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文檔簡介

1、開放性實驗報告實 驗 名 稱 超聲波預警系統 學 生 姓 名 學 號 系 、專 業(yè) 電氣工程系 指 導 教 師 2014年12月16日摘 要隨著科學技術的快速發(fā)展,超聲波將在科學技術中的應用越來越廣。本文對超聲波傳感器測距和測速的可能性進行了理論分析,利用模擬電子、數字電子、微機接口、超聲波換能器、以及超聲波在介質的傳播特性等知識,采用以STC89C52單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距的硬件電路和軟件設計方法在此基礎上設計了系統的總體方案,最后通過硬件和軟件實現了各個功能模塊。為了保證超聲波測距傳感器的可靠性和穩(wěn)定性,采取了相應的抗干擾措施。就超聲波的傳播特性,超聲波換能

2、器的工作特性、超聲波發(fā)射、接收、超聲微弱信號放大、波形整形、速度變換、語音提示電路及系統功能軟件等做了詳細說明.實現障礙物的距離測試、顯示和報警,超聲波測距范圍30CM-300CM,精度在一厘米左右。這套系統軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好,經過系統擴展和升級,可以用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現場,例如:測量液位、井深、管道長度等場合??梢詮V泛應用于工業(yè)生產、醫(yī)學檢查、日常生活、無人駕駛汽車、自動作業(yè)現場的自動引導小車、機器人、液位計等。關鍵詞: STC89C52,超聲波,LCD,距離測量,速度測量 目 錄1 引 言11.1 課題背景11.2 課題設計的意義:11.3 超聲波

3、測距在汽車上應用的介紹:12 課題的方案設計與論證32.1 系統總體設計32.2 設計方案的論證53 系統的硬件結構設計63.1 單片機的選擇63.2 發(fā)射電路的設計73.3 接收電路的設計84 系統軟件的設計94.1 超聲波汽車防撞電路的算法設計 104.2 主程序流程圖104.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序115 調試12總 結14參考文獻16附錄:17 1 引 言1.1 課題背景隨著經濟的發(fā)展與汽車科學技術的進步,公路交通呈現出行駛高速化、車流密集化和駕駛員非職業(yè)化的趨勢。同時,隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,汽車的產量和保有量都在急劇增加。但公路發(fā)展、交通管理卻相對落后,導

4、致了交通事故與日劇增,城市里尤其突出。智能交通系統ITS是目前世界上交通運輸科學技術的前沿技術,它在充分發(fā)揮現有基礎設施的潛力,提高運輸效率,保障交通安全,緩解交通賭塞,改善城市環(huán)境等方面的卓越效能,已得到各國政府的廣泛關注。中國政府也高度重視智能交通系統的研究開發(fā)與推廣應用。汽車防撞系統作為ITS發(fā)展的一個基礎,它的成功與否對整個系統有著很大的作用。從傳統上說,汽車的安全可以分為兩個主要研究方向:一是主動式安全技術,即防止事故的發(fā)生,該種方式是目前汽車安全研究的最終目的;二是被動式安全技術,即事故發(fā)生后的乘員保護。目前汽車安全領域被動安全研究較多,主要從安全氣囊、ABS(防抱死系統)和懸架等

5、方面著手,以保證駕乘人員的安全。從經濟性和安全性兩方面來說,這些被動安全措施是在事故發(fā)生時刻對車輛和人員進行保護,有很大的局限性,因而車輛的主動安全研究尤為重要,引出了本文研究的基于單片機的超聲波測距系統。這個系統是一種可向司機預先發(fā)出視聽語音信號的探測裝置。它安裝在汽車上,能探測企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物;能向司機及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險的信號,促使司機采取應急措施來應付特殊險情,避免損失。1.2 課題設計的意義隨著現代社會工業(yè)化程的發(fā)展,汽車這一交通工具正為越來越多的人所用,但是隨之而來的問題也顯而易見,那就是隨著車輛的增多,交通事故的頻繁發(fā)生,由此導致的人員傷亡和財產損失

