畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于單片機控制的汽車倒車?yán)走_(dá)實時超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計.doc

1 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校 畢業(yè)設(shè)計 論文 畢業(yè)設(shè)計 論文 題題 目 目 基于單片機控制的汽車倒車?yán)谆趩纹瑱C控制的汽車倒車?yán)?達(dá)實時超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計達(dá)實時超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 系系 別 別 電子信息工程系電子信息工程系 專專 業(yè) 業(yè) 應(yīng)應(yīng) 用用 電子技術(shù)電子技術(shù) 班班 級 級 應(yīng)應(yīng) 電電 0 9 班班 姓姓 名 名 學(xué)學(xué) 號 號 指導(dǎo)教師 職稱 指導(dǎo)教師 職稱 日日 期 期 2012 年年 2 月月 20 日日 2 摘摘 要要 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通運輸業(yè)日益興旺 汽車的數(shù)量大幅攀升 交通擁擠狀 況也日益嚴(yán)重 撞車事件屢屢發(fā)生 造成了不可避免的人生傷亡和經(jīng)濟(jì)損失 針對 這種情況 設(shè)計一種響應(yīng)快 可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢在必行 超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法 本文介紹的就是利用超聲波測距法設(shè) 計的一種倒車防撞報警系統(tǒng) 控制系統(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制 因此 設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了 本設(shè)計采用以 AT89C51 單片機為核心的低成本 高精度 微型化數(shù)字顯示超 聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法 整個電路采用模塊化設(shè)計 由主程序 預(yù) 置子程序 發(fā)射子程序 接收子程序 顯示子程序等模塊組成 各探頭的信號經(jīng)單 片機綜合分析處理 實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能 在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體 方案 最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊 相關(guān)部分附有硬件電路圖 程序 流程圖 設(shè)計通過多種發(fā)射接收電路設(shè)計方案比較 得出了最佳設(shè)計方案 并對系統(tǒng)各 個單元的原理進(jìn)行了介紹 對組成系統(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)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能 最后 通過 對系統(tǒng)的誤差分析 給出了較完善的方案 關(guān)鍵詞 AT89C51 超聲波 測距 3 Abstract With the development of science and technology the improvement of people s standard of living speeding up the development and construction of the city urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving However due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time the city drainage system In particular drainage system often lags behind urban construction Therefore there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon It brought to the city sewage and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system comfort is very important to people s lives Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot the robot is designed to clear the culvert sewage to the core Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder Therefore it is very important to design a good ultrasonic range finder At the core of the design using AT89C51low cost high accuracy Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods Modular design of the whole circuit from the main program pre subroutine fired subroutine receive subroutine display subroutine modules form SCM comprehensive analysis of the probe signal processing and the ultrasonic range finder function On the basis of the overall system design hardware and software by the end of each module The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified the anti disturbance competence is powerful and the real time capability is satisfactory and by extension and upgrade this system can resolve the problem of the car availably building