畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于單片機(jī)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電路（ LCD 或 LED驅(qū)動(dòng)電路），脈寬 調(diào)制電路 (PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換及 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機(jī)上，構(gòu)成一個(gè)最小然而很完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。總的而言單片機(jī)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面：集成度高、存儲(chǔ)容量大、外部擴(kuò)展能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗、性能價(jià)格比高、可靠性高這幾個(gè)方面。 單片機(jī)按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為 4位、 8 位、 16位及 32位單片機(jī)。它們被應(yīng)用在不同領(lǐng)域里， 8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)大，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能接口、儀表儀器等各個(gè)領(lǐng)域。 8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng) 用場(chǎng)合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭， 32 位單片機(jī)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。 單片機(jī)有著微處理器所不具備的功能，它可以獨(dú)立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機(jī)的最大特點(diǎn)。然而單片機(jī)又不同于單板機(jī)，芯片在沒(méi)有開(kāi)發(fā)前，它只是具備功能極強(qiáng)的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個(gè)最小的、完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。它與單板機(jī)或個(gè)人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)屬于芯片級(jí)應(yīng)用，需要用戶了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令 系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，從而使芯片具備特定的智能。 AT89C52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造， 與工業(yè) 17 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下 標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 它一共有 40個(gè)引腳，引腳又分為四類。其中有四個(gè)電源引腳，用來(lái)接入單片機(jī)的工作 電源。工作電源又分主電源、備用電源和編程電源。還有兩個(gè)時(shí)鐘引腳 XTAL XTAL2。還有由 P0口、 P1口、 P2口、 P3口的所有引腳構(gòu)成的單片機(jī)的輸入 /輸出（ I\O）引腳。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復(fù)位功能。 綜上所述，單片機(jī)的引腳特點(diǎn)是： 單片機(jī)多功能，少引腳，使得引腳復(fù)用現(xiàn)象較多。 單片機(jī)具有四種總線形式： P0和 P2組成的 16位地址地址總線； P0分時(shí)復(fù)用為 8位數(shù)據(jù)總線； ALE、 PSEN、 RST、 EA和 P3口的 INT0、 INT T0、 T WR、RD以及 P1口的 T T2EX組成控制總線；而 P3口的 RXD、 TXD組成串行通信總線。 鑒 于 89C52 所具備的功能可以實(shí)現(xiàn)本測(cè)速系統(tǒng)的要求，所以本系統(tǒng)主控芯片選擇 89C52，然后在主 芯片外圍加上 12MHZ 的晶振，以及電源 等電子元器件構(gòu)成單片機(jī) 最小系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)要求按鍵控制超聲波信號(hào)的發(fā)射，數(shù)碼管顯示，所以 在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加以補(bǔ)充 電路 。 物體的運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算處理后送到數(shù)碼管顯示 ，數(shù)碼管顯示的電路連接圖如圖 10 所示， 數(shù)碼管顯示所用的驅(qū)動(dòng)為集成芯片 74HC573，其引腳圖如圖 9所示： 18 OE1D12D23D34D45D56D67D78D89GND10LE11Q812Q713Q614Q515Q416Q317Q218Q119VCC20SN74HC573AN 圖 9 74HC573引腳圖 圖 9 為 74HC573 引腳圖 ， 74HC573 有 三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)輸出 、 置數(shù)全并行存取 、 使能輸入 以及 有改善抗擾度的滯后作用 等特點(diǎn)。 74HC573 的八個(gè)鎖 存器都是 透明的 D 型鎖存器，當(dāng)使能（ G）為高時(shí)， Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（ D）輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上 。 輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種 電路可以驅(qū)動(dòng)大電容 或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需 要外接口。特別適用于緩沖寄存器， I/O 通道 ， 雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工作寄存器 。 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后 與前文所設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)射與接收電路進(jìn)行連接，整體設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)附錄 2。 