6、數目驚人。對于公路交通事故的分析表明,80%以上的車禍事由于駕駛員反應不及所引起的,超過65%的車輛相撞屬于追尾相撞,其余則屬于側面相撞。奔馳汽車公司對各類交通事故的研究表明:若駕駛員能夠提早1S意識到有事故危險并采取相應的正確措施,則絕大多數的交通事故都可以避免。因此,大力研究開發(fā)如汽車防撞裝置等主動式汽車輔助安全裝置,減少駕駛員的負擔和判斷錯誤,對于提高交通安全將起到重要的作用。顯然,此類產品的研究開發(fā)具有極大的實現意義和廣闊的應用前景。1.3 超聲波測距在汽車上應用的介紹: 超聲波倒車測距儀( 俗稱電子眼)是汽車倒車防撞安全輔助裝置 ,能以聲音或者更為直觀的數字形式動態(tài)顯示周圍障礙物的情

7、況。其較早的產品是用蜂鳴器報警 ,蜂鳴聲越急 ,表示車輛離障礙物越近。后繼的產品可以顯示車后障礙物離車體的距離。其大多數產品探測范圍在0.41.5 m,有的產品能達到 0.352.5 m,并有距離顯示、聲響報警、區(qū)域警示和方位指示 ,有些產品還具備開機自檢功能。目前市場上還出現了具有語音報警功能的產品。這些產品存在的主要問題是測量盲區(qū)大 ,報警滯后 ,未考慮汽車制動時的慣性因素 ,使駕駛者制動滯后 ,抗干擾能力不強 ,誤報也較多。汽車防撞雷達之所以能實現防撞報警功能, 主要有超聲波這把無形尺子, 它測量最近障礙物的距離, 并告訴給車主。其實超聲測距原理簡單: 它發(fā)射超聲波并接收反射回波, 通過

8、單片機計數器獲得兩者時間差t, 利用公式S=Ct /2計算距離, 其中S為汽車與障礙物之間的距離, C為聲波在介質中的傳播速度。 本文介紹的超聲測距系統共有2只超聲波換能器( 俗稱探頭) , 分別布置在汽車的后左、后右2個位置上。能檢測前進和倒車方向障礙物距離, 通過后視鏡內置的顯示單元顯示距離和方位, 發(fā)出一定的聲響, 起到提示和警戒的作用。系統采用一片STC89C52單片機對兩路超聲波信號進行循環(huán)采集。超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段,必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收

9、器,但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化,即在發(fā)射超聲波的時候,將電能轉換,發(fā)射超聲波;而在收到回波的時候,則將超聲振動轉換成電信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF(time of flight)。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間,再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 。測量距離的方法有很多種,短距離的可以用尺,遠距離的有激光測距等,超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒,由單片機負責計時,單片機使用12.0M晶振,所以此系統的測

10、量精度理論上可以達到毫米級。 由于超聲波指向性強,能量消耗緩慢,在介質中傳播距離遠,因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離,設計比較方便,計算處理也較簡單,并且在測量精度方面也能達到要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩類:一類是用電氣方式產生超聲波,一類是用機械方式產生超聲波。本設計屬于近距離測量,可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現觸發(fā)單元。利用超聲波測距的工作,就可以根據測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔,從而達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法: (1)相位檢測法,相位檢測法雖然精度高,但檢測范圍有限; (2)聲波幅值檢測法,聲波幅值檢測法易受反射波的影響; (3)渡越時間檢測法

11、,渡越時間檢測法的工作方式簡單,直觀,在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現。其原理為:檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波,經氣體介質傳播到接收傳感器的時間,這個時間就是渡越時間。 本設計的超聲波測距就是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應用的超聲波傳感器,是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性(縱波),通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號,根據超聲波發(fā)出及回波接收的時間差和傳播速度,計算傳播距離,從而得到障礙物到車輛的距離。2 課題的方案設計與論證 2.1 系統總體設計系統總體框圖 構成超聲測距系統的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路。采取收發(fā)分離方

12、式有兩個好處:一是收發(fā)信號不會混疊,接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?;二是將接收探頭放置在合適位置,可以避免超聲波在物體表面反射時造成的各種損失和干擾,提高系統的可靠性。 超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路檢波電路定時器單片機控制顯示器報警系統圖2-1 超聲波汽車防撞原理框圖根據設計要求并綜合各方面因素,選擇了西安立宇電子科技有限公司的超聲波測距傳感器 TCT4016T/R(T 表示發(fā)射傳感器,R表示接收傳感器),最大探測距離為 6m,發(fā)射擴散角為 60度。超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當它的兩電極加脈沖信號(觸發(fā)脈沖) , 若其頻率等于晶片的固有頻率時,壓電晶片就會發(fā)生共振,并