construction the position of the workplace and some industries spot supervision Key words AT89C31 Silent Wave Measure Distance 4 目目 錄錄 摘 要 I Abstract II 緒 論 1 I 1 課題設(shè)計的目的及其意 義 1 I 2 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計思 路 1 I 3 課題設(shè)計的任務(wù)和要 求 3 1 課題的方案設(shè)計與論 證 4 1 1 系統(tǒng)整體方案的設(shè) 計 4 1 2 系統(tǒng)整體方案的論 證 4 2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè) 計 5 4 2 1 單片機的功能特點及測距原 理 5 2 2 超聲波發(fā)射電路的設(shè) 計 6 2 3 超聲波接收電路的設(shè) 計 7 2 4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè) 計 8 3 系統(tǒng)軟件的設(shè) 計 9 3 1 超聲波測距儀的算法設(shè) 計 9 3 2 主程序流程 圖 10 3 3 超聲波發(fā)生子程序與超聲波接受中斷程 序 11 3 4 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào) 試 12 總 結(jié) 13 致 6 謝 14 參考文 獻(xiàn) 15 附 錄 一 超聲波測距電路原理 圖 16 附 錄 二 超聲波測距電路版 圖 附 錄 三 程序清 單 17 1 緒論 1 課題設(shè)計的目的及意義 1 1 設(shè)計的目的 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展 超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣 但就目前技 術(shù)水平來說 人們可以利用的測距技術(shù)還十分有限 因此 這是一個正在蓬勃發(fā)展 而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域 展望未來 超聲波測距儀作為一種新型的非常 重要有用的工具 在各方面都將有很大的發(fā)展空間 它將朝著更加高定位高精度的 方向發(fā)展 以滿足日益發(fā)展的社會需要 如倒車?yán)走_(dá) 工地及工業(yè)現(xiàn)場 聲納探測 等方面都有其廣泛的應(yīng)用 經(jīng)濟(jì) 軍事 文化方面都有重要的應(yīng)用價值 毋庸置疑 未來的超聲波測距儀將于自動化智能化接軌 與其他的測距儀集成和融合 形成多 測距儀 隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步 測距儀從具有單純判斷動能 發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功 能 最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力 在新的世紀(jì)里 面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用 1 2 設(shè)計的意義 隨著社會飛速發(fā)展 人們生活水平的不斷提高 汽車愈來愈成為人們不可缺少 的最常用的交通工具 交通安全問題變的日益嚴(yán)重 而通過研究汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng) 可以達(dá)到很高的采集速率和精度 汽車倒車時可以檢測車輛后面的障礙物 并顯示 其距離 至危險區(qū)域后會自動報警 本設(shè)計綜合了電子技術(shù) 計算機技術(shù) 數(shù)據(jù)處 理技術(shù)等知識 設(shè)計利用單片機控制的汽車倒車?yán)走_(dá)超聲波測距系統(tǒng) 實現(xiàn)汽車倒 車的安全保障 這就是我設(shè)計的意義 2 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計思路 2 1 超聲波測距原理 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF time of filght 它通過不斷檢測 超聲波發(fā)射后遇到障礙物所發(fā)射的回波 從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 T 然 后求出距離 S 一般采用渡越時間發(fā) 即 S CT 2 其中 S 為測量點與被測物體之 間的距離 C 為聲波在介質(zhì) 此處指空氣 中的傳播速度 T 為超聲波發(fā)射到返回 的時間間隔 由于超聲波也是一種聲波 其聲速 C 與空氣溫度有關(guān) 一般來說 溫度每升高 2 1 攝氏度 聲速增加 0 6 米 秒 下表列出了幾種溫度下的聲速關(guān)系 超聲波波速與溫度的關(guān)系表 在進(jìn)行計算時 如果溫度變化不大 則可認(rèn)為聲速 C 是基本不變的 計算時取 C 為 340M S 如果測距精度要求很高 則可通過改變硬件電路增加溫度補償?shù)姆?法或者在硬件電路基本不變的情況下 通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正 如果 環(huán)境溫度變化顯著 則必須考慮溫度補償問題 聲速確定后 只要測得超聲波往返 的時間 即可求得距離 2 2 超聲波測距原理框圖 超聲波發(fā)射器 放大電路超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時器 單片機 控制 顯示器 圖 1 1 超聲波測距儀原理框圖 單片機發(fā)出 40kHZ 的信號 經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出 超聲波接收器將 接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大 用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后 啟動單片機中 斷程序 測得時間為 t 再由軟件進(jìn)行判別 計算 得出距離數(shù)并送 LED 顯示 溫度 30 20 100102030100 聲速 m s 313319325323338344349386 3 3 設(shè)計的任務(wù)和要求 3 1 設(shè)計任務(wù) 利用 8051 單片機 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路 環(huán)境溫度采集電路等 電路組成實時超聲波測距系統(tǒng) 實現(xiàn)汽車倒車距離顯示與控制 3 2 設(shè)計技術(shù)要求 1 距離測量范圍 5 150cm 2 測量誤差 5 3 倒車距離 20cm 時自動報警 3 3 