基于單片機(jī)的汽車防撞報(bào)警器的設(shè)計(jì)[研究分析]

1、基于單片機(jī)的汽車防撞報(bào)警器設(shè)計(jì)摘 要：本文是基于AT89C51單片機(jī)的汽車防撞報(bào)警器的設(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AT89C51單片機(jī)結(jié)合于一體。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī) 防撞報(bào)警 超聲波一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)二、超聲波測(cè)距原理超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應(yīng)用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測(cè)距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(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，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。常溫下超聲波在空氣中的傳播速

2、度為 c=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=c*t/2=c*t0 （2-1）其中，t0就是所謂的渡越時(shí)間。三、系統(tǒng)各組成單元設(shè)計(jì)該超聲波測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路組成，下面主要通過各個(gè)模塊的各種方案比較，確定設(shè)計(jì)的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的AT89C51單片機(jī)。3.1發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)方案超聲波發(fā)射接收電路如圖3.1所示。該電路簡(jiǎn)單實(shí)用，通過兩極放大，增強(qiáng)接收信號(hào)，比較適合本設(shè)計(jì)需要。測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用壓電陶瓷傳感器，他的工作電壓是40kHZ的脈沖信號(hào)，前方測(cè)距電路的輸入端接單

3、片機(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行程序后，在P1.0端口輸出一個(gè)40kHZ的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHZ的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200s。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，原理和前方測(cè)距相同。圖3.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射接收電路由AT89C51單片機(jī)編程，執(zhí)行程序后P1.0 口產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，經(jīng)三極管放大后來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭UCM40T，產(chǎn)生超聲波。接收頭采用和發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器兩級(jí)放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率

4、f0=1/1.1R8C3,電容C4 決定其鎖定帶寬。調(diào)解R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號(hào)大于25mv，輸出端8腳由高電平越變?yōu)榈碗娖?，作為中斷?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。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INTO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。發(fā)射電路電路圖如圖3.2所示：圖3.2系統(tǒng)發(fā)射電路此電路由一個(gè)9V的電源,R1=3.6K歐,R2=360歐,三極管T一個(gè),激勵(lì)換能器T40-16一個(gè)。

5、其流程圖如圖3.3所示：圖3.3流程圖發(fā)射電路原理：當(dāng)單片機(jī)AT89C51,通過P1.0這個(gè)I/O口,發(fā)送一系列的脈沖,經(jīng)過三極管T進(jìn)行放大,從而使T40-16這個(gè)激勵(lì)換能器發(fā)射出超聲波。接收電路如3.4所示：圖3.4接收電路圖其原理框圖如下：圖3.5 原理框圖此系統(tǒng)為了全方位測(cè)距，故有左、右、中三個(gè)測(cè)距電路，其電路都相同。3.2 顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì)顯示報(bào)警單元是經(jīng)過超聲波發(fā)射接收電路及單片機(jī)AT89C51處理后把信號(hào)轉(zhuǎn)化為人為可以知覺的數(shù)字顯示和報(bào)警響應(yīng)，以進(jìn)一步避免事故發(fā)生。顯示報(bào)警電路由顯示和報(bào)警兩部分電路組成，主要實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況下的顯示報(bào)警功能，以此提醒駕駛員。3.2.1系統(tǒng)顯示

6、電路設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使LED 發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的 LCD 液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示的 LED 驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。由于全程顯示的距離范圍在 4 米之內(nèi)，用 3 個(gè) LED 數(shù)碼管表示距離的 cm數(shù)值。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的LED通以恒定的電流，即每一位LED

7、顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU開銷小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而所謂動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的LED通以脈沖電流，即采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮，這時(shí)LED的亮度就是通斷的平均亮度?？紤]各種因素，本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。本設(shè)計(jì)選用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的I/O口。8155的PA口作為L(zhǎng)ED的字形輸出口，為提高顯

8、示亮度，采用8路反相驅(qū)動(dòng)器74LS244驅(qū)動(dòng)；PC口作為L(zhǎng)ED的位選控制口，采用共陽極的LED顯示器，由于8段全亮?xí)r位控線的驅(qū)動(dòng)電流較大，采用6路反相驅(qū)動(dòng)器74LS06以提高驅(qū)動(dòng)能力。圖3.6系統(tǒng)顯示電路3.2.2系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)報(bào)警電路由一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)喇叭組成。R25的阻值為1K，R26的阻值為10K。對(duì)于二級(jí)運(yùn)算放大,都采用F007芯片.兩級(jí)放大電路均是負(fù)反饋接法,即反相比例運(yùn)算電路.而反相比例運(yùn)算電路中,輸入信號(hào)從反相輸入端輸入,同相輸入端接地.根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所謂“虛短”是由于理想集成運(yùn)放Au0。所以

