倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)超聲波測距畢業(yè)論文

PAGEPAGEII目錄1緒論 11.1倒車?yán)走_(dá)的歷史沿革及發(fā)展現(xiàn)狀 11.2倒車?yán)走_(dá)研究的意義 22超聲波倒車?yán)走_(dá)工作原理 42.1超聲波傳感器 42.1.1超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 42.1.2超聲波傳感器的頻率特性 62.2超聲波測距原理 72.2.1測量與控制方法 72.2.2理論計算 82.2.3影響測量精度的因素 83系統(tǒng)硬件設(shè)計 103.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案 103.2電源電路 103.3超聲波發(fā)射電路 113.4超聲波接收電路 123.4.1集成電路芯片CX20106A 123.4.2超聲波接收電路 143.5控制電路及顯示電路 153.5.1AT89C51單片機(jī) 153.5.2控制電路 173.5.3顯示電路及原理 183.6報警電路 193.7溫度補(bǔ)償電路 194軟件設(shè)計 214.1軟件設(shè)計要求 224.2超聲波測距算法設(shè)計 224.3主程序 224.4超聲波發(fā)送、接收中斷程序 244.5顯示程序、報警程序 255系統(tǒng)調(diào)試 265.1測試環(huán)境與設(shè)備 265.2硬件電路測試 265.3軟件調(diào)試 265.4調(diào)試總結(jié) 276結(jié)束語 28致謝 29參考文獻(xiàn)： 30附錄一電路原理圖 31附錄二PCB圖 32附錄三程序清單 33畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評價：一、撰寫（設(shè)計）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學(xué)系意見：系主任：（簽名）年月日

汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)摘要近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車基本上普及到了家家戶戶。在公路、街道、停車場等擁擠場所倒車時，駕駛員疲于前瞻后顧，很容易就發(fā)生追尾等碰撞事故。因此，增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近些年來的研究熱點[1]。為此，設(shè)計了以單片機(jī)為核心，利用超聲波實現(xiàn)無接觸測距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。工作時，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測量邏輯電路提供一個短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的信號依據(jù)時間差進(jìn)行處理，自動計算出車與障礙物之間的距離。目前，國內(nèi)外一般的超聲波測距儀，其理想的測量距離為1m～5m，因此大都用于汽車倒車?yán)走_(dá)等近距離測距中。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AT89C51單片機(jī)的超聲波測距器。該設(shè)計由超聲波發(fā)射模塊、信號接收模塊、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)介紹了測距器的硬件組成、檢測原理、方法以及軟件結(jié)構(gòu)。超聲波接收電路使用SONY公司的CX20106A紅外檢測專用芯片，該芯片常用于38kHz的檢波電路，文中通過對芯片內(nèi)部電路的仔細(xì)分析，設(shè)計出能夠成功對40kHz超聲波檢波的硬件電路，系統(tǒng)使用數(shù)碼管顯示目標(biāo)物的距離。關(guān)鍵詞超聲波，at89c51，倒車?yán)走_(dá)AUTOREVERSERADARSYSTEMABSTRACTInrecentyears,withthedevelopmentofeconomy,carbasicallyagetoeveryfamily.Inhighway,streets,parksandothercrowdedplaces,thepilotstrugglingwhilebackingforward-looking,itwaseasytohappentolookbehindcollisionaccidentetc.Therefore,toincreasetheabilityofcar,developedaftercarbackonthereverseradardetectingobstaclesbecomesthehotresearchtopicinrecentyears.Therefore,designbasedonsinglechip,usingultrasonicrealizenon-contactrangingreverseradarsystem.Work,ultrasonictransmittersconstantlyemitsaseriesofcontinuouspulse,givemeasurementlogiccircuitprovidesashortpulses.Finallybysignalprocessingdeviceaccordingtoreceivethesignalprocessing,automaticcalculationlagbetweenthedistancebetweenthecarandtheobstacles.Atpresent,thedomesticandforeigngeneralultrasonicrangefinder,itsidealformeasuringdistance1~5m,thusmostlyusedinautomobilereverseradarcloserangingas.Basedonthesoundwavesthroughtheairwiththeprinciple,reflectedultrasonictransducer,introducesforinterfaceunitbasedonAT89C51ultrasonicrangefinder.Thisdesignbyultrasoundmodule,thesignalreceivingmoduleandsingle-chipmicrocomputerprocessingmodule,digitaldisplayandsound-lightalarmdisplaymodulecomponents,thispaperintroducesindetailtherangefinderhardwarecomposition,measuringprinciple,methodandsoftwarestructure.UltrasonicreceivingcircuituseofinfraredtestingcompanySONYCX20106Aspecialchip,thischip38kHzoftenusedforthedetectioncircuit,thispaperbasedonthecarefulanalysisofthecircuitinsidethechip,anddesignedfor40kHzultrasonicdetectioncansuccessfully,thehardwarecircuitsystemUSESdigitalpipedisplaytargetsofdistance.KEYWORDSWave，AT89C51，ReverseSensor1緒論倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。