13、帶動共振板振動,從而產生超聲波。相反, 電極間未加電壓,則當共振板接收到回波信號時,將壓迫兩壓電晶片振動,從而將機械能轉換為電信號,此時的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器,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的衰減,衰減的程度與頻率的高低成正比;而頻率高分辨率也高,故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器,而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。超聲波傳感器用來分析共振頻率附近的超聲波換能器的特性:換能器的器械能用Qm ;電能用Qe 表示。Q 恰好是電路的串聯支路的Q 值。設換能器在空載( Z1 = 0) 和有載( Z1 = R1) 時的Q 值分別為Qm

14、0 、Qm ,則有超聲波換能器的工作效率為相臨兩片的壓電陶瓷片極化方向相反,芯片的數目成偶數,以使前后金屬蓋板與同一極性的電極相連,否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈,會導致結構不必要的增大,兩芯片之間,芯片與金屬蓋板間通常以薄黃銅片(厚度小于0.1mm),作為焊接電極引線用;芯片,電極銅片用強力膠膠合,在壓電組件的中央部分用結合軸與圓錐狀諧振子連成一體,圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)彈性橡膠減振器,使之與外殼固定,起聲阻匹配作用。在電聲變換部分的前面的超聲波束整形板,是對應圓錐狀諧振子的振動模式設置的幾個開口,使超聲波波束指向尖銳,吸聲片吸收多余反射聲波。目前市面上出售的超聲波傳感器種類

15、有通用型,拓寬型,寬帶域型,防水型和高頻型等這幾類。雖然通用型超聲波傳感器有頻率帶寬較窄的缺點,但是卻可以換來高靈敏度,抗噪聲干擾強的優(yōu)點。超聲波基本應用電路主要分為三類: 1)直射型,主要用于遙控及報警電路 2)分離反射型,主要用于測距,料位測量等電路3)反射型,主要用于材料的探傷,測厚電路。鑒于成本的考慮,選用了普通的T/R-40系列的超聲波發(fā)射/接收傳感器。T/R-40系列超聲波傳感器典型的工作頻率為(39-41)KHZ,其具體參數見表2.1 表2.1 外形尺寸(T/R-4XX中的“XX”表示傳感器的外徑尺寸)型號A(mm)B(mm)C(mm)D(mm)T/R-40-1212.79.56

16、.28.5T/R-40-1616.212.29.210.0T/R-40-18A18.014.210.811.8T.R-40-24A23.814.610.211.8 傳感器位置 由于是測距系統是采用超聲波發(fā)射和接收分離反射型結構,所以發(fā)射頭和接收頭應該在同一平行直線上。出于距離和發(fā)射夾角所引起的誤差以及超聲波信號在傳播過程中衰減問題的考慮,發(fā)射和接收探頭距離不可以太遠,而又為了避免發(fā)射頭對接收頭接收信號產生的干擾,二者也不能間隔太近。經過參考前人的經驗以及調試時的實際情況,應保持超聲波發(fā)射頭和接收頭中心軸線平行并相距4-8cm即可。2.2 設計方案的論證超聲波探測技術主要用于中程測距、結構探傷、

17、智能控制等領域,超聲波換能器是其核心部件,換能器按其工作介質可分為氣相、液相和固相換能器;按其發(fā)射波束寬度可分為寬波束和窄波束換能器;按其工作頻率又可分為38KHz、40KHz等不同等級。本設計選用氣相、窄波束、40KHz的超聲波換能器。當利用超聲波探測器測距時常用兩種方法強度法和反射時間法,強度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來測量被測物的距離,被測物越遠其反射信號越弱,根據反射信號的強弱就可以知道被測物的遠近,但在使用這種方法時由于換能器之間的直接耦合信號很難消除,在放大器增益較高時這一直接耦合信號就可使放大器飽和從而使整套系統失效,由于直接耦合信號的影響強度法測距只適合較短距離的且精度要