設(shè)計內(nèi)容 1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 包括 超聲波發(fā)射 超聲波接收 顯示部分 2 軟件程序流程設(shè)計 3 4 設(shè)計成果 1 1 5 2 萬字設(shè)計說明書 1 份 2 主程序清單和子程序流程 3 元器件選擇與計算 4 1 課題的方案設(shè)計與論證 1 1 系統(tǒng)整體方案是設(shè)計 由于超聲波指向性強 能量消耗緩慢 在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn) 因而超聲波 經(jīng)常用于距離的測量 利用超聲波檢測距離 設(shè)計比較方便 計算處理也較簡單 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 一類是用機械方式 產(chǎn)生超聲波 本設(shè)計屬于近距離測量 可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn) 利用超聲波測距原理 測量汽車倒車時的安全距離 當(dāng)車輛與后方車輛的距離 小于安全距離時 發(fā)出聲光報警 并顯示車輛與后方車輛的距離 提醒駕駛員及時 采取減速 制動等措施 從而達(dá)到避免車輛與后方車輛的碰撞等事故 整個系統(tǒng)由 超聲波發(fā)射 超聲波接收 51 單片機控制系統(tǒng) 距離顯示等設(shè)備組成 1 2 系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受 根據(jù)超聲波傳播的時間來計算 出傳播距離 實用的測距方法有兩種 一種是在被測距離的兩端 一端發(fā)射 另一 端接收的直接波方式 一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式 適用于 測距儀 本設(shè)計采用反射波方式 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇 超聲波傳感器是一種采用壓電 效應(yīng)的傳感器 常用的材料是壓電陶瓷 由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(dāng)?shù)乃?減 衰減的程度與頻率的高低成正比 而頻率高分辨率也高 故短距離測量時應(yīng)選 擇頻率高的傳感器 而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器 2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路 超聲波發(fā)射電路和超聲波接 收電路三部分 單片機采用 AT89C51 單片機 采用 12MHz 高精度的晶振 以獲得 較穩(wěn)定時鐘頻率 減小測量誤差 單片機用 P1 0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號 利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號 顯示電 路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管 段碼用 74LS244 驅(qū)動 位碼用 PNP 三極 5 管 8550 驅(qū)動 2 1 51 系列單片機的功能特點及測距原理 2 1 1 51 系列單片機的功能特點 51系列單片機中典型芯片 AT89C31 采用 40 引腳雙列直插封裝 DIP 形式 內(nèi) 部由 CPU 4kB 的 ROM 256 B 的 RAM 2 個 16b 的定時 計數(shù)器 TO 和 T1 4 個 8 b 的工 O 端 I IP0 P1 P2 P3 一個全雙功串行通信口等組成 特別是該 系列單片機片內(nèi)的 Flash 可編程 可擦除只讀存儲器 E PROM 使其在實際中有著 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 5l 系列單片機提供以下功能 4 kB 存儲器 256 BRAM 32 條工 O 線 2 個 16b 定時 計數(shù)器 5 個 2 級中斷源 1 個全雙向的串行口以及時鐘電路 空閑方式 CPU 停止工作 而讓 RAM 定時 計數(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 5l 系列單片機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距系統(tǒng) 該系列單片機引腳與封裝如圖 2 1 所示 6 5l 系列單片機提供以下功能 4 kB 存儲器 256 BRAM 32 條工 O 線 2 個 16b 定時 計數(shù)器 5 個 2 級中斷源 1 個全雙向的串行口以及時鐘電路 空閑方式 CPU 停止工作 而讓 RAM 定時 計數(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 5l 系列單片機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距系統(tǒng) 2 1 2 單片機實現(xiàn)測距原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波 從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t 然后求出距離S Ct 2 C為超聲波波速 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個因素 超聲波的幅度 反射的質(zhì)地 反射 和入射聲波之間的夾角及接收換能器的靈敏度 接收換能器對聲波脈沖的直接接收 能力將決定最小的可測距離 由于超聲波屬于聲波范圍 其波速 C 與溫度有關(guān) 2 2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 2 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 P1 0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向 器后送到超聲波換能器的一個電極 另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另 一個電極 用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端 可以提高超聲波 的發(fā)射強度 輸出端采兩個反向器并聯(lián) 用以提高驅(qū)動能力 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 縮短其自由振蕩時間 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的 超聲波換能器內(nèi)部有兩 個壓電晶片和一個換能板 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號 