超聲波測距由于其能夠進(jìn)行非接觸測量和相對較高的測量精度，越來越被人們所重視。就目前形勢來看，汽車市場的快速發(fā)展將帶動倒車?yán)走_(dá)市場的繁榮。國內(nèi)倒車?yán)走_(dá)主流市場已經(jīng)開始有進(jìn)口高檔汽車向中低檔汽車發(fā)展。技術(shù)上向著單芯片功能成靈敏度更高、可視化發(fā)展，設(shè)備趨于小型化、人性化、智能化等方向發(fā)展。由此可見，超聲波汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)將會在人類今后的生活中扮演越來越重的角色，為人類的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)[2]。超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器等部分組成，現(xiàn)在市場上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測距原理，駕駛者在倒車時，啟動倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，得到及時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。1.1倒車?yán)走_(dá)的歷史沿革及發(fā)展現(xiàn)狀倒車?yán)走_(dá)的快速發(fā)展始于20世紀(jì)末21世紀(jì)初，經(jīng)過幾年的時間，隨著技術(shù)發(fā)展和用戶需求的變化，倒車?yán)走_(dá)在幾年的時間里大致經(jīng)過了六代的演變。第一代：倒車時通過喇叭提醒?！暗管囌堊⒁猓　毕氡夭簧偃诉€記得這種聲音，這就是倒車?yán)走_(dá)的第一代產(chǎn)品，只要司機(jī)掛上倒檔，它就會響起，提醒周圍的人注意，不能算真正的倒車?yán)走_(dá)，基本屬于淘汰產(chǎn)品。第二代：采用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開始。倒車時，如果車后1.8m～1.5m處有障礙物，蜂鳴器就會開始工作。蜂鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。但沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠(yuǎn)，對駕駛員幫助不大。第三代：數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離范圍。這代產(chǎn)品比第二代進(jìn)步很多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在1.8m開始顯示；如果是人，在0.9m左右的距離開始顯示。這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由3種顏色來區(qū)別：綠色代表安全距離；黃色代表警告距離；紅色代表危險距離，必須停止倒車。第三代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起，比較實用，但安裝在車內(nèi)影響美觀。第四代：液晶屏動態(tài)顯示。不用掛倒檔，只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過LCD外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報也較多。第五代：魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測知2m以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)可以把后視鏡、倒車?yán)走_(dá)、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項功能整合在一起，并設(shè)計了語音功能。因為其外形就是一塊倒車鏡，所以可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)后視鏡的位置。而且顏色款式多樣，可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配。第六代：專為高檔轎車生產(chǎn)。第六代產(chǎn)品在第五代的基礎(chǔ)上新增了很多功能：外觀上看，比第五代產(chǎn)品更為精致典雅；功能上看，它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外，還整合了高檔轎車具備的影音系統(tǒng)，可以在顯示器上觀看DVD影像。起初，倒車?yán)走_(dá)只是寶馬、奔馳等高檔車型的專利，但是近幾年，一些新出廠的中低檔車型在配置中也增加了倒車?yán)走_(dá)。如上海通用別克凱越系列除三廂1.6LXMT之外，其余車型都加裝了倒車?yán)走_(dá)(包括凱越1.8LSAT、凱越1.8LEAT、凱越1.6LEAT、凱越1.6LEMT，以及凱越HRV手動、自動兩款車型)。一汽－大眾2006年6月以后生產(chǎn)的捷達(dá)GIF豪華型轎車均配置了后倒車?yán)走_(dá)。此外，還有許多廠家在新推車的中低檔車型中安裝了倒車?yán)走_(dá)，如：北京現(xiàn)代的伊蘭特、索納塔、途勝；上海通用的別克君威、君越；東南汽車的三菱戈藍(lán)、三菱藍(lán)瑟；上海大眾的帕薩特增值版POLO勁情；廣州本田的雅閣、奧德賽、兩廂飛度；神龍汽車的東風(fēng)雪鐵龍C6、C5、畢加索、愛麗舍、賽納；江淮汽車的瑞風(fēng)、祥和；奇瑞汽車的A51.6；千里馬汽車的RIO千里馬；長安福特汽車的蒙迪歐、兩廂?？怂沟鹊取?.2倒車?yán)走_(dá)研究的意義隨著生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)逐漸進(jìn)入普通家庭。汽車的保有量迅速上升。隨之而來的是交通事故與日俱增，城市里尤其突出，發(fā)展智能交通系統(tǒng)是交通運輸?shù)闹匾l(fā)展方向。倒車障礙檢測系統(tǒng)著眼于倒車防護(hù)，采用的超聲波傳感器技術(shù)可以探測到附近的障礙物,為駕駛員提供倒車警告和輔助泊車功能，能夠?qū)崿F(xiàn)倒車時有效的避開可能對倒車造成危害的障礙物和行人。有效避免由于倒車造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全問題。2超聲波倒車?yán)走_(dá)工作原理人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波[3]。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。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，而經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在測控系統(tǒng)的研制上得到了廣泛應(yīng)用。2.1超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面[4]。