18、求不高的場合。反射時間法其原理是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時間來測量距離,對于距離較短和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數,我們通過測量回波時間T利用公式S=V×(T/2)(其中S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時間()計算出路程,這種方法不受聲波強度的影響,直接耦合信號的影響也可以通過設置“時間門”來加以克服,因此這種方法非常適合較遠距離的測距,如果對聲速進行溫度修訂,其精度還可進一步提高,本設計中選用此方法。而超聲波傳感器一般要在40KHZ才能得到最大的震蕩,超聲波才能傳的更遠,而要產生40KHZ的方波可以直接通過單片機輸出PWM信號或通過外部震蕩電路來

19、產生,這里我采用的是52單片機,沒有多余的資源完成這么多工作,故摒棄了由單片機直接產生PWM信號的方式,而采用了外部電路產生。單片機的功能特點及測距原理 40KHZ的發(fā)射頻率由NE555提供給軟件進行處理控制發(fā)射及停止,回波經過STC89C52對接收到的信息進行處理后,被測的距離在LCD上顯示,顯示部分采用動態(tài)掃描顯示。滿足顯示精度;若該距離小于預置的汽車低速安全剎車范圍(如:1m或0.5m),報警電路發(fā)出適當的警告提示音,由P2.4口的蜂鳴器輸出控制報警電路的工作。 3 系統的硬件結構設計3.1 單片機的選擇在系統的設計中,選擇合適的系統核心器件就成為能否成功完成設計任務的關鍵,而作為控制系

20、統核心的單片機的選擇更是重中之重。目前各半導體公司、電氣商都向市場上推出了形形色色的單片機,并提供了良好的開發(fā)環(huán)境。選擇好合適的單片機可以最大地簡化單片機應用系統,而且功能優(yōu)異,可靠性好,成本低廉,具有較強的競爭力。目前,市面上的單片機不僅種類繁多,而且在性能方面也各有所長。 STC89系列單片機是MCS-51系列單片機的派生產品。它在指令系統、硬件結構和片內資源上與標準8052單片機完全兼容,DIP40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容。STC89系列單片機高速(最高時鐘頻率90MHz),低功耗,在系統/在應用可編程(ISP,IAP),不占用戶資源。根據本系統的實際情況,選擇STC

21、89C52單片機, 單片機最小系統電路圖如下圖3-6所示: 圖 3-6 單片機最小系統圖 3.2 發(fā)射電路的設計 本系統采用一個稍加變化的555多諧振蕩器電路來產生40KHZ的方波。并由單片機I/O口來控制其發(fā)送與否。它具有占空比連續(xù)可調的優(yōu)點,電路如下圖所示。為了能連續(xù)調節(jié)占空比并能調節(jié)振蕩頻率,在555的第6腳和第7腳之間接有W1、W2、R2組成的調節(jié)網絡。對C1充電時,電流是通過R1、W2、和W1,放電時,通過W1、W2、和R2。當R1R2,W2調到中心點或不用W2時,因充放電時間基本相等,其占空比約為50%,此時調節(jié)W1僅改變頻率,占空比不變。如W2調節(jié)偏離中心點,再調節(jié)W1,不僅振蕩

22、頻率改變了,而對占空比也有影響。W1不變,調節(jié)W2時,僅可改變占空比而對頻率無影響。因此,使用電路時,應首先調節(jié)W1,使頻率至規(guī)定值,再調節(jié)W2以獲得合適的占空比。為保證驅動能力,又為了在低電壓下工作,故采用來放大信號,提高發(fā)射功率。輸出40KHZ波形如圖3-7。圖 3-7 輸出波形圖發(fā)射電路圖 38圖3-8 超聲波發(fā)射電路 3.3 接收電路的設計 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??紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHZ與測距的超聲波頻率40KHZ較為接近,可以利用它做超聲波的檢測接收電路。下面對紅外遙控接收器集成電路CX20106A做一個簡要

23、的介紹。CX20106A是日本索尼公司生產的彩電專用紅外遙控接收器,采用單列8腳直插式,超小型封裝。CX20106A的基本性能如下:(1)電源電壓典型值5V,最大17V。(2)電源電流1.12.5mA(典型值為1.8mA)。(3)輸出低電平0.2V。(4)電壓增益7779dB。(5)輸入阻抗為27k。(6)濾波器中心頻率f0為3060kHz。其內部結構如下圖3-10所示。 圖3-10 CX20106A內部結構圖圖3-11 聲波接收電路3.4 顯示報警模塊的設計 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點,在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用。隨著科技的發(fā)展,液