其頻率等于壓電晶片的固有 振蕩頻率時 壓電晶片會發(fā)生共振 并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波 這時它就是一 個超聲波發(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 將 壓迫壓電晶片作振動 將機械能轉(zhuǎn)換為電信號 這時它就成為超聲波接收換能器 7 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 使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的 超聲波換能器內(nèi)部有兩 個壓電晶片和一個換能板 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號 其頻率等于壓電晶片的固有 振蕩頻率時 壓電晶片會發(fā)生共振 并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波 這時它就是一 個超聲波發(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 將 壓迫壓電晶片作振動 將機械能轉(zhuǎn)換為電信號 這時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 使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志 2 3超聲波接收電路的設(shè)計 集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片 常用于電視機紅外遙控 接收器 考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接 近 因為當(dāng)CX20106A接受到40KHZ的信號時 會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖 這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入 可以利用它制作超聲 波接收電路 如圖2 3 實驗證明用CX20106A接收超聲波 無信號時輸出高電平 具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力 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 2 2 超聲波發(fā)射電路原理圖 8 圖2 3 超聲波接收電路 CX20106A 的引腳注釋 l 腳 超聲波信號輸入端 該腳的輸入阻抗約為 40k 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 增大電阻 R 或減小 C 將使負(fù)反饋量增大 放大倍數(shù)下降 反之則放大倍數(shù)增大 但 C 的改變會影響到頻 率特性 一般在實際使用中不必改動 推薦選用參數(shù)為 R 4 7 C 3 3 F 3 腳 該腳與 GND 之間連接檢波電容 電容量大為平均值檢波 瞬間相應(yīng)靈敏度 低 若容量小 則為峰值檢波 瞬間相應(yīng)靈敏度高 但檢波輸出的脈沖寬度變動大 易造成誤動作 推薦參數(shù)為 3 3 F 4 腳 接地端 5 腳 該腳與電源端 VCC 接入一個電阻 用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0 阻 值越大 中心頻率越低 例如 取 R 200k 時 fn 42kHz 若取 R 220k 則 中心頻率 f0 38kHz 6 腳 該腳與 GND 之間接入一個積分電容 標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF 如果該電容取得太 大 會使探測距離變短 7 腳 遙控命令輸出端 它是集電極開路的輸出方式 因此該引腳必須接上一個上 拉電阻到電源端 該電阻推薦阻值為 22k 沒有接收信號時該端輸出為高電平 有信號時則會下降 8 腳 電源正極 4 5V 5V 2 4 74ls164 74ls164 是 8 位串入 并出移位寄存器 74HC164 74HCT164 是高速硅門 CMOS 器件 與低功耗肖特基型 TTL LSTTL 器件的引腳兼容 74HC164 74HCT164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器 串行輸入數(shù)據(jù) 然后并行輸出 數(shù)據(jù)通過兩個輸入端 DSA 或 DSB 之一串行輸入 任一輸入端可以用作高電平使能端 控制另一輸入 端的數(shù)據(jù)輸入 兩個輸入端或者連接在一起 或者把不用的輸入端接高電平 一定 不要懸空 9 時鐘 CP 每次由低變高時 數(shù)據(jù)右移一位 輸入到 Q0 Q0 是兩個數(shù)據(jù)輸 入端 DSA 和 DSB 的邏輯與 它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度 主復(fù)位 MR 輸入端上的一個低電平將使其它所有輸入端都無效 同時非同步 地清除寄存器 強制所有的輸出為低電平 圖 3 4 74ls164 引腳圖 3 5 24C02 串行 E2PROM 是基于 I2C BUS 的存儲器件 遵循二線制協(xié)議 由于其具有接口 方便 體積小 數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點 在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量 的應(yīng)用 隨著世界上各公司對該器件的開發(fā) 市場上推出了許多牌號的 24C02 器件 甚至還有一些冒牌的 24C02 器件 這樣就使批量生產(chǎn)的單片機控制系統(tǒng)的質(zhì)量出現(xiàn) 時好時壞的問題 筆者經(jīng)過大量的設(shè)計實踐和試驗摸索找出了 24C02 在應(yīng)用中之所 以出現(xiàn)數(shù)據(jù)被沖掉的原因 并總結(jié)了一套保護(hù) 24C02 數(shù)據(jù)安全的軟硬件設(shè)計方法 24C02 與單片機的接口非常簡單 如下圖所示 圖 3 5 24C02 引腳圖 10 3 6 LM358 LM358 里面包括有兩個高增益 獨立的 內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器 適用 于電壓范圍很寬的單電源 而且也適用于雙電源工作方式 它的應(yīng)用范圍包括傳感 放大器 直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運放的地方使用 圖 3 6 LM358 引腳圖及引腳功能 LM358 封裝有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式兩種 LM358 的特點 內(nèi)部頻率補償 低輸入偏流 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 