第二基于單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(文件)

　

【正文】 出是還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2，及 Testok=2 以表示此次測(cè)距失敗。屏蔽外部中斷屏蔽定時(shí)器中斷關(guān)定時(shí)器屏蔽外部中斷關(guān)定時(shí)器Testok=2返回屏蔽定時(shí)器中斷關(guān)定時(shí)器 T0關(guān)外部中斷Testok=1返回屏蔽 T0 中斷測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用 UCM40 的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是 40kHz 的脈沖信號(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來(lái)產(chǎn)生。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。顯示及報(bào)警子程序框圖： 外部中斷入口初始化
。 前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī) INT0 端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過(guò)與門(mén) IC3A 的輸出接單片機(jī) INT1端口，同時(shí)單片機(jī) 和 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來(lái)處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接 和 端口，工作原理與前方測(cè)距電路相同。下面分別給出各自的流程圖如圖 43 和 44：圖 43 T0 中斷子程序 圖 44 超聲波接收中斷子程序超聲波發(fā)生子程序雖簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，需要采用匯編語(yǔ)言編程。主程序利用為中斷 0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進(jìn)入中斷程序。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。程序首先完成初始化過(guò)程，然后是一個(gè)重復(fù)的控制發(fā)射信號(hào)的過(guò)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(hào)后延時(shí)等待的過(guò)程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來(lái)判斷程序的流程。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 INT0 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。測(cè)距時(shí)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(shí)器計(jì)時(shí)。要求通過(guò)設(shè)計(jì)能夠測(cè)出并顯示車與障礙物的距離，并能在距離小于 1m 的時(shí)候根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行聲光報(bào)警[16] 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的原理：即為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器 R 所接收到。（6） 聲光報(bào)警模塊：當(dāng)所測(cè)距離小于一定值時(shí)，通過(guò)聲光報(bào)警來(lái)挺行駕駛員。（2） 數(shù)碼管顯示模塊：通過(guò)該模塊的設(shè)計(jì)能夠讓所測(cè)得的距離顯示在數(shù)碼管上。其中 S1表示“確定”按鍵；S2 表示 “減一” ；S3 表示“加一 ”、S4 表示循環(huán)移位，對(duì)不同位置進(jìn)行選擇。它通過(guò)輸出 9 位（二進(jìn)制）數(shù)字來(lái)直接表示所測(cè)量的溫度值，溫度值是通過(guò) DS18B20 的數(shù)據(jù)總線直接輸入CPU,無(wú)需 A/D 轉(zhuǎn)換，而且讀寫(xiě)指令，溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳入DS18B20。因而，使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，同時(shí)可靠性更高。目前，大多數(shù)溫度測(cè)控系統(tǒng)在檢測(cè)溫度時(shí)，都采用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電量，經(jīng)信號(hào)放大電路放大到適當(dāng)?shù)姆秶儆?A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來(lái)完成。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，用于顯示車尾障礙物的距離，由單片機(jī) —接 LED 的 a~g 七個(gè)筆段，~ 接四位 8550 的公共端，通過(guò)軟件以動(dòng)態(tài)掃描方式顯示。通過(guò)單片機(jī)的 22228四個(gè)管腳的信號(hào)控制四個(gè)三極管的 B 極，利用三極管的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。此直流電壓經(jīng)過(guò) 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。　 (3)　產(chǎn)品性能 ? 標(biāo)稱頻率（KHz ）：40KHz ? 發(fā)射聲壓 10V（0dB＝）：≥95dB ? 接收靈敏度 40KHz　 （0dB＝V／ubar ）：≥65dB ? 靜電容量 1KHz，＜1V　（PF）：1260pF～2340pF ? 探測(cè)距離（m）：～3 ? －6dB 指向角：　60 度 ? 外殼材料：鋁 ? 外殼顏色：黑 穩(wěn)壓電源電路 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(lái)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。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān) 壓電陶瓷超聲波傳感器 (TCF4018TR1)圖 35 壓電陶瓷超聲傳感器(1)　適用范圍 家用電器及其它電子設(shè)備的超聲波遙控裝置；超聲測(cè)距及汽車倒車防撞裝置；液面探測(cè)；超聲波近接開(kāi)關(guān)及其它應(yīng)用的超聲波發(fā)射與接收。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 S＝Ct/2，式中的 C為超聲波波速。空閑方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。CX20226A 的外部接線圖如圖33 所示：IN 1C1 2C2 3GND 4F0 5C3 6OUT 7VCC 8R17CX20226ALS3RX(S)C9473R14 +C17 10uF/50V+C10 10uF/50VR15200KR16200KC6 330pFVCCC1104P32超 聲 波 接 收 電 路圖 33 超聲波檢測(cè)接收電路圖 超聲波顯示及控制部分電路 AT89C51 單片機(jī)的原理及工作特點(diǎn)5l 系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)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(gè) 16b 的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 T0 和T1，4 個(gè) 8 b 的 I/O 端 I： IP0，P1 ，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。（3） 寬頻帶濾波器：其頻率范圍為 30Hz~60Hz，其中心頻率可調(diào)。（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(shí)，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害，故反射回來(lái)的超聲波信號(hào)的幅值會(huì)有很大的變化。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路進(jìn)行放大。（7） 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ，沒(méi)有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。（4） 4 腳：接地端。（2） 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(gè)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。