2.1.1超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)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。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有：1壓電傳感器；2磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。流體動力性中包括有氣體與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，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”活“笛”。壓電式傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭有壓電晶片、契塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。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。其具有下列的特性：把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，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，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，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。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f0交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號[5]。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振類工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)它有兩個壓電晶片的一個共振板，當(dāng)它的兩級外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板的振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩級間為外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率f0。發(fā)射超聲波時，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，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。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壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞[6]。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。2.1.2超聲波傳感器的頻率特性這里以本設(shè)計選用的超聲波傳感器TCT40-16型探頭（如圖2-2）為特例加以說明。型號：TCT40-16R/T(直徑16mm）1.標(biāo)稱頻率（KHz）：40KHz2.發(fā)射聲壓at10V（0dB=0.02mPa）：≥117dB3.接收靈敏度at40KHz(0dB=V/ubar)：≥-65dB4.靜電容量at1KHz,<1V(PF)：2000±30%TCT40-16R/T聲壓能級及靈敏度如圖2-3圖2-2TCT40-16型探頭圖2-3TCT40-16R/T聲壓能級及靈敏度由圖2-3可以看出40khz處為超聲波傳感器的中心頻率，在此中心頻率處，超聲波傳感器所產(chǎn)生的機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說40khz處所產(chǎn)生的聲壓能級最高。而在40khz兩側(cè)聲壓能級迅速衰減。其頻率特性曲線如圖2-4所示。圖2-4TCT40-16R/T傳感器的頻率特性曲線由圖2-4知超聲波傳感器一定要使用非常接近于中心頻率40khz的交流電壓來激勵。2.2超聲波測距原理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，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2-1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理。圖2-5即為超聲波測距的具體流程圖。表2-1一些溫度下的聲速值溫度(℃)－30－20－100102030100聲速(米／秒)313319325323338344349386開始測量開始測量超聲波信號開定時器關(guān)定時器數(shù)據(jù)運算顯示器接收檢測電聲換能器電聲換能器驅(qū)動電路圖2-5超聲波測距流程圖2.2.1測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的目標(biāo)物體阻擋時就會發(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)然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。由于此超聲波測距儀可以實現(xiàn)雙向測距，所以需進(jìn)行測距選擇，而這個測距選擇就以自動選擇功能來實現(xiàn).2.2.2理論計算圖2-6超聲波測距原理圖如圖2-6反射時間，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其原理如圖所示，對于距離較短和要求不高的場合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間T利用公式：（2-1）其中，S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時間，（2-2）可以計算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號的影響也可以通過設(shè)置“時間門”來加以克服。這樣可以求出距離：(2-3)2.2.3影響測量精度的因素（1）發(fā)射、接收時間對測量精度的影響及解決方案采用TCT40-16R/T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，忽略不計脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減成指數(shù)規(guī)律。設(shè)測量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測物距離為h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為： (2-4)則超聲波在傳播過程中有衰減并且頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。由此知超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，接收到的信號的幅值可能十分小，所以想要想判斷捕獲到的第一個回波確定準(zhǔn)確的接收時間，必須對收到的信號進(jìn)行幅值放大及比較后才能傳給單片機(jī)（AT89C51），否則不能正確的判斷回波時間進(jìn)而對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。