畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于at89c51單片機(jī)倒車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見(jiàn)的一種距離測(cè)距方法，本文介紹的就是利用超聲波測(cè)距法設(shè)計(jì)的一種倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。</p

2、><p>　　論文的內(nèi)容是基于AT89C51單片機(jī)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AT89C51單片機(jī)結(jié)合于一體，設(shè)計(jì)出一種基于AT89C51單片機(jī)的倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。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)。</p><p>　　論文概述了超聲波檢測(cè)的發(fā)展及基本原理，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

3、超聲波測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。通過(guò)多種發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)方案比較，得出了最佳設(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(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的誤差分析，給出了系統(tǒng)的改進(jìn)方案。</p><p>　　關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī) 超聲波 AT89C51</p><p><b

4、>　　Abstract</b></p><p>　　Is day by day prosperous along with the social economy development transportation shipping industry, the automobile quantity climbs in the first mate. Traffic congestion con

5、dition also day by day serious, the collision event occurred repeatedly, has caused the inevitable person casualties and the economic loss, in view of this kind of situation, designed one kind to respond quickly, the rel

6、iability was high also a more economical automobile guards against hits the early warning system imperative</p><p>　　The paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse co

7、llision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated ci

8、rcuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. </p><p>　　The paper outlines

9、the development and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging syst

10、em functions basis, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design comparison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the c

11、omposition of the system circuit chip int</p><p>　　Key word：monolithic integrated circuit；ultrasonic wave；AT89C51</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅰ</b&

12、gt;</p><p>　　AbstractⅡ</p><p><b>　　引 言1</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 超聲檢測(cè)發(fā)展綜述1</p><p>　　1.2 論文主要內(nèi)容和章節(jié)安排3</

13、p><p>　　第2章 超聲波測(cè)距原理5</p><p>　　2.1 超聲波傳感器介紹5</p><p>　　2.1.1 超聲波傳感器特性6</p><p>　　2.2 超聲波檢測(cè)概述7</p><p>　　2.2.1 超聲探傷8</p><p>　　2.3 超聲測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn)

14、 9</p><p>　　第3章 單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)想11</p><p>　　3.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)總體方案11</p><p>　　3.2 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮12</p><p>　　3.2.1 傳感器指向角12</p><p>　　3.2.2 測(cè)距儀的工作頻率13</p>&

15、lt;p>　　3.2.3 聲速13</p><p>　　3.2.4 發(fā)射脈沖寬度13</p><p>　　3.2.5 測(cè)量盲區(qū)14</p><p>　　第4章 單片機(jī)倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)各組成單元方案設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1 發(fā)射接收電路方案設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1.1

16、超聲波發(fā)射電路15</p><p>　　4.1.2 超聲波接收電路15</p><p>　　4.2 顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.3 單片機(jī)復(fù)位電路18</p>

17、;<p>　　4.4 時(shí)鐘電路19 </p><p>　　4.5 穩(wěn)壓電源20</p><p>　　第5章 系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn)22</p><p>　　5.1 單片機(jī)硬件介紹22</p><p>　　5.1.1 單片機(jī)AT89C51介紹22</p><p>　　5.1.2 8155芯

18、片介紹24</p><p>　　5.1.3 74LS244芯片介紹24</p><p>　　5.1.4 74LS06芯片介紹 25</p><p>　　5.2 運(yùn)算放大器26</p><p>　　5.3 LM567芯片介紹27</p><p>　　5.4 探頭UCM介紹 28</p>

19、<p>　　5.5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 29</p><p>　　5.5.1 主程序 29</p><p>　　5.5.2 顯示子程序和蜂鳴報(bào)警子程序 32</p><p>　　第6章 系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn)34</p><p>　　6.1 誤差產(chǎn)生原因分析34</p><p>　　6.1.1

20、溫度對(duì)超聲聲速的影響34</p><p>　　6.1.2 回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響35</p><p>　　6.1.3 超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響35</p><p>　　6.2 針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案35</p><p><b>　　結(jié) 論37</b></p>

21、<p><b>　　致 謝38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　附 錄37</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通

22、運(yùn)輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見(jiàn)的一種距離測(cè)距方法，應(yīng)用于汽車停車的前后左右防撞的近距離，低速狀況，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，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦浴凵?，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測(cè)距即是利用其反射特性，當(dāng)車輛后退

23、時(shí)，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測(cè)車輛后方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛?cè)藛T，起到安全的作用。 </p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　主要任務(wù)與目的</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)及外圍接口通過(guò)超聲波測(cè)距實(shí)現(xiàn)倒車

24、防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要利用超聲波的特點(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，設(shè)計(jì)出一種基于AT89C51單片機(jī)的倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。可完成測(cè)距、顯示、報(bào)警等多項(xiàng)功能。</p><p>　　超聲波測(cè)距的發(fā)展及在倒車測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　關(guān)于超聲波的研究起始于1876年，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波，這些年來(lái)，隨著超聲波技術(shù)的不斷深入，再加上其具有高精度，

