

71、時(shí)刻將一持續(xù)時(shí)間為τ的正弦波加到傳感器上，然后關(guān)閉發(fā)射電路，打開(kāi)接收通道，接收來(lái)自障礙物的反射波。 </p><p>　　傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失，接收預(yù)放大單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利檢測(cè)單元的正確檢測(cè)。</p><p>　

72、　如何達(dá)到信號(hào)的最佳接收關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性，所以也應(yīng)考慮到影響接收信號(hào)的各方面問(wèn)題。在傳感器接收到的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。室內(nèi)環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段，遠(yuǎn)離回波信號(hào)頻率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機(jī)的內(nèi)部噪聲決定，其功率譜寬度遠(yuǎn)大于接收機(jī)的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識(shí)，輸入為已知信號(hào)加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大。匹配 濾波器具有以下特

73、點(diǎn)：</p><p>　　(1) 輸出最大信噪比與信號(hào)波形無(wú)關(guān)</p><p>　　(2) 匹配濾波器對(duì)信號(hào)的幅度和時(shí)延具有適應(yīng)性，即對(duì)只有幅度和出現(xiàn)時(shí)間不同的信號(hào)，它們的匹配濾波器是相同的。</p><p>　　(3) 匹配濾波器與相關(guān)接收和相關(guān)器具有等效性。</p><p>　　實(shí)際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個(gè)射頻脈沖的頻譜是連續(xù)

74、的，用普通的窄帶濾波器就能把其主峰部分(w 附近)濾波出來(lái)，適當(dāng)?shù)倪x擇濾波器的通帶寬度就能取得與匹配濾波器相差不多的效果。</p><p>　　圖 4.7 信號(hào)放大器原理圖</p><p>　　接收放大器的作用是放大有用信號(hào)，并抑止其它噪聲與干擾，從而達(dá)到最大的信噪比，以利于檢測(cè)電路的正確檢測(cè)。放大器組成框圖如圖 4.7，采用三級(jí)放大電路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使輸入信號(hào)功率最大。

75、帶通放大器選擇最佳時(shí)間帶寬積，以達(dá)到匹配濾波的效果。模擬開(kāi)關(guān)起收發(fā)隔離的作用。在測(cè)量近距離時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)閉合，發(fā)射信號(hào)可以進(jìn)入接收通道；測(cè)量遠(yuǎn)距離時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，發(fā)射信號(hào)不可以進(jìn)入接收通道。程控放大器分為 2 檔，分別放大 10 倍和 100 倍，由控制端 A1，A0 控制。</p><p>　　綜合以上四種方案比較，最后確定超聲波發(fā)射接收電路如圖4.8所示。該電路簡(jiǎn)單實(shí)用，通過(guò)兩極放大，增強(qiáng)接收信號(hào)，比較適合本

76、設(shè)計(jì)需要。</p><p>　　測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用壓電陶瓷傳感器，他的工作電壓是40kHZ的脈沖信號(hào)，前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行程序后，在P1.0端口輸出一個(gè)40kHZ的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHZ的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200μs。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，原理和前方測(cè)距相同。</p>&

77、lt;p>　　圖4.8基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射接收電路</p><p>　　由AT89C51單片機(jī)編程，執(zhí)行程序后P1.0 口產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，經(jīng)三極管放大后來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭UCM40T，產(chǎn)生超聲波。接收頭采用和發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器兩級(jí)放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率

78、f0=1/1.1R8C3,電容C4 決定其鎖定帶寬。調(diào)解R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號(hào)大于25mv，輸出端8腳由高電平越變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。</p><p>　　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)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INTO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

79、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。</p><p>　　發(fā)射電路電路圖如圖4.9所示：</p><p>　　圖4.9系統(tǒng)發(fā)射電路</p><p>　　此電路由一個(gè)9V的電源,R1=3.6K歐,R2=360歐,三極管T一個(gè),激勵(lì)換能器T40-16一個(gè)。</p><p>　　其流程圖如圖4.10所示：</p>

80、<p><b>　　圖4.10流程圖</b></p><p>　　發(fā)射電路原理：當(dāng)單片機(jī)AT89C51,通過(guò)P1.0這個(gè)I/O口,發(fā)送一系列的脈沖,經(jīng)過(guò)三極管T進(jìn)行放大,從而使T40-16這個(gè)激勵(lì)換能器發(fā)射出超聲波。</p><p>　　接收電路如4.11所示：</p><p>　　圖4.11接收電路圖</p><

81、p><b>　　其原理框圖如下：</b></p><p>　　圖4.12 原理框圖</p><p>　　此系統(tǒng)為了全方位測(cè)距，故有左、右、中三個(gè)測(cè)距電路，其電路都相同。</p><p>　　4.2 顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示報(bào)警單元是經(jīng)過(guò)超聲波發(fā)射接收電路及單片機(jī)AT89C51處理后把信號(hào)轉(zhuǎn)化為