（2）溫度對測量精度的影響及解決方案聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)的溫度、密度及氣體分子成分的影響，由(2-5)知在空氣中，聲速只決定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣邷y距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢?2-6)式中C0=331.4m/s。在實際情況中溫度每上升或者下降1℃,聲速將增加或者減少0.607m/s。由此可見溫度對聲速影響之大。本設(shè)計使用軟件溫度補(bǔ)償，采用DS18B20溫度傳感器，對外界溫度進(jìn)行測量。3系統(tǒng)硬件設(shè)計超聲波發(fā)射單片機(jī)超聲波發(fā)射單片機(jī)數(shù)碼管顯示或音提示超聲波接收放大比較溫度補(bǔ)償圖3-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計是基于AT89C51的超聲信號檢測的。計劃在小范圍的測試，限定在0.1—3米左右精度為0.01M。單片機(jī)（AT89C51）發(fā)出脈沖為40KHZ超聲波信號經(jīng)反射后作為超聲波接收器的系統(tǒng)輸入，經(jīng)放大、比較后送入單片機(jī)（AT89C51），由單片機(jī)計算處理數(shù)據(jù)后經(jīng)數(shù)碼管顯示或語音提示。3.2電源電路該系統(tǒng)設(shè)計由電源電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接受電路、控制電路、顯示電路及外圍的溫度補(bǔ)償電路、報警電路組成，該系統(tǒng)的核心采用AT89C51單片機(jī)芯片。下面分部介紹個硬件部分的具體設(shè)計。在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一的能量來源，穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)是將50Hz的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿足負(fù)載的需要，直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。電路圖如圖3-1所示。其中，變壓器將交流電源（220V/50Hz）變換為電路所需要的交流電壓；整流電路是具有但方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷?，將交流電壓整流成單方向脈動的直流電壓；濾波電路濾去單向脈動直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負(fù)載平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路是一種自動調(diào)節(jié)電路，在交流電源電壓波動或負(fù)載變化時，通過此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定[7]。220V交流電通過電源變壓器變換成交流低壓電源，再經(jīng)過橋式整流電路D1~D4和濾波電容的整理和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和電容濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直接輸出電壓。如3-2所示的電路為輸出電壓VCC為+5V穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器，橋式整流電路D1~D4，濾波電容C7、C8，防止自激電容C15、C16和一只固定式三端穩(wěn)壓器（7805）組成。圖3-2電源電路3.3超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個部分，超聲波換能器選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生40KHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無需驅(qū)動電路，但缺點是靈活性低。本設(shè)計采用第一種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號。利用AT89S51的P1.0口發(fā)射40kHz的方波信號后經(jīng)過74HC04三級放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。74LS04是一個高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間，而相對于LSTTL邏輯IC，它的功耗減少很多[8]。對于HC類型，其工作電壓為2～6V，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入LSTTL邏輯信號和CMOS邏輯輸入等特點。本系統(tǒng)將40KHz方波信號分成兩路，分別由74LS04經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)成推拉式反向放大。發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，如圖3-3所示。單片機(jī)P1.0端口輸出40KHz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)圖3-3超聲波發(fā)射電路兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力，上拉電阻R8、R9一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，縮短其自由振蕩的時間。3.4超聲波接收電路3.4.1集成電路芯片CX20106A集成電路CX20106A是一款紅外接收的專用芯片，常用于電視紅外遙控器。常用的載波頻率38khz與測距的40khz較為相近，可以利用它來做接收電路。適當(dāng)?shù)母淖僀3的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。這種IC性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號接收器IC相同或相似，故可用來代換多種型號的遙控信號接收集成電路。CX20106A可用來完成遙控信號，CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外解調(diào)集成電路，采用8腳單列直插式塑料超小型封裝，+5v供電，內(nèi)部含可前置放大、自動偏置、限幅放大、通帶攄波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出等電路[9]。其主要功能是從38KHz紅外載波信號中，將編碼信號解調(diào)出來，并加以放大和整形，然后再送到微處理器(CPU)進(jìn)行處理，以實現(xiàn)遙控操作功能，引腳圖如圖3-4所示。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40kΩ。