25、無(wú)損，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來(lái)越普及，多年來(lái)已在一些領(lǐng)域的要應(yīng)用，而用于汽車防裝卻是近年的事情。這主要原因是傳統(tǒng)的超聲波傳感器不能達(dá)到汽車行業(yè)的特殊要求。</p><p>　　利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無(wú)目視的生物作為防御以及捕捉獵物的生存手段，也就是有生物體發(fā)出而不被人們所聽(tīng)到的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播由被呆捕捉的獵物或障礙物反射回來(lái)的時(shí)間間隔長(zhǎng)短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙物位置

26、的方法。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定位發(fā)射，方向性好，輕度好控制，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，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、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，且方便采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。</p

27、><p>　　汽車倒車防撞測(cè)距報(bào)警器,是我國(guó)八·五期間需重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的重大科研項(xiàng)目之一,也是汽車六大類汽車電子產(chǎn)品中的一種。以往的汽車倒車報(bào)警器可分為四大類,即嘀嘀聲加閃光,音樂(lè)聲加閃光,語(yǔ)言聲加閃光和倒車至危險(xiǎn)距離(如015m)時(shí)發(fā)出報(bào)警聲的超聲波倒車報(bào)警器。本研究綜合了第3、4類報(bào)警器各功能,并將第4類報(bào)警器加以改進(jìn)、發(fā)展,使其不僅可發(fā)出警告行人的語(yǔ)言聲,而且還能在整個(gè)倒車過(guò)程中自動(dòng)測(cè)量車尾與最近障礙物之間

28、的距離,并用數(shù)字顯示出來(lái),在倒車至極限安全距離(如016m)時(shí),會(huì)發(fā)出急促的警告聲,提醒駕駛員注意剎車。另外當(dāng)蓄電池電壓過(guò)低時(shí),還會(huì)發(fā)出聲光警告,提醒駕駛員及時(shí)充電,以保證儀器及汽車正常工作等。 </p><p>　　2 單片機(jī)超聲波倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)的構(gòu)想</p><p>　　本設(shè)計(jì)是基于51單片機(jī)的超聲波倒車測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可分為軟件部分和硬件部分兩大部分。</p>

29、<p>　　在軟件部分主要實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射接受計(jì)算距離及對(duì)數(shù)碼管顯示、蜂鳴報(bào)警器的控制。硬件部分主要分為超聲波發(fā)射接收、數(shù)碼管顯示等6大模塊。</p><p>　　2.1超聲波測(cè)距倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)的總體方案</p><p>　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及器件的選擇也正是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1 所示。</p><p>　　圖 2-1 超聲波測(cè)距硬件電路圖&

30、lt;/p><p>　　電子市場(chǎng)上常見(jiàn)的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為 40KHz。如果需要更高頻率的超聲探頭，比如幾百赫茲或者幾兆赫茲的頻率，就需要到專業(yè)經(jīng)營(yíng)超聲產(chǎn)品的廠商去購(gòu)買或者定制。鑒于有限的條件，擬選用的探頭是 40KHz 的超聲傳感器，有一支接收傳感器 SZW-R40-10P和一支發(fā)射傳感器SZW-S40-12M，其特性參數(shù)如表 3.1所示。</p><p>　　表3.1傳感器特

31、性參數(shù)</p><p>　　發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時(shí)裝在探頭內(nèi)），諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒(méi)有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲。</p><p>　　電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率 40

32、KHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。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，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對(duì)于接收電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但是，每一支實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過(guò)了這個(gè)極限值之后，會(huì)對(duì)傳感器的內(nèi)部電路造成不可回復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過(guò)這個(gè)極限值。同時(shí)，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變

33、阻尼電阻的方法來(lái)改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適宜于探測(cè)厚度大，對(duì)分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測(cè)近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。</p><p>　　發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過(guò)幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由三級(jí)放大電路，檢波電路及門限判別電路構(gòu)成的，其中包括雜波抑

34、制電路。最終達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。但是由于超聲傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對(duì)于回波的接收和處理造成了相當(dāng)程度的影響。</p><p>　　2.2系統(tǒng)主要參數(shù)考慮</p><p>　　系統(tǒng)的主要參數(shù)有傳感器的指向角、測(cè)距的工作頻率、聲速、脈沖寬度、測(cè)量盲區(qū)等，下面做介紹并闡述。</p><p>　　2.2.1 測(cè)

35、距儀的工作頻率</p><p>　　由文獻(xiàn)[5]知，空氣中超聲波的衰減系數(shù)為α=αaαs=Af2+Bf4。所以，空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在 40KHz 左右。太高頻率的超聲波在空氣中是無(wú)法傳播開(kāi)去的。傳感器的工作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。</p><p>　　工作頻率