共模輸入電壓范圍寬 包括接地 差模輸入電壓范圍寬 等于電源電壓范圍 直流電壓增益高 約 100dB 單位增益頻帶寬 約 1MHz 電源電壓范圍寬 單電源 3 30V 雙電源 1 5 一 15V 低功耗電流 適合于電池供電 輸出電壓擺幅大 0 至 Vcc 1 5V 3 7 LM567 LM567 為通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器 LM567 的內(nèi)部電路及詳細(xì)工作過程非 常復(fù)雜 這里僅將其基本功能概述如下 當(dāng) LM567 的 腳輸入幅度 25mV 頻率 在其帶寬內(nèi)的信號時 腳由高電平變成低電平 腳輸出經(jīng)頻率 電壓變換的調(diào)制 11 信號 如果在器件的 腳輸入音頻信號 則在 腳輸出受 腳輸入調(diào)制信號調(diào)制的 調(diào)頻方波信號 用外接元件獨立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲 主要用于振蕩 調(diào) 制 解調(diào) 和遙控編 譯碼電路 如電力線載波通信 對講機亞音頻譯碼 遙控等 功能介紹 腳通常分別通過一電容器接地 形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級低通濾波網(wǎng)絡(luò) 腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬 電容值越大 環(huán)路帶寬越窄 腳所接電 容的容量應(yīng)至少是 腳電容的 2 倍 腳是輸入端 要求輸入信號 25mV 腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率 f2 f2 1 1 1RC 腳是邏輯輸出端 其內(nèi)部是一個集電極開路的三極管 允許最大灌電流為 100mA LM567 的工作電壓為 4 75 9V 工作頻率從直流到 500kHz 靜態(tài)工作電流約 8mA 圖 3 7 LM567 的典型應(yīng)用 12 2 4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時 間的計時 單片機選用 AT89C51 經(jīng)濟(jì)易用 且片內(nèi)有 4K 的 ROM 便于編程 電路原理圖另附 3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序 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 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法 匯編語言程序則具 有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運行的時間 在超聲波測距儀的程序設(shè)計中 計算 距離時較為復(fù)雜 程序運行時間的計算又較為精細(xì) 控制程序的編程只使用一種語 言編寫并不理想 所以該程序采用 C 語言和匯編語言混合編程 3 13 1 超聲波測距儀的算法設(shè)計超聲波測距儀的算法設(shè)計 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號 當(dāng)這個 超聲波遇到被測物體后反射回來 就被超聲波接收器 R 所接收到 這樣只要計算出 從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間 就可算出超聲波發(fā)生器與反射物 體的距離 距離的計算公式為 d s 2 c t 2 其中 d 為被測物與測距儀的距離 s 為聲波的來回的路程 c 為聲速 t 為聲波來 回所用的時間 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0 利用定時器 的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間 當(dāng)收到超聲波反射波時 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變 在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號 單片 機響應(yīng)外部中斷請求 執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序 讀取時間差 計算距離 3 23 2 主程序流程圖主程序流程圖 軟件分為兩部分 主程序和中斷服務(wù)程序 如圖 3 1 a b c 所示 主 程序完成初始化工作 各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制 13 定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射 外部中斷服務(wù)子程序主要 完成時間值的讀取 距離計算 結(jié)果的輸出等工作 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化 設(shè)置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(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 序送出一個超聲波脈沖 為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波 觸發(fā) 需要延時約 0 1 ms 這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因 后 才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號 由于采用的是 12 MHz 的晶 振 計數(shù) 器每計一個數(shù)就是 1 s 當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后 將計數(shù)器 T0 中的 數(shù) 即超聲波來回所用的時間 按式 2 計算 即可得被測物體與測距儀之間的 距離 設(shè)計時取 20 時的聲速為 344 m s 則有 d c t 2 172T0 10000cm 2 其中 T0 為計數(shù)器 T0 的計算值 測出距離后結(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)測量過程 為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離 主程序采用 C 語言 編寫 14 3 33 3 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 個左右超聲波脈沖信號 頻率 約 40kHz 的方波 脈沖寬度為 12 s 左右 同時把計數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計時 超聲 波發(fā)生子程序較簡單 但要求程序運行準(zhǔn)確 