圖3-4CX20106A引腳圖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=4.7Ω，C=3.3μF。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3.3μF。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=200kΩ時，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，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22kΩ，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。內(nèi)部電路電路結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。（1）前置放大器：它是高增益的放大器，由于超聲波在空氣中直線傳輸時，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害，故反射回來的超聲波信號的幅值會有很大的變化。為了不使放大器的輸出信號過強(qiáng)而產(chǎn)生失真，集成塊內(nèi)部有自動電平限制電路，對前置放大器的增益進(jìn)行自動限制。通過反饋將放大器設(shè)定于適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，再由限制電平電路進(jìn)行自動控制。圖3-5CX20106A內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖（2）限度放大器：當(dāng)信號太強(qiáng)時為了防止放大器過載，限制高電平振幅，同時也可消除寄生調(diào)幅干擾。（3）寬頻帶濾波器：其頻率范圍為30Hz~60Hz，其中心頻率可調(diào)。（4）檢測器：將返回的超聲波的包絡(luò)解調(diào)回來。（5）積分濾波器與整形電路：檢測器輸出的信號經(jīng)積分濾波器送到整形電路，輸出較好的矩形波。3.4.2超聲波接收電路圖3-6超聲波接收電路如圖3-6所示。超聲波接收電路包括超聲波接受探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計采用與發(fā)射端同型號的壓電式超聲波傳感器，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路進(jìn)行放大。超聲波接收選用集成芯片CX20106A，接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實現(xiàn)準(zhǔn)確的計時。3.5控制電路及顯示電路3.5.1AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4KB字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。（1）主要特性：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路（2）AT89C51引腳如圖3-7管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。圖3-7AT89C51引腳圖P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（3）振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（4）芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行[10]。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。3.5.2控制電路主控制器主要由單片機(jī)AT89C51、振蕩器和復(fù)位電路三部分組成，它是單片機(jī)工作的必要組成部分，又稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。其中XTAL1和XTAL2外接一個晶體振蕩器，采用12MHZ的晶振以獲得穩(wěn)定的時鐘頻率，減小誤差。RST外接一個復(fù)位電路，晶體振蕩電路為單片機(jī)提供時鐘控制信號。復(fù)位電路采用上電復(fù)位方式。電路圖如圖3-8所示。圖3-8控制電路3.5.3顯示電路及原理圖3-9顯示電路超聲波測距儀顯示控制模塊電路如圖3-9所示。通過單片機(jī)的25、26、27、28四個管腳的信號控制四位三極管的B極，利用三極管的開關(guān)特性，實現(xiàn)數(shù)碼管的點亮，從而實現(xiàn)動態(tài)顯示。采用LED動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)經(jīng)過PIC芯片的計算后傳到LED上，顯示精度是厘米。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40KHz方波信號，利用外中斷0口檢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，用于顯示障礙物的距離，由單片機(jī)P0.0—P0.6接LED的a~g七個筆段，P2.4~P2.7接四位8550的公共端，通過軟件以動態(tài)掃描方式顯示。段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動。3.6報警電路報警是指當(dāng)探測到的距離小于或大于所設(shè)定的安全值時，發(fā)出聲音提醒人們，聲光電路設(shè)計如圖3-10所示，由單片機(jī)經(jīng)外接功放三極管推動揚(yáng)聲器放音。圖3-10報警電路3.7溫度補(bǔ)償電路DS18B20數(shù)字式溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，與傳統(tǒng)的熱敏傳感電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度值，并且可根據(jù)實際要求，通過簡單編程，實現(xiàn)9～12位的A/D轉(zhuǎn)換。其具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，十分方便。其測量溫度范圍在－55～＋125[11]。C之間。引腳圖如圖3-11。引腳詳細(xì)功能描述如表3-1。圖3-11DS18B20引腳圖表3-1DS18B20引腳功能描述序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。實際情況下，溫度每上升或者下降1℃,聲速將增加或者減少0.607m/s。溫度對于聲速影響很大。本設(shè)計溫度測量選用的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，因其獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電電源范圍為3.0V至5.5V無需備用電源[12]。它通過輸出9位（二進(jìn)制）數(shù)字來直接表示所測量的溫度值，溫度值是通過DS18B20的數(shù)據(jù)總線直接輸入CPU,無需A/D轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令，溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過數(shù)據(jù)總線傳入DS18B20。