汽車倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)-JIKONG

摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的開展和交通運(yùn)輸業(yè)的不斷興旺，汽車的數(shù)量在不斷的增加。交通擁擠狀況也日益嚴(yán)重，撞車事件也經(jīng)常發(fā)生，造成了很多不可防止的人聲傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，面對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快、可靠性高并且比擬經(jīng)濟(jì)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)顯得非常的重要。超聲波測(cè)距法是一種最常見的距離測(cè)量方法。本文介紹的就是利用超聲波測(cè)距法設(shè)計(jì)一種倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。本文的內(nèi)容是基于超聲波測(cè)距的倒車防撞系統(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AT89S51單片機(jī)結(jié)合于一體，設(shè)計(jì)出一種基于AT89S51單片機(jī)得倒車防撞系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。論文概述了超聲波檢測(cè)的開展及根本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。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)功能的根底上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。通過多種發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)方案比擬，得出了最正確設(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)，通過編程來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)，超聲波測(cè)距，LED顯示，倒車?yán)走_(dá)，第一章緒論1.1課題設(shè)計(jì)的目的和意義隨著汽車的普及，越來越多的家庭擁有了汽車。交通擁擠狀況也隨之出現(xiàn)，撞車事件也是經(jīng)常發(fā)生，人們?cè)谙硎芷噹淼臉啡ず头奖愕耐瑫r(shí)，更加注重的是汽車的平安性，許多“追尾”事故都與車距有著密切的關(guān)系。為了解決這個(gè)平安問題，設(shè)計(jì)一種汽車測(cè)距防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比擬迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單。所以超聲波測(cè)距法是一種非常簡(jiǎn)單常見的方法，應(yīng)用在汽車停車的前后左右防撞的近距離測(cè)量，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，具有聲波傳輸?shù)母疚锢硖匦浴凵洌瓷?，干預(yù)，衍射，散射。超聲波測(cè)距是利用其反射特性，當(dāng)車輛后退時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器利用超聲波檢測(cè)車輛前方的障礙物位置，并利用LED顯示出來，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定距離時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出報(bào)警聲，進(jìn)而提醒駕駛?cè)藛T，起到平安的左右。通過本課題的研究，將所學(xué)到的知識(shí)用在實(shí)踐中并有所創(chuàng)新和進(jìn)步。該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用在生活、軍事、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，它需要設(shè)計(jì)者有較好的數(shù)電、模電知識(shí)，并且有一定的編程能力，綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射與接收信號(hào)進(jìn)行控制，通過單片機(jī)程序?qū)Τ暡ㄐ盘?hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析、計(jì)算、處理最后顯示在LED數(shù)碼管上。1.2國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀近年來，由于導(dǎo)航系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)測(cè)距、機(jī)械加工自動(dòng)化等方面的需要，自動(dòng)測(cè)距變得十分重要。與同類測(cè)距方法相比，超聲波測(cè)距法具有以下優(yōu)勢(shì)：〔1〕相對(duì)于聲波，超聲波有定向性較好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。〔2〕超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，便于小型化和集成化。隨著科學(xué)技術(shù)的快速開展，超聲波的應(yīng)用將越來越廣泛。超聲波測(cè)距技術(shù)在社會(huì)生活中已有廣泛的應(yīng)用，目前對(duì)超聲波的精度要求越來越大。超聲波作為一種新型的工具在各方面都有很大的開展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向開展，以滿足日益開展的社會(huì)需求。未來超聲波測(cè)距技術(shù)將朝著更高精度，更大應(yīng)用范圍，更穩(wěn)定方向開展。第二章總體方案2.1本設(shè)計(jì)的研究方法本設(shè)計(jì)選用TCT40-16T/R超聲波傳感器。了解超聲波測(cè)距的原理的，只有對(duì)理論知識(shí)有一定的學(xué)習(xí)才能運(yùn)用到實(shí)際操作中。根據(jù)原理設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波測(cè)距的方法測(cè)量物體之間的距離。具體設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距器，包括單片機(jī)控制電路，發(fā)射電路，接收電路，LED顯示電路。2.2系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)由于超聲波指向性強(qiáng)，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(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比擬方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能到達(dá)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)化的使用要求。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本文采用AT89S51單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器。2.3系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測(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)間來計(jì)算出傳播距離。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。