所以采用匯編語言編程 超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號 一旦接收到返回超聲 波信號 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 時器 T0 停止計時 并將測距成功標(biāo)志字賦值 1 如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超 聲波返回信號 則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉 并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口 中斷優(yōu)先 級最高 左 右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口 同時 單片機 P1 3 和 P1 4 接到 IC3A 的輸入端 中斷源的識別由程序查詢來處理 中斷 優(yōu)先級為先右后左 3 43 4 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試 超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單 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 TCT40 10S1 R 接收 中心頻率為 40kHz 安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 4 8cm 其余元件無特殊要求 若能 將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來 則可提高抗干擾能力 根據(jù)測量范圍要求不 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試運行 根據(jù) 實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量的間隔時間 以適應(yīng)不同距離的測量需要 根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序 測距儀能測的范圍為 0 07 5 5m 測距儀最大誤差不超過 1cm 系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致 性進(jìn)行多次實驗分析 不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求 軟件的調(diào)試程序見附錄一 15 總總 結(jié)結(jié) 由于時間和其它客觀上的原因 此次設(shè)計沒有做出實物 但是對設(shè)計有一個很 好的理論基礎(chǔ) 設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波 實現(xiàn)超聲波的 發(fā)送與接收 從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離 以數(shù)字的形式顯示測量 距離 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受 根據(jù)超聲波傳播的時間來計算 出傳播距離 實用的測距方法有兩種 一種是在被測距離的兩端 一端發(fā)射 另一 端接收的直接波方式 適用于身高計 一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射 波方式 適用于測距儀 此次設(shè)計采用反射波方式 超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括 AT80C51 單片機系統(tǒng)及顯示電路 超聲 波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分 單片機采用 AT89C51 其兼容系列 采用 12MHz 高精度的晶振 以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率 減小測量誤差 單片機用 P1 0 端口 輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號 利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路 輸出的返回信號 顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管 段碼用 74LS244 驅(qū)動 位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動 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 P1 0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電 極 另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極 用這種推換形式將方 波信號加到超聲波換能器的兩端 可以提高超聲波的發(fā)射強度 輸出端采兩個反向 器并聯(lián) 用以提高驅(qū)動能力 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 蕩時間 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的 超聲波換能器內(nèi)部 有兩個壓電晶片和一個換能板 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號 其頻率等于壓電晶片的 固有振蕩頻率時 壓電晶片會發(fā)生共振 并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波 這時它就 是一個超聲波發(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 將壓迫壓電晶片作振動 將機械能轉(zhuǎn)換為電信號 這時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 使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志 16 超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成 它是一款紅外線檢波接 收的專用芯片 常用于電視機紅外遙控接收器 考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近 可以利用它制作超聲波檢測接收電路 實驗證明用CX20106A接收超聲波 無信號時輸出高電平 具有很好的靈敏度和較強 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 超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序 