9、可以認(rèn)為兩個(gè)輸入端之間的差模電壓近似為零，即Uid=u_=u+0.即u_=u+,而u0具有一定值。由于兩個(gè)輸入端間的電壓為零，而又不是短路，故稱為“虛短”。而“虛斷”是由于理想集成運(yùn)放的輸入電阻Rid，故可以認(rèn)為輸入端不取電流，即i_=i+0.這樣，輸入端相當(dāng)于斷路，而又不是斷開，稱為“虛斷”。而電路中，反相輸入端與地端等電位，但又不是真正接地，這種情況稱為“虛地”。所以iI=,iF=，因?yàn)閕_=0,iI=if,則可得u0=-uI.故可將信號(hào)進(jìn)行放大。圖3.7 系統(tǒng)報(bào)警電路當(dāng)單片機(jī)AT89C51通過P1.0，P1.1，P1.2三個(gè)I/O口，發(fā)射出超聲波的信號(hào)，即輸出一個(gè)高電平給這三個(gè)I/O口，

10、大約5V的電壓，同時(shí)單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0開始計(jì)時(shí)。則信號(hào)經(jīng)過三極管T1，T2，T3進(jìn)行放大。使電流達(dá)到T40-16的工作電流，從而發(fā)射出超聲波。當(dāng)T40-16發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射回來，這時(shí)接收器R40-16便會(huì)將反射回來的超聲波接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大器的兩極放大，將信號(hào)送給LM567的輸入端，當(dāng)LM567的輸入端電流大于25mA時(shí)，其8號(hào)輸出引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，使得單片機(jī)AT89C51產(chǎn)生一個(gè)中斷。這樣，計(jì)數(shù)器便停止計(jì)數(shù)。單片機(jī)把計(jì)得的時(shí)間差進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)S=170*t這個(gè)公式來計(jì)算車與障礙物的距離，并把運(yùn)算結(jié)果以十進(jìn)制的方式送到七段LED顯示電路去顯示。如果距離小于0

11、.5m，則單片機(jī)AT89C51便給P1.5口一個(gè)信號(hào)，使得報(bào)警電路工作，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。四、系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn)4.1 單片機(jī)硬件4.1.1單片機(jī)AT89C51圖4.1 AT89C51單片機(jī)芯片根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，各接口功能如下：P1.0: 產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)。（用于前方測(cè)距電路）P1.1: 產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)。（用于右側(cè)測(cè)距電路）P1.2: 產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)。（用于左側(cè)測(cè)距電路）INT0: 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，接前方測(cè)距電路。INT1: 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，接前方測(cè)距電路。P1.3: 接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。P1.4: 接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的

12、判斷。P0.0: 用于顯示輸出，接顯示器。P0.1: 用于顯示輸出，接顯示器。P0.2: 用于顯示輸出，接顯示器。P0.3: 用于顯示輸出，接顯示器。P0.4: 用于顯示輸出，接顯示器。P0.5: 用于顯示輸出，接顯示器。P0.6: 用于顯示輸出，接顯示器。P0.7: 用于顯示輸出，接顯示器。P2.7: 接報(bào)警電路P2.0: 接報(bào)警電路P2.1: 接報(bào)警電路XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，些引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩

13、器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。RST：AT89C51 的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片又時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。4.1.2 8155芯片介紹圖4.2 8155芯片8155引腳功能：AD7AD0（1912腳）：三態(tài)地址/數(shù)據(jù)引出線；CE（8）：片選信號(hào)線，低電平有效；RD（9）：存儲(chǔ)器讀信號(hào)線，低電平有效；WR（10）：存儲(chǔ)器寫信號(hào)線，低電平有效；ALE（11）：地址及片選信號(hào)鎖存信號(hào)線，高電平有效；IO/M (7)：I/O接口與存儲(chǔ)器選擇信號(hào)線，高電

14、平表示選擇I/O接口，低電平表示選擇存儲(chǔ)器；PA7PA0（2821）：A口輸入/輸出線；PB7PB0（3629）：B口輸入/輸出線；PC5PC0（5、2、1、39、38、37）：C口輸入/輸出線或控制信號(hào)線；T/IN（3）：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入端；（T/OUT）（6）：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸出端；RESET（4）：復(fù)位，高電平有效，復(fù)位后三個(gè)I/O口均為輸入功能。4.1.3 探頭UCM介紹壓電陶瓷超聲波換能器（超聲波傳感器）體積小，靈敏度高、性能可靠、價(jià)格低廉，是遙控、遙測(cè)、報(bào)警等電子裝置最理想的電子器件、用此換能器構(gòu)成的超聲波遙控開關(guān)，可使家電產(chǎn)品、電子玩具加速更新?lián)Q代，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。表2.1