測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)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(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的上下成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。2.4超聲測(cè)距原理2.4.1超聲波概述超聲波是一種頻率超過20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)母疚锢硖匦浴瓷?、折射、干預(yù)、衍射、散射。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，超聲波的大局部能量會(huì)反射。利用超聲檢測(cè)往往比擬迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能到達(dá)工業(yè)使用的要求，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。超聲波測(cè)量在國防、航空航天、電力、石化、機(jī)械、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障平安，還可起到節(jié)約能源、降低本錢的作用。2.4.2超聲波傳感器介紹超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲波傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要包括壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。流體動(dòng)力型包括有氣體和液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱為探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電傳感器屬于超聲波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)裝置的重要組成局部。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英、鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有以下的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，那么由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成局部是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖鼓勵(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)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的逆向壓電效應(yīng)來工作的。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)錐形振子，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)錐形振子振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)錐形振子接收到超聲波時(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。圖2-1壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖一般常用的超聲波傳感器有兩種：專用型和兼用型。專用型是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接收超聲波。本設(shè)計(jì)選用的超聲波傳感器是專用型，其型號(hào)為TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示傳感器工作的中心頻率為40KHz,16表示傳感器的外徑為16mm，T和R分別表示發(fā)射器和接收器。2.4.3超聲波測(cè)距的原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計(jì)時(shí)。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，如圖2.2所示圖2-2超聲波測(cè)距原理圖2-2中被測(cè)距離為H，兩探頭中心距離的一半用M表示，超聲波單程所走過的距離用表示，由圖可得：(1)(2)將式(2)帶入式(1)得：(3)在整個(gè)傳播過程中，超聲波所走過的距離為：(4)式中：為超聲波的傳播速度，為傳播時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。將式(4)帶入式(3)可得：(5)當(dāng)被測(cè)距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M時(shí)，式(5)變?yōu)椋?6)這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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[2]。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能到達(dá)預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)說明，頻率為40左右的超聲波在空氣中傳播效果最正確，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。單片機(jī)主控芯片使用51系列AT89S51單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡(jiǎn)單，調(diào)試工作小較小。圖3-1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路、報(bào)警輸出電路、供電電路等幾局部。單片機(jī)采用AT89S51，系統(tǒng)晶振采用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P2.7端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，P3.5端口監(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3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動(dòng)。3.1AT89S51單片機(jī)AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器,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)8051指令系統(tǒng)及引腳。。3.2超聲波測(cè)距的系統(tǒng)及其組成本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89S51控制，包括單片機(jī)系統(tǒng)、發(fā)射電路與接收放大電路和顯示電路幾局部組成，如圖3-1所示。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)射電路和超聲波接收電路三局部。單片機(jī)采用AT89S51。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P2.7端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，P3.5端口監(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3位共陰LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動(dòng)。