24、晶顯示模塊的應用前景將更加廣闊。本系統選用LCD液晶ts128643顯示器做為顯示模塊。參考ts12864-3與的單片機的引腳功能畫出它們連接的原理圖3-12 如下:圖3-12 12864與單片機的連接圖4 系統軟件的設計軟件設計的主要思路是將預置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報警等功能編成獨立的模塊,在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式,當按下控制鍵后,在一定周期內,依次執(zhí)行各個模塊,調用預置子程序,發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序,并把測量的結果進行分析處理,根據處理結果決定顯示程序的內容以及是否調用聲音,顯示報警程序。當測得距離小于預置距離時,聲音,顯示報警程序被調用。 主程序首先是對系統環(huán)境初

25、始化,設置定時器T0工作模式為16位定時計數器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。然后調用超聲波發(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01 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。超聲波汽車防撞電路的軟件設計主要由主程序、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較復雜的算法,匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間,而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算(計算距離時),又要求精細計算程序運行時間(超聲波測距時)

26、,所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。 4.1 超聲波汽車防撞電路的算法設計      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部的定時器

27、T0,利用定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時,接收電路輸出端產生一個負跳變,在INT0或INT1端產生一個中斷請求信號,單片機響應外部中斷請求,執(zhí)行外部中斷服務子程序,讀取時間差,計算距離。 4.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分,主程序和中斷服務程序,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。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射,外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 超聲波測距時工作過程如下:(1) 由單片機發(fā)出控制NE555產生40KHZ脈沖信號。(2) 脈沖信號通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。(

28、3) 單片機在發(fā)送脈沖時刻開始計時。(4) 超聲波遇到障礙物后回波被超聲波換能器接收。(5) 讀取T0口計數值。(6) 數據計算。(7) 顯示報警。主程序首先是對系統環(huán)境初始化,設置定時器T0工作模式為16位定時計數器模式。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,計數器每計一個數就是1s,當主程序檢測到接收成功的標志位后,將計數器T0中的數(即

29、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為計數器T0的計算值。  測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送往LCD顯示約0.5s,然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離,主程序采用C語言編寫。4.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序   超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送脈沖信號控制555芯片超聲波的發(fā)射(頻率約40kHz的方波)占空比不一定為50%,脈沖寬度為1

30、2s左右,同時把計數器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單,但要求程序運行準確,所以采用匯編語言編程。 (1)使用外部中斷INT0來檢測回波,使其工作于下降沿觸發(fā)方式(IT0=1)。當檢測到回波信號,觸發(fā)并進入中斷,同時停止發(fā)射超聲波和停止計時器T0,在中斷服務程序中讀取T1的值,并計算測量結果。(2)使用T0作為計時器,工作方式為方式1。發(fā)射超聲波的同時開定時器T1。如果定時時間結束仍沒有接收到回波信號,則進入T1溢出中斷服務程序,關閉外部中斷INT0和T1溢出中斷,重新開始新的一輪測試。由于T0工作方式為方式1時,最大可定時65ms,即在理想情況下可測最大距離為0.065*3

31、24/2=10.5m。而考慮實際情況下并不需測這么遠的距離或系統很難探測到這么遠的距離.但為了方便計算,所以初值賦為0. 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引腳出現低電平),立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器T0停止計時,并將測距成功標志字賦值1。如果當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關閉,并將測距成功標志字賦值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

32、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。 5 調試 由于本設計涉及的模塊比較多,包括了超聲波測距模塊,單片機模塊,顯示報警,所以調試起來比較費力,設計的不定因素也比較多,所以,調試的時候采用了分塊調試的方法,排除了各個模塊的干擾。在電路安裝完畢后,不要急于通電測試,而首先必須做好以下調試前的檢查工作。 檢查連線情況:經常碰到的有錯接(即連線的一端正確,而另一端誤接)、少接(指安裝時漏接的線)及多接(指在電路上完全是多余的連線),等連線錯誤。檢查連線可以直接對照電路原理圖進行,但若電路中布線較多,則可以以元器件(如運放、三極管)為中心,依次檢察查其引腳的有關連線,