15、傳感器特性參數(shù)型號(hào)UCMT40K1UCMR40K1結(jié)構(gòu)開放式開放式發(fā)射距離810米810米使用方式發(fā)射接收諧振頻率40KHZ1KHZ40KHZ1KHZ頻帶寬2KHZ0.5KHZ2KHZ0.5KHZ靈敏度70dB / V / ubar70dB / V / ubar外形尺寸16mm22.5mm16mm22.5mm溫度范圍20 + 60 20 + 60 相對(duì)濕度20 5時(shí)達(dá)98%20 5時(shí)達(dá)98% 使用注意事項(xiàng)：兩接線腳焊接時(shí)間不宜過長(zhǎng)，以免器件內(nèi)之焊點(diǎn)溶化脫焊及造成底座與接線腳之間松動(dòng)。不宜與腐蝕性物質(zhì)接觸。4.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測(cè)距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針

16、對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：一、信號(hào)控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、檢測(cè)電路、顯示電路、門限檢測(cè)的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號(hào)、門控信號(hào)、發(fā)射脈沖信號(hào)、峰值采集信號(hào)、遠(yuǎn)近控制信號(hào)的時(shí)序及輸出。二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在 RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。三、 信號(hào)處理RAM 中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為：S=0.5*V*T0.5*V*(Tr*N)其

17、中，T 為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間，Tr 為方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率，N 為計(jì)數(shù)器的值。在這個(gè)部分中，信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。四、 數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用三位 LED 表示。由于采用了單片機(jī)AT89C51并考慮整個(gè)系統(tǒng)的控制流程，整個(gè)系統(tǒng)軟件都有 AT89C51系列單片機(jī)匯編語言實(shí)現(xiàn)。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。

18、4.2.1主程序主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)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。程序首先完成初始化過程，然后是一個(gè)重復(fù)的控制發(fā)射信號(hào)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)束都會(huì)判斷在發(fā)射信號(hào)后延時(shí)等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來判斷程序得流程。流程圖如圖4.3所示。 圖4.3 主程序流程圖一、 40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 在脈沖產(chǎn)生前先對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行初始化，在這里選擇的是工作方式1定時(shí)器模式，所以TMOD應(yīng)該設(shè)定為01H。接著用STEB TR0指令開啟T0，在開啟T0的同時(shí)開發(fā)發(fā)射超聲波脈沖。測(cè)距系

19、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)行下面程序來產(chǎn)生。 PUZEL： MOV 14H, #12H ；超聲波發(fā)射持續(xù)200ms HERE： CPL P1.0 ；輸出40kHz方波 NOPNOPNOPDJZN 14H，HERERET 前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在P1.0 端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測(cè)距電路相同。這里省略，只研

20、究正對(duì)方向的障礙物。二、 超聲波的接收與處理 超聲波的接受是由外部中斷口INT0是否有中斷脈沖產(chǎn)生來判斷的。定時(shí)子程序轉(zhuǎn)回來的時(shí)候，要對(duì)中斷進(jìn)行初始化。選定的是INT0口，工作方式為脈沖方式。STEB EA ； 中斷總允許STEB EX0 ； INT0中斷允許STEB PX0 ； 設(shè)置INT0為高優(yōu)先級(jí)中斷STEB IT0 ； 設(shè)置INT0為脈沖方式HERE：JMP $ ；等待中斷接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8

21、C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號(hào)大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。 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)距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，同時(shí)單片機(jī)P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。部分源程序如下RECEIVE:PUSH PSW PUST ACC CLR ACC JNB P1.1,RIGHT;P1.1引腳為0，轉(zhuǎn)至右測(cè)距電路中斷服務(wù)程序 JNB P1.2，LEFT;P1.2引腳為0，轉(zhuǎn)至左測(cè)距電路中

22、斷服務(wù)程序 RETURN: SETB EX1;開外部中斷INT1 POP ACC POP PSW RET1三、 數(shù)據(jù)讀取和儲(chǔ)存為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出T0計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在 RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關(guān)外部中斷0 MOV R7, TH0 ；讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH ；計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H, A ；存儲(chǔ)結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A SE