DS18B20數(shù)字溫度傳感器除了具有相當(dāng)?shù)臏y量范圍和精度外，還具有溫度測量精度和不受外界干擾等的優(yōu)點[13]。其電路連接如圖3-12所示。圖3-12溫度補(bǔ)償電路4軟件設(shè)計超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序四個主要模塊組成。軟件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示系系統(tǒng)功能模塊初始化程序發(fā)射接收控制模塊溫度補(bǔ)償模塊運算處理模塊數(shù)碼顯示模塊聲光報警模塊圖4-1系統(tǒng)模塊框圖1）系統(tǒng)初始化模塊：系統(tǒng)剛上電的時候?qū)ο到y(tǒng)的各個引腳的電平分配和對各寄存器的初值賦值。2）發(fā)射接收控制模塊：發(fā)射控制模塊是軟件控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲脈沖啟動定時器工作，同時啟動接收電路工作，當(dāng)接收電路有信號輸入時，對輸入信號進(jìn)行處理。3）溫度補(bǔ)償模塊：根據(jù)DS18B20傳到AT89C51的溫度值進(jìn)行處理修正聲速。4）運算結(jié)果處理模塊：運算結(jié)果處理模塊將多次所測得時間進(jìn)行處理，進(jìn)行軟件取大值工作，根據(jù)公式計算出距離，然后再對計算得出的結(jié)果進(jìn)行修正處理，數(shù)據(jù)處理后送至數(shù)碼顯示模塊。5）數(shù)碼管顯示模塊：通過該模塊的設(shè)計能夠讓所測得的距離顯示在數(shù)碼管上。主程序除了完成定時器T0、中斷源TNT0初始化外，主要實現(xiàn)超聲波的巡回發(fā)射（調(diào)用超聲波發(fā)射程序）和距離的動態(tài)掃描顯示；INT0中斷服務(wù)程序計算車尾距離障礙物的距離數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)一方面交由主程序顯示，另一方面與設(shè)定值（比如1m）進(jìn)行比較，如小于1m，接蜂鳴器報警，否則關(guān)閉報警；如果車尾距離障礙物的距離較遠(yuǎn)，超聲波往返時間就會超過了定時器T一次性最長的定時時間，則T0發(fā)生溢出而中斷，這時進(jìn)行距離計算，并顯示“OFF”，以示車后無障礙物，可放心倒車。4.1軟件設(shè)計要求本系統(tǒng)的設(shè)計要求是利用超聲波測距原理設(shè)計一個車用的倒車?yán)走_(dá)。要求通過設(shè)計能夠測出并顯示車與障礙物的距離，并能在距離小于1m的時候根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行聲光報警。4.2超聲波測距算法設(shè)計超聲波測距的原理：即為超聲波發(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=(ct)/2（4-1）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。測距時有安裝在同一位置的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，有定時器計時。首先由發(fā)射器向特定方向發(fā)射超聲波并同時啟動定時器計時，超聲波咋介質(zhì)傳播途中一旦遇到障礙物后就被反射回來，當(dāng)接收器收到發(fā)射波立即停止計時。這樣，定時器就記錄下了超聲波自發(fā)射點至障礙物之間往返傳播經(jīng)歷的時間t。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播數(shù)的約為340m/s，所以由公式4-1知發(fā)射點距離障礙物之間的距離為：S=340t/2=170t（4-2）在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)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(jī)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，由于精度要求較高，所以通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ谲浖屑右孕Ｕ?.3主程序主程序是單片機(jī)程序的主體，整個單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序[14]。程序首先完成初始化過程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號的過程，即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都很判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來判斷程序的流程。主程序流程圖如圖4-1開始開始初始化發(fā)射超聲波啟動定時開中斷Testok=1計算距離開報警關(guān)報警顯示距離Testok=2Testok=0NY顯示OFF顯示距離S<1.0m圖4-1主程序流程圖工作時，微處理器AT89C51先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計時。要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后1.4ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出的干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號有高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r表明信號已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。然后再根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行聲光報警。4.4超聲波發(fā)送、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12μs左右，同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。主程序利用為中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷程序后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1即Testok=1。如果當(dāng)計時器溢出是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，及Testok=2以表示此次測距失敗。超聲波發(fā)射程序比較簡單，主要包括T0中斷服務(wù)程序和超聲波接收中斷服務(wù)程序。關(guān)定時器T0關(guān)外部中斷Testok=關(guān)定時器T0關(guān)外部中斷Testok=1返回屏蔽T0中斷圖4-2T0中斷子程序圖4-3超聲波接受中斷子程序4.5顯示程序、報警程序先進(jìn)行動態(tài)顯示初始化將指針指向緩沖區(qū)首地址，然后去顯示位指針，取要顯示的數(shù)，再將數(shù)變成段碼，然后將段碼送段控制器，位碼送位控制器，在延時，然后判斷是否是最后一位，是否顯示完畢，沒有的話修改該緩沖區(qū)指針和位碼，直到顯示完畢。