19 圖 10 數(shù)碼管顯示電路 本次設(shè)計(jì)的所使用的數(shù)碼管為共陰極 ，圖 10 所示的兩個(gè)三位數(shù)碼管，可以看到所有數(shù)碼管的陽(yáng)極，即標(biāo)有 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H的引腳全部連接在一起，然后與上面的 U4 元件 74HC573 鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端相連，鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端連接單片機(jī)的 P0 口， P0口同時(shí)加了上拉電阻。數(shù)碼管中WE1， WE2， WE3， WE4， WE5， WE6 是它們的位選端，每一個(gè)數(shù)碼對(duì)應(yīng)一個(gè)位選端，與上面的 U5 元件 74HC573 的數(shù)據(jù)輸出端的低 6位 相連， U5 的數(shù)據(jù)輸入端也連接到單片機(jī)的 P0 口。兩個(gè)鎖存器的鎖存端分別與單片機(jī)的 、 相連，因?yàn)閱纹瑱C(jī)可以控制鎖存器的鎖存端，進(jìn)而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，這種分時(shí)控制的方法便可以方便的控制數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。 20 小結(jié) 本章 對(duì)超聲波 測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì) ， 其中包括了超聲波發(fā)射、超聲波接收、單片機(jī)控制以及數(shù)碼管顯示幾部分。其中超聲波發(fā)射又包括低通濾波電路和超聲波換能電路， 超聲波接收則包括整形放大電路、波形變換電路以及超聲波檢測(cè)接收電路。有了超聲波發(fā)射與接收的硬件電路，為后續(xù)單片機(jī)控制軟件編程打下了基礎(chǔ)。 21 第 3章 超聲波測(cè)速系統(tǒng)軟件的 設(shè)計(jì) 主程序 由超聲波超聲波測(cè)速 用 C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，明顯增強(qiáng)程序的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。使用 C語(yǔ)言進(jìn)行 8052系列單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，編程者可以專注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)，不必將大量的精力花在內(nèi)存分配等底層工作上，從而大大加快了軟件開(kāi)發(fā)的速度。因此，本系統(tǒng)采用 C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，本次設(shè) 計(jì)軟件調(diào)試的環(huán)境是 Keil uVision4。 本 次設(shè)計(jì)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)同時(shí)具有時(shí)差法以及多普勒測(cè)速功，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化之后，調(diào)用發(fā)射子程序產(chǎn)生產(chǎn)生兩個(gè)周期 40KHZ的方波發(fā)射出去，同時(shí)定時(shí)器 0開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波信號(hào)碰到物體反射回來(lái)后，當(dāng)接收器收到回波信號(hào)時(shí)定時(shí)器 0停止工作，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器 1，當(dāng)下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器 1停止計(jì)時(shí)進(jìn)入外部中斷，同理再發(fā)射一次超聲波信號(hào)，利用定時(shí)器 0的時(shí)間記錄得到兩次物體與發(fā)射探頭的距離進(jìn)而求出物體運(yùn)動(dòng)速度，而利用定時(shí)器 1的時(shí)間記錄則可以得出回波信號(hào)的頻率，進(jìn)而利用多普 勒原理求出物體速度。超聲波雷達(dá)測(cè)速的 主 程序流程圖如圖 12所示，超聲波測(cè)速源程序見(jiàn)附錄 1。 測(cè)速系統(tǒng)程序由按鍵 s1控制單片機(jī)發(fā)送方波，方波的發(fā)射是靠單片機(jī)產(chǎn)生方波， 由 ， 周期的控制由高低電平時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生 40KHZ的方波，所以控制方波的周期為 25us，即高電平 ，低電平。由于要進(jìn)行多普勒測(cè)速 所以理論上至少要發(fā)射兩個(gè)周期以上才能利用定時(shí)器捕捉回波信號(hào)的周期 ，以此來(lái)得出回波信號(hào)與所發(fā) 40KHZ之間的頻差來(lái)得到物體運(yùn)動(dòng)速度。 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)高電平產(chǎn)生并發(fā)送出去后定時(shí)器 0開(kāi)始計(jì)時(shí)。 發(fā)出的 的 超聲 波在碰到運(yùn)動(dòng)物體反射回來(lái)進(jìn)入超聲波接收電路 后，經(jīng)波形變換以及整形放大后通過(guò)芯片 CX20206a進(jìn)入到單片機(jī)的 ，其中CX20206a在沒(méi)有高電平到時(shí)，其輸出為高電平，當(dāng)有信號(hào)到時(shí)其跳變?yōu)榈? 22 電平。 所以可以根據(jù) ，當(dāng)收到第一個(gè)高電平時(shí)，即 0的計(jì)時(shí)停止，存儲(chǔ) T0的數(shù)據(jù)為 num1，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器 1，當(dāng) ， T1定時(shí)停止，并存儲(chǔ) T1數(shù)據(jù)為 num2。等接受完畢后接著再發(fā)射一次，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器 0，當(dāng)收到回 波后停止，定時(shí)器 0記錄數(shù)據(jù)為 num3。得到定時(shí)器數(shù)據(jù)后，分別利用時(shí)差法計(jì)算公式以及多普勒計(jì)算公式對(duì)速度進(jìn)行計(jì)算。 但測(cè)速系統(tǒng)在測(cè)速過(guò)程中 還應(yīng)該考慮干擾物體對(duì)測(cè)速的影響，應(yīng)該考慮此次測(cè)速是否有效，本設(shè)計(jì)擬對(duì) 5m以上物體的速度進(jìn)行測(cè)量，所以利用軟件編程設(shè)計(jì)對(duì) T0定時(shí)器的時(shí)間記錄進(jìn)行判斷，即當(dāng) num1次測(cè)速失敗，應(yīng)該重新測(cè)量。