82、人為可以知覺(jué)的數(shù)字顯示和報(bào)警響應(yīng)，以進(jìn)一步避免事故發(fā)生。顯示報(bào)警電路由顯示和報(bào)警兩部分電路組成，主要實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況下的顯示報(bào)警功能，以此提醒駕駛員。</p><p>　　4.2.1系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使LED 發(fā)光二極管，給出一

83、個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的 LCD 液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示的 LED 驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。由于全程顯示的距離范圍在 4 米之內(nèi)，用 3 個(gè) LED 數(shù)碼管表示距離的 cm數(shù)值。</p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的LED通

84、以恒定的電流，即每一位LED顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU開(kāi)銷小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。本設(shè)計(jì)選用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的I/O口。8155的PA口作為L(zhǎng)ED的字形輸出口，為提高顯示亮度，采用8路反相驅(qū)動(dòng)器74LS244驅(qū)動(dòng)；PC口作為L(zhǎng)ED的位選控制

85、口，采用共陽(yáng)極的LED顯示器，由于8段全亮?xí)r位控線的驅(qū)動(dòng)電流較大，采用6路反相驅(qū)動(dòng)器74LS06以提高驅(qū)動(dòng)能力。</p><p>　　圖4.13系統(tǒng)顯示電路</p><p>　　4.2.2系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)報(bào)警電路由一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)喇叭組成。R25的阻值為1K，R26的阻值為10K。對(duì)于二級(jí)運(yùn)算放大,都采用F007芯片.兩

86、級(jí)放大電路均是負(fù)反饋接法,即反相比例運(yùn)算電路.而反相比例運(yùn)算電路中,輸入信號(hào)從反相輸入端輸入,同相輸入端接地.根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所謂“虛短”是由于理想集成運(yùn)放Au0。所以可以認(rèn)為兩個(gè)輸入端之間的差模電壓近似為零，即Uid=u_=u+0.即u_=u+,而u0具有一定值。由于兩個(gè)輸入端間的電壓為零，而又不是短路，故稱為“虛短”。而“虛斷”是由于理想集成運(yùn)放的輸入電阻Rid，故可以認(rèn)為

87、輸入端不取電流，即i_=i+0.這樣，輸入端相當(dāng)于斷路，而又不是斷開(kāi)，稱為“虛斷”。而電路中，反相輸入端與地端等電位，但又不是真正接地，這種情況稱為“虛地”。</p><p>　　所以iI=,iF==，因?yàn)閕_=0,iI=if,則可得u0=-uI.故可將信號(hào)進(jìn)行放大。</p><p>　　圖4.14 系統(tǒng)報(bào)警電路</p><p>　　當(dāng)單片機(jī)AT89C51通過(guò)P1.

88、0，P1.1，P1.2三個(gè)I/O口，發(fā)射出超聲波的信號(hào)，即輸出一個(gè)高電平給這三個(gè)I/O口，大約5V的電壓，同時(shí)單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。則信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管T1，T2，T3進(jìn)行放大。使電流達(dá)到T40-16的工作電流，從而發(fā)射出超聲波。</p><p>　　當(dāng)T40-16發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射回來(lái)，這時(shí)接收器R40-16便會(huì)將反射回來(lái)的超聲波接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的兩極放大，將信號(hào)送給LM5

89、67的輸入端，當(dāng)LM567的輸入端電流大于25mA時(shí)，其8號(hào)輸出引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，使得單片機(jī)AT89C51產(chǎn)生一個(gè)中斷。這樣，計(jì)數(shù)器便停止計(jì)數(shù)。單片機(jī)把計(jì)得的時(shí)間差進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)S=170*t這個(gè)公式來(lái)計(jì)算車與障礙物的距離，并把運(yùn)算結(jié)果以十進(jìn)制的方式送到七段LED顯示電路去顯示。如果距離小于0.5m，則單片機(jī)AT89C51便給P1.5口一個(gè)信號(hào)，使得報(bào)警電路工作，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。</p><p>　　4.3單片機(jī)復(fù)位

90、電路</p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。</p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠

91、地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST保持高電平。只要RST保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。</p><p>　　單片機(jī)復(fù)位電路通常采用以下幾種方式：</p><p><b>　　a、上電自動(dòng)復(fù)位</b></p><p>　　在通電瞬間，由于R·C電路充電過(guò)程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機(jī)復(fù)位。</p><p

92、>　　圖4.15上電復(fù)位電路</p><p><b>　　b、按鍵電平復(fù)位</b></p><p>　　通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的。</p><p><b>　　c、系統(tǒng)復(fù)位</b></p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接

93、入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。這特別適合于應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)干擾大、電壓波動(dòng)大的工作環(huán)境，并且，當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)復(fù)位端時(shí)，能保證可靠地同步復(fù)位。</p><p>　　考慮本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，干擾小，故采用上電自動(dòng)復(fù)位。</p><p><b>　　4.4時(shí)鐘電路</b></p><p>　　時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同

94、步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作 。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體管的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳X2，在芯片的外部通過(guò)這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。</p><p><b>　　圖4.16晶振電路</b&g