顯示程序及報警程序流程圖如圖4-4，圖4-5外部中斷入口初始化外部中斷入口初始化開位選查表送段碼位選左移一位修正段碼指針返回顯示完畢YN報警子程序取測量值LED顯示Y距離小于1m蜂鳴報警N返回圖4-4顯示子程序圖4-5報警子程序5系統(tǒng)調(diào)試5.1測試環(huán)境與設(shè)備溫度環(huán)境：20~28℃。由于條件限制，未能在偏離常溫較多的環(huán)境下進(jìn)行測試。測試地點：宿舍及實驗室。測試地點都選用室內(nèi)環(huán)境是為了減少干擾。使用設(shè)備：電源、倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、卷尺、萬用表、示波器。5.2硬件電路測試基本電路板檢查：根據(jù)前面的研究完成各個電路模塊的原理設(shè)計并生成PCB圖，制作電路板，進(jìn)行實驗調(diào)試。（1）檢查印制板的印制線是否有斷路，是否有毛刺，是否與其它線或是焊盤粘連，焊盤是否有脫落，過孔是否有未金屬化現(xiàn)象等等。（2）先用萬用表復(fù)核目測中認(rèn)為可疑的連接或是接點，檢查它們的通短狀態(tài)是否與設(shè)計規(guī)定相符。再檢查各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象，如有再仔細(xì)檢查出并排除。短路現(xiàn)象一定要在器件安裝及加電前檢查出。（3）電路接通電源后，用手摸一下芯片是否發(fā)熱，如果發(fā)熱，立即關(guān)掉電源，稍后再進(jìn)行再次檢測；如果沒有發(fā)熱，再測試芯片的VCC端電壓是否達(dá)到設(shè)計要求，接地端是否都接地。主控模塊調(diào)試：在本次設(shè)計中，主控模塊是非常重要的部分，它不僅是本次設(shè)計的核心，在本次硬件調(diào)試中也遇到了問題，接上電源的時候，數(shù)碼管不亮，沒有任何顯示，于是我做了如下的工作：（1）檢查電源是否通電，發(fā)現(xiàn)指示燈亮著；（2）數(shù)碼管引腳對應(yīng)電阻短路，接上數(shù)碼管發(fā)亮了。5.3軟件調(diào)試當(dāng)硬件制作完成后，軟件制作也是不可輕視的部分，是實現(xiàn)電路的功能的關(guān)鍵部分，通過本次畢業(yè)設(shè)計，總結(jié)經(jīng)驗如下：（1）先進(jìn)行人工檢查。寫好程序后，不要立刻燒入單片機(jī)，先對紙面上的程序進(jìn)行人工檢查。由于采用C語言編程，所以要特別小心地檢查語法錯誤，如括號不配對，漏寫分號等，通過仔細(xì)的檢查，發(fā)現(xiàn)并排除這些錯誤。（2）人工檢查無誤后，上機(jī)調(diào)試。在編譯時給出的語法錯誤的信息，根據(jù)提示的信息具體找出程序中錯誤之處并改之，從上至下逐一改正。應(yīng)當(dāng)注意的是：有的提示出錯行并不是真正出錯的行，如果在提示出錯的行上找不到錯誤的話，則應(yīng)該到上行再找。（3）當(dāng)確認(rèn)程序無語法錯誤和邏輯錯誤時，通過直接下載到單片機(jī)來調(diào)試。采用的是自下到上的調(diào)試方法，即單獨調(diào)好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。（4）程序燒入單片機(jī)后，觀察各個部件的工作是否正常，功能是否實現(xiàn)。如不能正常工作，則繼續(xù)檢查程序中的相應(yīng)模塊，必要時從上到下重新檢查程序。5.4調(diào)試總結(jié)超聲波發(fā)射和接收采用超聲波傳感器TCT40-16T和TCT40-16R，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。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)整與接收傳感器并接的濾波電容C9的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀最大誤差不超過1cm。但由于超聲波發(fā)射探頭在發(fā)送超聲波時，有可能會直接被接收探頭接收到，而沒有檢測到實際的障礙物，如果以此進(jìn)行計算，必將造成錯誤測量。因此在發(fā)射探頭發(fā)送超聲波時，必須先關(guān)外部中斷，延時一段時間，避免發(fā)出的超聲波直接被接收，同時，在此時間內(nèi)檢測到障礙物的回波信號也沒有被接收，這就形成了測量的盲區(qū)。由于探測探頭只有一對，則可以使用增加探頭的數(shù)量來減小誤差和盲區(qū)或者調(diào)解超聲波傳感器的探測角度來改善。6結(jié)束語本小型模擬系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實現(xiàn)了既定的功能。并有效的進(jìn)行控制和報警、顯示。在進(jìn)行本設(shè)計時，通過查閱網(wǎng)絡(luò)與圖書館搜集到的資料，再加上指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)與生活中對于超聲波的工作原理的觀察研究相結(jié)合，設(shè)計出了這一套超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)，基本完成了課題的要求，但是由于設(shè)計的理論基礎(chǔ)尚淺，對課題的研究經(jīng)驗還不成熟，使得在技術(shù)的解決與運用上顯得粗糙了一些，在某些技術(shù)關(guān)鍵上的敘述不能達(dá)到詳細(xì)、精辟。但是這個系統(tǒng)的設(shè)計卻不缺乏自己的特點和創(chuàng)新點，特歸納為以下幾點：(1)能實現(xiàn)集中監(jiān)控,且價格低廉； (2)采用模塊化設(shè)計,使用維護(hù)方便,易于普及；(3)利用傳感器和單片機(jī)分別實現(xiàn)檢測和智能控制,易安裝，穩(wěn)定性好；(4)

利用超聲波發(fā)射與接收分開的特點,防止了信號發(fā)射與接收不精確。由于考慮到了成本使用的問題，在硬件上使用了超聲波傳感器TCT40-16，并且系統(tǒng)采用了新型單片機(jī)AT89C51，充分利用了其豐富的片上資源使得系統(tǒng)功能豐富，使用的外圍芯片減少，提高了系統(tǒng)可靠性，并加入了溫度補(bǔ)償電路，提高了距離計算的精度。不過目前市場上大多數(shù)倒車?yán)走_(dá)都或多或少存在誤報警和不報警的情況，也就是倒車?yán)走_(dá)的穩(wěn)定性問題，這是倒車?yán)走_(dá)關(guān)鍵的性能，探測雷達(dá)所用的超聲波技術(shù)是一種模擬技術(shù)。另外，目前倒車?yán)走_(dá)報警后，是采取司機(jī)制動的方法，扮而非自動剎車，也是怕誤報警后的自動剎車帶來負(fù)面影響，因此下一步的研究應(yīng)放在怎樣通過收集不同的探測信號建立信息庫，來正確判斷雷達(dá)所探測到的不同情況，以做出盡可能正確的反應(yīng)，最大限度避免誤報警的負(fù)面影響。本文提出的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計方案硬件電路簡單，具有性能好、成本低、測量精度較高等優(yōu)點。致謝本論文是在鄭文斌老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在選題、設(shè)計研究及撰寫論文過程中，鄭老師均給與了我莫大的指導(dǎo)和幫助，她的適時鞭策，及時糾正和鼓勵使我慢慢走出了電子設(shè)計研究的困頓，積累了很多經(jīng)驗，并完成了預(yù)期的任務(wù)。