這種 IC 性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號(hào)接收器 IC 相同或相似，故可用來(lái)代換多種型號(hào)的遙控信號(hào)接收集成電路。常用的載波頻率 38khz 與測(cè)距的 40khz 較為相近，可以利用它來(lái)做接收電路。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。發(fā)射電路主要由反向器74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。 74LS04 是一個(gè)高速CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，而相對(duì)于LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。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(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。 3 硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、溫度補(bǔ)償電路、聲報(bào)警電路、鍵盤(pán)控制電路、單片機(jī)硬件接口電路及顯示報(bào)警電路組成，該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 AT89C51 單片機(jī)，下面分步介紹各硬件部分的具體設(shè)計(jì)分析。當(dāng) 上的電壓超過(guò) BG3 的導(dǎo)通電壓時(shí)，有電流流過(guò) BG3，電流表有指示，電流大小與液面有關(guān)。Q5 輸出的觸發(fā)信號(hào)使雙向可控硅導(dǎo)通，負(fù)載接通。由于是非隔離電源，要整個(gè)電路用塑料外殼封裝，以防觸電（在調(diào)試時(shí)也應(yīng)注意） 。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。圖 28 是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向特性及結(jié)構(gòu)。（2） 指向特性實(shí)際的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)振蕩器，輻射出一個(gè)半球而波（子波） ，這些子波沒(méi)有指向性。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時(shí)靈敏度以隨之降低。圖 27 超聲發(fā)射傳感器頻率特性另外，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。其中，40KHz 處為超聲波發(fā)射傳感器的中心頻率，在 40KHz 處，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 40KHz 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。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。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。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)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(hào)。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。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。流體動(dòng)力性中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。利用超聲波檢測(cè)往北比較迅速、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。因此，在一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具有一定的幅值高度，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。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。T R 基平面（標(biāo)桿）超聲波測(cè)距裝置 被測(cè)物圖 24 標(biāo)桿校正的示意圖超聲波測(cè)距裝置首先測(cè)量距離已知為 h 的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時(shí)間，而后由測(cè)得的時(shí)間和距離 h 根據(jù)公式(23) 求出當(dāng)?shù)芈曀佟?STC12C5410 采用了低成本、低功耗、強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)，并且在最高支持 48MHz 的前提下能夠?qū)崿F(xiàn) 1 個(gè)時(shí)鐘機(jī)械周期的運(yùn)行速度。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1WIRE 總線專利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個(gè) I/O 口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線供電） ，極大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在－10 ℃～＋85℃的工作環(huán)境下可以保持177。 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì) (1) 溫度校正的方法提高測(cè)距精度 由上述的誤差分析知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟龋瑒t可根據(jù)公式 (23) 求出當(dāng)?shù)芈曀伲瑥亩軌颢@得較高的測(cè)量精度。根據(jù)以上過(guò)計(jì)算可知，在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于 1mm 的誤差。因此提高超聲波測(cè)量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀佟３暡ㄔ诖髿庵袀鞑サ乃俣仁芙橘|(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即：（22）?sRTCM?由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q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奶岣叱暡y(cè)距時(shí)的測(cè)量精度。對(duì)于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過(guò)程中會(huì)有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。圖 22 即為超聲波測(cè)距的具體流程圖。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。接收部分就是有兩級(jí)放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成，其中包括雜波抑制電路。發(fā)射電壓從理論上說(shuō)是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接受傳感器上接受的回波功率就比較大，對(duì)于接受電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。其發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式。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；從功能上看，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。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(xiàng)功能整合在一起，并設(shè)計(jì)了語(yǔ)音功能，是目前市面上最先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。不用掛倒檔，只要發(fā)動(dòng)汽車，顯示器上就會(huì)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(pán)上，安裝很方便。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(lái)區(qū)別：綠色代表安全距離，表示障礙物距離有 以上；黃色代表警告距離，表示障礙物距離只有~；紅色代表危險(xiǎn)距離，表示障礙物距離只有不到 ，必須停止倒車。但沒(méi)有語(yǔ)音提示，也沒(méi)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(duì)駕駛員幫助不大。第二代：采用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了六代技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從