其次就是對(duì)兩種方法測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較如果二者測(cè)速結(jié)果相差 ，即△ V量。 子程序流程圖如圖 11所示。 當(dāng)系統(tǒng)判斷 測(cè)速 數(shù)據(jù)有效時(shí)，需要對(duì)測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，本次設(shè)計(jì)是針對(duì)速度在 10m/s以下運(yùn)動(dòng)物體速度測(cè)量，顯示保留兩位小數(shù)，即利用 3位顯示。 圖 11 測(cè)量結(jié)果判斷流程圖 開(kāi)始 △ V輸出到顯示 開(kāi)始 輸出到顯示num1 輸出到顯示 N N Y Y 23 圖 12 測(cè)速系統(tǒng)流程圖 開(kāi)始 初始化 調(diào)發(fā)射子程序 定時(shí)器 0 開(kāi)始計(jì)時(shí) N到 Y 定時(shí)器 0停止計(jì)時(shí) 是 否有 上升沿 是 否有 回波 N Y 顯示 結(jié)束 啟動(dòng)定時(shí)器 1 定時(shí)器 1停 止計(jì)時(shí) 調(diào)發(fā)射子程序 是 否有 回波 定時(shí)器 0停止計(jì)時(shí) 計(jì)算速度 定時(shí)器 0 開(kāi)始計(jì)時(shí) Y N 24 主程序中 對(duì)于定時(shí)器的控制 由 定時(shí)中斷服務(wù)子程序以及外部中斷 子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)， 定時(shí)中斷服務(wù)子程序以及外部中斷 子程序如圖 13 和圖 14 所示： 圖 13 定時(shí)中斷服 務(wù)子程序 圖 14 外部中斷服務(wù)子程序 小結(jié) 本章根據(jù)超聲波 測(cè)速系統(tǒng)的 硬件電路 設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)的算法入手，按照測(cè)速步驟對(duì)超聲波測(cè)速系統(tǒng)軟件編程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，畫(huà)出了測(cè)速系統(tǒng)的主要流程，將軟件和硬件充分結(jié)合， 測(cè)速 系統(tǒng)已初步形成。 定時(shí)中斷 入口 定時(shí)器初始化 發(fā)射超聲波 是否 發(fā)射完 停止發(fā)射 返回 外部 中斷入口 關(guān)外部中斷 讀取時(shí)間值 計(jì)算速度 結(jié)果輸出 開(kāi)外部中斷 返回 25 第 4章 系統(tǒng) 性能 分析 系統(tǒng)功能分析 本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變速物體的速度進(jìn)行比較準(zhǔn)確的測(cè)量 ， 由于現(xiàn)有的超聲波換能器最遠(yuǎn)的探測(cè)距離 為 35m，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)更遠(yuǎn)距離的物體進(jìn)行速度測(cè)量 。 對(duì)于時(shí)差法測(cè)速 ， 是根據(jù)兩次超聲波發(fā) 射與接收物體的運(yùn)動(dòng)位移與所用時(shí)間之間的關(guān)系得出的， 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著以最短測(cè)量周期實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的測(cè)量，所以經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析超聲波探頭的探測(cè)距離為 10m,設(shè)在常溫下，即 15℃下聲波在空氣中傳播速度為 340m/s,則 在這個(gè)基礎(chǔ)上可以將測(cè)量周期控制在 以內(nèi) ,在運(yùn)動(dòng)物體的速度不超過(guò) 10m/s 的情況下，根據(jù)系統(tǒng)的程序計(jì)算，測(cè)量誤差不超過(guò) 。 對(duì)于時(shí)差法測(cè)速， 在 測(cè)速 過(guò)程中物體的運(yùn)動(dòng)位移是一定的，但在時(shí)差上在程序中未能考慮到 各部分電路的傳輸速度，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，實(shí)際測(cè)速中應(yīng)在回波接收完之后才發(fā)射第二次 ,但在程 序計(jì)算中，是默認(rèn)在第一次回波后直接發(fā)射第二次，所以由此造成對(duì)速度的計(jì)算中少加了 50us的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間 對(duì) 時(shí)差法測(cè)速 測(cè)速的誤差 影響 不足 ,40KHZ 的方波其波長(zhǎng)為 25us，根據(jù)超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)的要求，當(dāng)測(cè)量距離在 10m 以下時(shí)， 設(shè)此時(shí)的聲速為 340m/s，則 對(duì)于時(shí)差法的兩次發(fā)射 與接收 所耗時(shí)間可以控制在 以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量周期不超過(guò) 的設(shè)計(jì)要求。 對(duì)于多普勒測(cè)速 ， 多普勒測(cè)速時(shí)捕捉回波信號(hào)的周期， 其測(cè)量的精度損失主要來(lái)源于電路 以及持續(xù) 運(yùn)行速度， 再對(duì)測(cè)量精度影響的就是環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響 ， 但一般情況下溫度相對(duì)恒定， 所以測(cè)量精度相對(duì)較高，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的精度要求 ，多普勒測(cè)速是對(duì)回波信號(hào)的的周期進(jìn)行測(cè)量進(jìn)而得出速度的，理論上只需發(fā)射一次即可實(shí)現(xiàn)測(cè)速，其測(cè)量周期在測(cè)量距離不超過(guò) 30m 的情況下，設(shè)聲速為 340m/s，其測(cè)量周期小于 ，符合測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 無(wú)論是時(shí)差法測(cè)速還是多普勒測(cè)速，其速度最后都利用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，數(shù)碼管顯示可以保證測(cè)速結(jié)果精確到 26 系統(tǒng)誤差分析 本次設(shè)計(jì)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求把時(shí)差法測(cè)速以及多普勒測(cè)速在一套系統(tǒng)中得到了 實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)為