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片機(jī)P3.5輸入一個(gè)低電平脈沖。單片機(jī)控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到P3.5由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止?nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。單片機(jī)將測(cè)得的時(shí)間與聲速相乘再除以2即可得到測(cè)量值，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測(cè)得的結(jié)果顯示出來。3.2.1超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)主要由：AT89S51單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路、電源濾波部份構(gòu)成。由K1，K2組成測(cè)距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設(shè)定超聲波測(cè)距報(bào)警值。如圖3-3。圖3-2：超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)3.2.2超聲波發(fā)射、接受電路超聲波發(fā)射如圖3-3，接收電路如圖3-4。超聲波發(fā)射電路由電阻R1、三極管BG1、超聲波脈沖變壓器B及超聲波發(fā)送頭T40構(gòu)成，超聲波脈沖變壓器，在這里的作用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩產(chǎn)端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測(cè)量距離。接收電路由BG1、BG2組成的兩組三級(jí)管放大電路構(gòu)成；超聲波的檢波電路、比擬整形電路由C7、D1、D2及BG3組成。40kHz的方波由AT89S51單片機(jī)的P2.7輸出，經(jīng)BG1推動(dòng)超聲波脈沖變壓器，在脈沖變壓器次級(jí)形成60VPP的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。發(fā)送出的超聲波，遇到障礙物后，產(chǎn)生回波，反射回來的回波由超聲波接收頭接收到。由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，輸入單片機(jī)的P3腳。圖3-3：超聲波測(cè)距發(fā)送單元該測(cè)距電路的40kHz方波信號(hào)由單片機(jī)AT89S51的P2.7發(fā)出。方波的周期為1/40ms，即25μs，半周期為12.5μs。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為12M晶振，因而單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1μs，所以只能產(chǎn)生半周期為12μs或13μs的方波信號(hào)，頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約38.46kHz的方波。圖3-4：超聲波測(cè)距接收單元由于反射回來的超聲波信號(hào)非常微弱，所以接收電路需要將其進(jìn)行放大。接收電路如圖3-4所示。接收到的信號(hào)加到BG1、BG2組成的兩級(jí)放大器上進(jìn)行放大。每級(jí)放大器的放大倍數(shù)為70倍。放大的信號(hào)通過檢波電路得到解調(diào)后的信號(hào)，即把多個(gè)脈沖波解調(diào)成多個(gè)大脈沖波。這里使用的是IN4148檢波二極管，輸出的直流信號(hào)即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能較好，制作難度小。3.3.3顯示電路本系統(tǒng)采用三位一體LED數(shù)碼管顯示所測(cè)距離值，如圖3-6。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機(jī)的P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動(dòng)。圖3-5：顯示單元3.2.4報(bào)警輸出電路為提高測(cè)測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)用性，本測(cè)距系統(tǒng)的報(bào)警輸出提供開關(guān)量信號(hào)及聲響信號(hào)兩種方式。方式一：報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)P3.1端口輸出，繼電器輸出，可驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，電路由電阻R6、三極管BG9、繼電器JDQ組成，當(dāng)測(cè)量值低于事先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，繼電器吸合，測(cè)量值高于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，繼電器斷開。方式二：報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)P0.2口輸出，提供聲響報(bào)警信號(hào)，電路由電阻R7、三極管BG8、蜂鳴器BY組成，當(dāng)測(cè)量值低于事先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴…..”報(bào)警聲響信號(hào)，測(cè)量值高于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，停止發(fā)出報(bào)警聲響。報(bào)警輸出電路如圖3-7。圖3-7：報(bào)警輸出第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波測(cè)距的程序既有較復(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語言編程。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器1定時(shí)。置位總中斷允許位EA。進(jìn)行程序主程序后，進(jìn)行定時(shí)測(cè)距判斷，當(dāng)測(cè)距標(biāo)志位ec=1時(shí)，測(cè)量一次，程序設(shè)計(jì)中，超聲波測(cè)距頻度是4-5次/秒。測(cè)距間隔中，整個(gè)程序主要進(jìn)行循環(huán)顯示測(cè)量結(jié)果。當(dāng)調(diào)用超聲波測(cè)距子程序后，首先由單片機(jī)產(chǎn)生4個(gè)頻率為38.46kHz超聲波脈沖，加載的超聲波發(fā)送頭上。超聲波頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0進(jìn)行計(jì)時(shí)，為了防止超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時(shí)，單片機(jī)需要延時(shí)約1.5-2ms時(shí)間〔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，稱之為盲區(qū)值〕后，才啟動(dòng)對(duì)單片機(jī)P3.5腳的電平判斷程序。當(dāng)檢測(cè)到P3.5腳的電平由高轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，立即停止T0計(jì)時(shí)。