33、這樣不僅可以查出錯接或少接的線,而且也較易發(fā)現多余的線。 為確保連線的可靠,在查線的同時,還可以用萬用表電阻檔對接線作連通檢查,而且最好在器件外引線處測量,這樣有可能查出某些“虛焊”的隱患。 檢查元器件安裝情況:元器件的檢查,重點要查集成運放、三極管、二極管、電解電容等外引線與極性有否接錯,以及外引線間有否短路,同時還須檢查元器件焊接處是否可靠。這里需要指出,在焊接前,必須對元器件進行檢測,確保元器件能正常工作,以免給調試帶來不必要的麻煩。 檢查電源輸入端與公共接地端間有否短路在通電前,還需用萬用表檢查電源輸入端與地之間是否存短路,若有則須進一步檢查其原因。 在完成了以上各項檢查并確認無誤后,

34、才可通電調試,但此時應注意電源的正、負極性不能接反。在檢查超聲波發(fā)射電路時,在未加單片機使能控制的情況下,通電待系統工作后,用示波器觀察NE555芯片的3腳。若輸出波形不符合要求,可通過調節(jié)R9和R10來調節(jié)輸出波形,直到得到要求的占空比為50%的40KHZ方波。調好發(fā)射電路后,啟用接收電路。在超聲波接收探頭未接收到信號的情況下,用示波器觀察其兩引腳,測得最大干擾電壓波形為40KHZ的正弦波,幅值20mv。在超聲波接收探頭接收信號的情況下,起初測得信號放大電路的一級放大輸出為幅值5V的正弦波,但是二級輸出不論接收探頭有否接收到信號,恒輸出一11V高電平。檢查電路參數后認為是NE555放大倍數過

35、大,形成自激振蕩,所以把原來100*100的放大倍數降為100*10。再測二級輸出,在探測距離較近時輸出波形近似方波,調試成功。超聲波這個部分相對來說比較復雜,特別是涉及到了傳感器,受天氣和溫度的干擾比較大,電路內部的干擾控制也是一個難點,所以我選擇了另外用了一塊擴展板來制作這部分電路,而且用電感來隔離各部分的干擾。考慮到本設計只是一次學習過程,對性能要求不是很高,所以采用了干電池供電這樣的方法,再有就是測距的時候容易受到地面的漫反射干擾,所以增益電阻不能取得太小,這樣測距的靈敏度會受到一定影響,不過經過多次調試,測距精度方面誤差基本上能控制在5厘米以內,測距距離大概3-4米。調試過程把燒錄好

36、的芯片放置在電路中,接上電源,檢驗程序是否如自己所設計的那樣可以實現所要求的功能。如果電路板上的結果和設想的不同,由于在硬件檢查部分已經確定了硬件沒問題。則應該是軟件部分即程序方面的問題。需要檢查程序。首先檢查紅外接收部分,用示波器檢查紅外接收管的輸出口或是INT0口的波形是否正確。紅外接收部分沒有問題后再調試電機部分,看電機是否能按照遙控要求那樣轉動。然后是超聲波部分,主要看數碼管的現實是否正常,還有就是控制按鈕是否按要求控制。因為前面已經確定硬件沒有問題了,所以,在軟件調試的時候可以結合硬件來在線調試,這樣很直觀,而且發(fā)現問題也很容易。表51 測試結果真實距離(m)0.200.501.00

37、2.00測得距離(m)0.210.520.982.03總結由于時間和其它客觀上的原因,此次設計沒有做出溫度補償。但是對設計有一個很好的理論基礎。設計的最終結果是使超聲波測距模塊能夠產生超聲波,實現超聲波的發(fā)送與接收,從而實現利用超聲波方法測量物體間的距離。以數字的形式顯示測量距離。并通過蜂鳴器,指示燈進行相應的報警。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受,根據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。此次設計采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設

38、計主要包括單片機系統及顯示報警電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用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的方波的控制信號,并通過NE555芯片產生。利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。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構成,單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極,另一路經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

39、度。輸出端采兩個反向器并聯,用以提高驅動能力。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。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當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構上稍有不同,使用時應分清器件上的標志。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??紤]到紅外遙控常用

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