在此，特向鄭老師表示我衷心的感激和深切的謝意。在此期間，我還得到了班里同學(xué)的幫助，在此一并向他們表示感謝。感謝工程學(xué)院對我的培養(yǎng)，感謝所有關(guān)心和幫助我的老師和同學(xué)。參考文獻(xiàn)：[1]侯國章,賴一楠,田思慶.測試與傳感技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000[2]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2001[3]【日】松井邦彥，梁瑞林譯.傳感器實用電路設(shè)計與制作.北京：科學(xué)出版社，2005[5]楊欣,王玉鳳,劉湘黔.電子設(shè)計從零開始.北京：清華大學(xué)出版社，2005[6]蘇長贊.紅外線與超聲波遙控[M].北京：人民郵電出版社，1993.7：26-35[7]張謙琳.超聲波檢測原理和方法[M].北京：中國科技大學(xué)出版社，1993：11-16[8]夏路易,石宗義.電路原理圖與電路板設(shè)計教程PROTELL99SE.北京：北京希望電子出版社，2002[9]趙晶電路設(shè)計與制版—PROTEL99高級應(yīng)用[M]北京：人民郵電出版社，2000，23-40[10]黃培康，殷紅成，許小劍雷達(dá)目標(biāo)特性[專著]北京：電子工業(yè)出版社，2005，333-338[11]丁鎮(zhèn)生，傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用.第1版.北京：電子工業(yè)出版社，1998，1-23[12]張志良，單片機(jī)原理與控制技術(shù).第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001，1-56[13]張毅剛，單片機(jī)原理及接口技術(shù).第1版.北京：人民郵電出版社，2008，1-27[14]rotorS，ZHANGGX.GeometricErrorMeasurementandCompensationofMachines[M].AnnalsoftheCIRP.1995:599-609[15]OltonW.Instrumentationprocessmeasurement.LongmanScientificTechnical[M].1991:364--372附錄一電路原理圖附錄二PCB圖附錄三程序清單/*超聲波測距器單片機(jī)程序MCUAT89C51XAL12MHz#include<reg51.h>#include<intrins.h>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedintuint;typedefunsignedlongulong;ucharcodetab[]={0x18,0x7b,0x2c,0x29,0x4b,0x89,0x88,0x3b,0x08,0x09,0xff,0x8e};//段碼datauchartestok,num,keynum,mao;datauchardispram[4]={0,0,0,0};//顯示初值datauinti;dataulongtime,baojing;datauchartestok;sbitP1_0=P1^0;sbitP1_1=P1^1;sbitset=P2^0;//定義位尋址，設(shè)置鍵sbitadd=P2^1;//加sbitdec=P2^2;//減sbitok=P2^3;//確定鍵voiddelay(uchart)//延時子程序{uchari,j;for(i=0;i<t;i++)for(j=0;j<10;j++);}init()//定時器初始化、啟動超聲波發(fā)送{uchari=4;TH0=0;TL0=0;TR0=1;while(i--){P1_0=~P1_0;delay(1);}}display()//顯示子程序{uchari,temp=0xef;for(i=0;i<4;i++){P2=temp;if(mao==1&&keynum-1==i)P0=0xff;//滅elseP0=tab[dispram[i]];//亮，送顯示數(shù)據(jù)temp=_crol_(temp,1);delay(10);P2=0xff;}}voidshanshuo()//閃爍{if(keynum<1){keynum++;mao=1;}else{keynum++;mao=0;if(keynum==2)keynum=0;}}voidkeyscan()//鍵盤掃描{if(set==0)//設(shè)置鍵delay(10);if(set==0){while(!set);delay(10);while(!set);keynum++;//鍵值加1EX0=0;//管定時器0和外部中斷1ET0=0;if(keynum==5)keynum=1;}if(keynum!=0){if(add==0)//增加delay(10);if(add==0){while(!add);delay(10);while(!add);dispram[keynum-1]++;//對應(yīng)的緩沖區(qū)值加1if(dispram[keynum-1]==10)dispram[keynum-1]=0;}if(dec==0)//值減delay(10);if(dec==0){while(!dec);delay(10);while(!dec);if(dispram[keynum-1]==0)dispram[keynum-1]=10;dispram[keynum-1]--;//對應(yīng)的緩沖區(qū)值減1}}if(ok==0)//確定鍵delay(10);if(ok==0){while(!ok)delay(10);while(!ok);keynum=0; baojing=dispram[3]*1000+dispram[2]*100+dispram[1]*10+dispram[0];//取出設(shè)置的報警值EX0=1;ET0=1; }}/*主程序*/voidmain(viod){TMOD=0x01;//定時器0模式1IE=0x80;//開總中斷，相當(dāng)于EA=1;while(1){testok=0;if(keynum!=0)shanshuo();else{init();//啟動定時器0和超聲波發(fā)送EX0=1;//開外部中斷0ET0=1;//開定時器0中斷while(!testok)display();}keyscan();if(1==testok){time=TH0;time=(time<<8)/TL0;//取出定時器0值time*=172;time/=10000;//變?yōu)槔迕譱f(time<baojing)P1_1=0;//報警elseP1_1=1;dispram[0]=(uchar)(time%10);//距離計算送顯示緩沖time/=10;dispram[1]=(uchar)(time%10);time/=10;dispram[2]=(uchar)(time%10);dispram[3]=(uchar)(time%10);}if(2==testok)//超時顯示OFF{dispram[0]=11;dispram[1]=11;dispram[2]=0;dispram[3]=10;}for(i=0;i<300;i++)display();}}/*超聲接收程序（外中斷0）*/voidcs_r(void)interrupt0{TR0=0;ET0=0;EX0=0;testok=1;}/*超時清除程序（內(nèi)中斷T0）*/voidovertime(void)interrupt1{EX0=0;ET0=0;TR0=0;testok=2;}

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文作者（本人簽名）：