95、t;</p><p>　　電路中的C1和C2一般取30PF左右，而晶體振蕩器的頻率范圍通常是1.2～12MHz，而電路中采用6MHz，晶體振蕩器的頻率越高，振蕩頻率就越高。</p><p><b>　　4.5穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　大部分的電子電路與電子設(shè)備都需要有一個(gè)穩(wěn)定的直流電源提供能量，而且對(duì)于我們通常所接觸的控制器而言，一

96、般都是利用電網(wǎng)提供的交流電源，經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓后，濾去其不穩(wěn)定的脈動(dòng)、干擾成分，提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，來(lái)使電子電路與電子設(shè)備保持正常的工作。并且，我們目前絕大部分電子電路與電子設(shè)備都是使用線性電源，即通過(guò)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的直流電壓給電子電路及芯片工作的。固定式三端穩(wěn)壓電源(7805)是由輸出腳Vo,輸入腳Vi和接地腳GND組成,它的穩(wěn)壓值為+5V,它屬于CW78xx系列的穩(wěn)壓器,輸入端接電容可以進(jìn)一步的濾波,輸出端

97、也要接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響,此電路的穩(wěn)定性也比較好。由于固定式三端穩(wěn)壓電源（7805）的輸出電流有1.5A，而本次設(shè)計(jì)電路電流在1A到2A之間，考慮到電路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次設(shè)計(jì)電源電路需要采用擴(kuò)流電路，如圖4-17。</p><p><b>　　圖 4-17</b></p><p>　　采用外接PNP型大功率管的方法，這是一種最基本的擴(kuò)展電流電路

98、，擴(kuò)展的輸出電流取決于外接功率管的電流負(fù)載量，電路中的R1是VT的偏置電阻，為VT1提壓導(dǎo)通時(shí)的基極偏壓，VT與集成穩(wěn)壓器內(nèi)電路中的NPN型調(diào)整管組成復(fù)合管，設(shè)Ir為流過(guò)電阻R1中的電流，Ic為流過(guò)外接調(diào)整管的集電極電流，Td為7805的靜態(tài)工作電流，這時(shí)7805的輸出電流為Ioxx，可表示為式中為VT的電流放大系數(shù)，穩(wěn)壓擴(kuò)展后的輸出電流Io可表示為。因?yàn)?805的的最大輸出電流為1.5A，當(dāng)Io取1.5A時(shí)，則穩(wěn)壓器的擴(kuò)展后的輸出電流

99、為3A，加一只二極管VD與R1并聯(lián)，把外接整流管的VT1的發(fā)射結(jié)電阻限制在0.7V以內(nèi)，當(dāng)輸出電流超過(guò)額定植時(shí)，保護(hù)電阻R2上的壓降增大，必然會(huì)使VT1的Vbe減小，從而使VT1的輸出電流減小，以至不導(dǎo)通，這樣便達(dá)到了保護(hù)外接管的目的。電路中的VT1可選用3CD6等PNP型硅低頻大功率管。</p><p>　　第5章 系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　5.1 單片機(jī)硬件介紹</

100、p><p>　　5.1.1單片機(jī) AT89C51介紹</p><p>　　AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kB的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT8

101、9C51提供了高性價(jià)比的解決方案。    AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。</p><

102、p>　　I/O 端口的編程實(shí)際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對(duì) I/O 寄存器進(jìn)行編程。具體步驟如下：</p><p>　　(1) 根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 偽指令定義其相應(yīng)的寄存器；</p><p>　　(2) 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時(shí)的開(kāi)始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作；</p><p&

103、gt;　　(3) 根據(jù)外圍電路功能，確定 I/O 端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對(duì)于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因?yàn)?I/O 的復(fù)位缺省值為輸入；</p><p>　　(4) 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過(guò)輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻；</p><p>　　(5) 最后對(duì) I/O 端口進(jìn)行輸出(寫(xiě)數(shù)據(jù)輸出寄存器)和輸入(讀端口)編程，完成對(duì)外圍電路的

104、相應(yīng)功能。</p><p>　　圖5.1 AT89C51單片機(jī)芯片</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，各接口功能如下：</p><p>　　P1.0: 產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)。（用于前方測(cè)距電路）</p><p>　　P1.1: 產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)。（用于右側(cè)測(cè)距電路）</p><p>　　

105、P1.2: 產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)。（用于左側(cè)測(cè)距電路）</p><p>　　INT0: 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，接前方測(cè)距電路。</p><p>　　INT1: 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，接前方測(cè)距電路。</p><p>　　P1.3: 接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。</p><p>　　P1.4: 接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。&

106、lt;/p><p>　　P0.0: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.1: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.2: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.3: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.4: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><

107、p>　　P0.5: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.6: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.7: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P2.7: 接報(bào)警電路</p><p>　　P2.0: 接報(bào)警電路</p><p>　　P2.1: 接報(bào)警電路</p>

108、<p>　　XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，些引腳應(yīng)接地。</p><p>　　XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。</p><p>　　RST：AT89C51 的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電

109、位工作，當(dāng)要對(duì)芯片又時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。</p><p><b>　　8155芯片介紹</b></p><p>　　圖5.2 8155芯片</p><p><b>　　8155引腳功能：</b&