由于采用單片機(jī)采用的是12MHz的晶振，計(jì)時(shí)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1μs，當(dāng)超聲波測(cè)距子程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)〔即超聲波來回所用的時(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15℃時(shí)的聲速為340m/s那么有：d=(c×t)/2=172×T0/10000cm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。4.2超聲波測(cè)距子程序及其流程圖voidwdzh() {TR0=0; TH1=0x00; TL1=0x00; csbint=1; sx=0; delay(1700); csbfs(); csbout=1; TR1=1; i=yzsj; while(i--) { } i=0; while(csbint) //判斷接收回路是否收到超聲波的回波 { i++; if(i>=3300) csbint=0; } TR1=0; s=TH1; s=s*256+TL1; TR0=1; csbint=1; jsz=s*csbc; //計(jì)算測(cè)量結(jié)果 jsz=jsz/2; } 產(chǎn)生超聲波的子程序： 為了方便程序移置及準(zhǔn)確產(chǎn)生超聲波信號(hào)，本測(cè)距的超聲波產(chǎn)生程序是用匯編語言編寫的進(jìn)退聲波產(chǎn)生程序。產(chǎn)生的超聲波個(gè)數(shù)為 UCSBFSSEGMENTCODE RSEGUCSBFS PUBLICCSBFS CSBFS: movR6,#8h;超聲波發(fā)射的完整波形個(gè)數(shù)：共計(jì)四個(gè) here: cplp2.7;輸出40kHz方波 nop nop nop nop nop nop nop nop nop djnzR6,here RET END流程圖：4.3超聲波測(cè)距流程圖第五章系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析5.1調(diào)試步驟我的步驟是先焊接各個(gè)模塊，焊接完每個(gè)模塊以后，再進(jìn)行模塊的單獨(dú)測(cè)試，以確保在整個(gè)系統(tǒng)焊接完能正常的工作，原件安裝完畢后，將寫好程序的AT89S51機(jī)裝到測(cè)距板上，通電后將測(cè)距板的超聲波頭對(duì)著墻面往復(fù)移動(dòng)，看數(shù)碼管的顯示結(jié)果會(huì)不會(huì)變化，在測(cè)量范圍內(nèi)能否正常顯示。如果一直顯示“---”，那么需將下限值增大。本測(cè)距板1s測(cè)量4-5次，超聲波發(fā)送功率較大時(shí)，測(cè)量距離遠(yuǎn)，那么相應(yīng)的下限值〔盲區(qū)〕應(yīng)設(shè)置為高值。試驗(yàn)板中的聲速?zèng)]有進(jìn)行溫度補(bǔ)償，聲速值為340m/s，該值為15℃時(shí)的超聲波值。注：由于條件原因調(diào)試時(shí)無法提供6V交流電與5V雙USB接口線，所以由4.5V干電池與5V實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源代替。我的錯(cuò)誤與糾正當(dāng)我焊接好元器件，檢查無短路后，我接通了電源。當(dāng)時(shí)的現(xiàn)象是：接通電源瞬間顯示“---”伴隨蜂鳴器一聲“滴”蜂鳴，接著LED顯示三個(gè)“CCC”,并伴隨間斷蜂鳴，此為超出最大探測(cè)范圍。調(diào)節(jié)下限值無變化。錯(cuò)誤1：斷電后我重新按照原理圖對(duì)各個(gè)元器件焊腳進(jìn)行對(duì)照。發(fā)現(xiàn)除了BG1外其它元器件焊腳焊接正確，BG1的“E”腳和“C”腳焊接錯(cuò)誤。糾正：拆下BG1檢查未被擊穿后重新按照正確的焊腳分部焊接。錯(cuò)誤2：接通電源重新調(diào)試卻發(fā)現(xiàn)任就是之前的現(xiàn)象。斷電后我重新按照原理圖進(jìn)行排故。因?yàn)殄e(cuò)誤1的緣故元器件已經(jīng)檢查過焊腳無錯(cuò)誤，所以我按照原理圖檢查元器件的名稱標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)BG2、BG9兩個(gè)三極管分別是9013和9012，而焊接是卻焊接成了9012和9013.糾正：拆下BG2、BG9檢查未被擊穿后重新按照正確名稱標(biāo)識(shí)焊接。接通電源能正常工作...5.2誤差分析雖然在簡(jiǎn)易倒車帶最前端有0.8cm的空白距離，但是雷達(dá)在50cm〔50.8cm〕時(shí)顯示的是51cm，在45cm〔45.8cm〕不到處卻顯示45cm。如圖5-1、5-2。因此本雷達(dá)存在誤差。5.2.1性能分析從實(shí)物測(cè)試的總體來說本測(cè)距板根本上到達(dá)了要求，理想上超聲波測(cè)距能到達(dá)500到700cm左右，而我所能實(shí)現(xiàn)的最大距離只有664cm左右，測(cè)量結(jié)果受環(huán)境溫度影響。分析原因如下：1.超聲波發(fā)射部份由電阻R1、三極管BG1、超聲波脈沖變壓器B及超聲波發(fā)送頭T40構(gòu)成，以提高超聲波的發(fā)射功率，從面提高測(cè)量距離。這種方式，加大的超聲波了送頭的余振時(shí)間，造成超聲波測(cè)距盲區(qū)值較大〔本系統(tǒng)盲區(qū)值為40厘米〕。2.本測(cè)距板沒有設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。但在硬件的PCB上預(yù)留的位置。5.2.2誤差分析超聲波測(cè)距由于其再使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單本錢低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。在原理上將，超聲波測(cè)距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲波傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，在超聲波聲速的前提下，可計(jì)算被測(cè)物的距離H，即：H=vt/2。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影響?！?〕溫度對(duì)超聲波波速的影響空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有對(duì)抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體對(duì)抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。其中溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響，當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。〔2〕超聲波回波聲強(qiáng)影響超聲波回波聲強(qiáng)與被測(cè)物得距離有由直接的關(guān)系，實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但是可以通過根據(jù)測(cè)量距離調(diào)整脈沖群的脈沖個(gè)數(shù)以及動(dòng)態(tài)調(diào)整比擬電壓來減小這種誤差?！?〕電路本身影響電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會(huì)造成測(cè)量誤差，主要表現(xiàn)為：①啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差。這是源于單片機(jī)一次只能處理一件事，所以啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)實(shí)際上不能同時(shí)完成，是先后完成的，存在時(shí)差。但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略。②收到回波到被檢測(cè)出的滯后。這是源于檢測(cè)電路的靈敏度和判斷偏差，從收到實(shí)際回波到電路確認(rèn)并輸出相應(yīng)信號(hào)肯定存在滯后，這和回波信號(hào)強(qiáng)弱、檢測(cè)