23、TB EX0 ；開外部中斷0 POP ACC POP PSW RETI四、 計(jì)算超聲波傳播時(shí)間 T0中讀取出來的時(shí)間差數(shù)據(jù)并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)闀r(shí)間差值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為：S=0.5*V*T 。其中，V為聲音在常溫下的傳播速度，T為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間，在這個(gè)部分中，信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。4.2.2 顯示子程序和蜂鳴報(bào)警子程序考慮到提高系統(tǒng)資源的利用率，顯示采用動(dòng)態(tài)顯示法實(shí)現(xiàn)。采用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O口。8155的PA口做為L(zhǎng)ED的字形輸出口，PC口做為L(zhǎng)ED的位選控制口，采用共陰顯示接法。將計(jì)算好的距離數(shù)據(jù)設(shè)置

24、顯示緩沖區(qū)起始地址，顯示緩沖區(qū)中被顯示的字符的字形碼的地址偏移量預(yù)先制表放入。流程圖及部分源程序如下：圖4.4 子程序流程圖DISP：MOV DPTR，#7F00H ；指向8155控制口 MOV A，#0DH ；8155初始化 MOVX DPTR，A MOV R7，#01H ；從右邊第1位顯示器開始 MOV R1，#30H ；顯示緩沖區(qū)首地址送R1LOOP：MOV DPTR，#7F03H ；指向8155控制口地址 MOV A，R7 ；位控碼初值 MOVX DPTR，A MOV DPTR，#7F01H ；指向8155段控制口地址 MOV A，R1 ；取待顯示數(shù)據(jù) MOV DPTR， #TAB ；

25、取字形段碼表首地址 MOVX A，A+DPTR ；查表獲取字形段碼 INC R1 ；指針指向下一緩沖單元 MOV A，R7 JB A CC.5,RETURN ；判斷是否到最高位？返回 RL A ；不到，左移一位 MOV R7，A AJMP LOOP ；繼續(xù)掃描RETURN：RETTAB： DB 0C0H，OF9H，0A4H，0B0H，99H DB 92H，82H，0F8H，80H，90H DB 88H，83H，0C6H，0A1H，86H DB 8EH，0BFH，8CH，0FFH五、系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn)本文將從引起超聲測(cè)距誤差的原因入手，分析溫度對(duì)超聲波聲速的影響，回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響和超聲波

26、傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。5.1誤差產(chǎn)生原因分析5.1.1 溫度對(duì)超聲波聲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，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反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即： （5-1）其中B為氣體的彈性模量，r為氣體的密度。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得：B=gr ，其中g(shù)為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為1.40，P為氣體的壓強(qiáng)。氣體的壓強(qiáng)為： （5-2）其中，R為普適常量 8.314kg/mol，T為氣體溫度K(絕對(duì)溫度)，M為氣體分子量，空氣為28.810-3 kg/

27、mol。所以 （5-3）由公式6-3可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。例如：20 時(shí)，T=293.15， CS=344.2 m/s；40時(shí)，T=313.15，CS=355.8 m/s；-20時(shí),T253.15，CS=319.9 m/s；從上面的計(jì)算可以看出，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。5.1.2 回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測(cè)物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過程，超聲波會(huì)有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器x 處有被測(cè)物，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程描述為：A=A(x

28、)cos(ax+kt) （5-4）其中A為超聲傳感器接收的振幅；A0 為超聲傳感器初始振幅；為衰減系數(shù)；x 為超聲波傳播距離；w角頻率；k 為波數(shù)。衰減系數(shù)=bf。其中b為空氣介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。由此可見，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時(shí)超聲波頻率的過高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大放大倍數(shù)(萬倍級(jí))和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè)。5.1.3 超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲

29、測(cè)距常用壓電材料傳感器，例如TR40 壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變S與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E 的關(guān)系為： S=dE （5-5） 其中d 為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。5.2 針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案在實(shí)際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。測(cè)距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時(shí)間計(jì)測(cè)、微機(jī)控制和溫度測(cè)

30、量五個(gè)部分組成。如何提高測(cè)量精度是超聲測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測(cè)距精度的措施下：(1)合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲測(cè)距的工作頻率選擇f=40kHz 較為合適：發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的10倍以上即：T0.25s，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，速度趕快，脈沖發(fā)射周期可選短些。(2) 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用(AGC)電路使放大倍數(shù)隨測(cè)距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測(cè)量距離的變化而大幅度的變化，采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。(3)提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差如采用芯片計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率越高，則時(shí)間