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 語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法 匯編語言 程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運行的時間 而超聲波測距儀的程序既 有較復(fù)雜的計算 計算距離時 又要求精細(xì)計算程序運行時間 超聲波測距時 所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程 主超聲波測距儀主程序利用外中 斷 0 檢測返回超聲波信號 一旦接收到返回超聲波信號 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)閉計時器 T0 停止計時 并將測距成功標(biāo) 志字賦值 1 如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號 則定時器 T0 溢出中 斷將外中斷 0 關(guān)閉 并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功 前方測 距電路的輸出端接單片機 INT0 端口 中斷優(yōu)先級最高 左 右測距電路的輸出通 過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口 同時單片機 P1 3 和 P1 4 接到 IC3A 的輸 入端 中斷源的識別由程序查詢來處理 中斷優(yōu)先級為先右后左 超聲波測距的算法設(shè)計原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號 當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來 就被超聲波接收器 R 所接收到 這樣只要 計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間 就可算出超聲波發(fā)生器與 反射物體的距離 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0 利用定時器 的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間 當(dāng)收到超聲波反射波時 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變 在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號 單片 機響應(yīng)外部中斷請求 執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序 讀取時間差 計算距離 在元件及調(diào)制方面 由于采用的電路使用了很多集成電路 外圍元件不是很多 所以調(diào)試應(yīng)該不會太難 一般只要電路焊接無誤 稍加調(diào)試應(yīng)該會正常工作 電路 中除集成電路外 對各電子元件也無特別要求 根據(jù)測量范圍要求不同 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 17 致致 謝謝 首先 我要感謝我的導(dǎo)師吳繼群老師在畢業(yè)設(shè)計中對我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格 要求 同時也要感謝學(xué)校其他老師在我畢業(yè)設(shè)計種給我的幫助和支持 在我畢業(yè)論 文設(shè)計期間 各位老師在無論是在生活還是專業(yè)知識上都給我提供了很大的幫助 在你們的幫助和關(guān)懷 我才得以順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計 借此機會 向各位老師 表示由衷的感謝 其次 我還要感謝畢業(yè)小組的各位成員 在畢業(yè)設(shè)計的短短幾月里 你們無私 的向我提出很多寶貴的意見 給了我不少幫助 在此也衷心的謝謝你們 最后我要感謝我親愛的家人 是他們默默的支持我 鼓勵我 在我成長和求學(xué) 的道路上為我指明前進(jìn)的方向 在生活和學(xué)習(xí)上給予我無私的愛 是我有信心面對 一切 走出大學(xué)的校園 踏上社會的征途 在此 對于給予我?guī)椭娜?我無法一一列舉 在此一并對你們表示真心的謝 意 18 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 單片機原理及其接口 胡漢才 北京 清華大學(xué)出版社 2004 2 第 2 版 2 基于 DSP 的多超聲測距數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) 葉濤 陳紅軍 楊國勝 侯增廣 譚 民 電子技術(shù)應(yīng)用 2004 12 28 3 李華 MCU 51 系列單片機實用接口技術(shù) 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 1993 6 4 陳光東 單片機微型計算機原理與接口技術(shù) 第二版 武漢 華中理工大學(xué)出版社 1999 4 5 蘇長贊 紅外線與超聲波遙控 北京 人民郵電出版社 1993 7 6 梁立編 程序設(shè)計基礎(chǔ)與 C 語言 陜西 西安電子科技大學(xué)出版社 1998 19 附附 錄錄 附錄一 XTAL1 P3 0 P3 2 P3 4 P3 5 P2 0 VCC P2 3 P2 2 GNDXTAL2 P3 2 A0 A1 A2 GNDSDA SDL WP VCC 24C02 VCC Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 A B CLK GND VCC MR VCC Q7 AT89C51 OUT RT IN OFI1 Lfi1 GND Ct V OUT1 IN IN IN2 OUT2 IN2 GND VCC D LED R RES2 20k 152 104k VCC 10K LM358 LM567 1uF 2 2k 220K 10K 22K 1uF 2 2K 分 分分 分 30pf 30pf R 1K R 1K 分 分分 分 R 4K7 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 7 6 5 4 2 1 4 3 14 7 9 1 2 8 10 11 15 21 40 24 23 12 4 3 2 1 5 6 7 8 8 5 3 1 2 7 6 7 6 1 2 5 3 19 14 4 8 超聲波測距電路原理圖 20 附錄三 程序清單 INCLUDE DEFINE K1 P3 4 DEFINE CSBOUT P3 5 超聲波發(fā)送 DEFINE CSBINT P3 7 超聲波接收 DEFINE CSBC 0 034 DEFINE BG P3 3 UNSIGNED CHAR CSBDS OPTO DIGIT BUFFER