36、的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮：</p><p>　　(1) 如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。</p><p>　　(2) 工作頻率越高，對(duì)相同尺寸的換能器來(lái)說(shuō)，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看

37、，工作頻率要求提高。</p><p>　　(3) 從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。</p><p>　　綜上所述，由于本測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在 40KHz，定為 44KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。</p><p>&

38、lt;b>　　2.2.2 聲速</b></p><p>　　由公式(2-1)，聲速的精確程度線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為</p><p>　　V=331.4＋0.607T(m/s) (3-2) </p><p>　　式中，T

39、 是溫度。由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為 340 m/s。</p><p>　　2.2.3發(fā)射脈沖寬度</p><p>　　發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)

40、際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。</p><p>　　在具體設(shè)計(jì)中，比較了 24μs (1 個(gè) 40KHz 脈沖方波)，120μs( 5 個(gè) 40KHz 脈沖方波)，240μs (10 個(gè) 40KHz 脈沖方波)，720μs( 30 個(gè) 40KHz 脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)，最終選用 120μs (5 個(gè) 40KHz 脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度。此

41、時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中。</p><p><b>　　2.2.4測(cè)量盲區(qū)</b></p><p>　　在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。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。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)

42、價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下：</p><p>　　當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振（由于機(jī)械慣性作用）。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，

43、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。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值 Vm ，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。</p>&

44、lt;p>　　2.3超聲波傳感器介紹</p><p>　　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(diǎn)，而經(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(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)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(chǎng)，例如液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、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)

45、用。</p><p>　　超聲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(dòng)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(dòng)力型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(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭

46、，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。</p><p>　　壓電傳感器屬于超聲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(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以

47、外力，則由于產(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。</p><p>　　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(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。超聲波

48、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(jià)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(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)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(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)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(huì)

49、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)。</p><p>　　圖2.1壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)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)共振板，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)

50、共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(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。</p><p>　　壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。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。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(shí)，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

51、特性可制成各種頻率的超聲傳感器。</p><p>　　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。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。</p><p>　　2.3.1超聲波傳感器的特

52、性</p><p>　　超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以SZW-S40-12M 發(fā)射型超聲波傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。</p><p><b>　　一、頻率特性</b></p><p>　　圖2.2超聲發(fā)射傳感器頻率特性</p><p>　　圖 2.2是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中，f0＝40KHz

53、為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在 f0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 f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在 f0兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 f0的交流電壓來(lái)激勵(lì)。</p><p>　　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。曲線在 f0處曲線最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，即在 f0處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好

54、的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R 也有很大關(guān)系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動(dòng)。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。</p><p><b>　　二、指向特性</b></p

55、><p>　　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)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒(méi)有指向性。但離開(kāi)超聲傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。</p><p>　　2.4 超聲波檢測(cè)概述</p><p>　　超聲波是一種頻率超過(guò) 20kHz 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)?/p>

56、基本物理特性—反射、折射、干涉、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，超聲波的大部分能量會(huì)反射。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)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。</p><p>　　超聲波在介質(zhì)（固體、液體、氣體）中傳播時(shí)，利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)

57、特性對(duì)超聲波傳播的影響來(lái)探查物體和進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)稱為超聲檢測(cè)。當(dāng)超聲波以脈沖形式在介質(zhì)中傳播時(shí)，利用反射這一性質(zhì)，在金屬，非金屬中用來(lái)探測(cè)缺陷的位置和性質(zhì)，從而對(duì)鋼板、鍛件、焊縫、混凝土、人造石磨等進(jìn)行探傷檢驗(yàn)；在水中，根據(jù)反射波可以探測(cè)潛水艇和魚群，測(cè)量海底深度以及探查海底底層等；在人體中則可以協(xié)助臨床診斷疾?。ㄈ绺文撃[、腫瘤、膽結(jié)石等）和探測(cè)胎兒等。利用超聲連續(xù)波的共振性質(zhì)，可以測(cè)量高壓容器，鍋爐，輪船甲板等的厚度或腐蝕程度，也可制

58、成機(jī)械濾波器。利用超聲波的衰減特性，可以研究或測(cè)量材料的物理性質(zhì)。當(dāng)超聲波射到運(yùn)動(dòng)體時(shí)，利用多普勒效應(yīng)，可以測(cè)量流速流量，探測(cè)心臟血管搏動(dòng)等。若將超聲波作為載波傳送某些信號(hào)，則可制成水中電話，水中遙測(cè)儀等，以進(jìn)行水中通信。利用超聲波在固體，液體中傳播的速度遠(yuǎn)小于電磁波這一特性，可制成超聲延遲線和存儲(chǔ)裝置以及進(jìn)行電視制式的轉(zhuǎn)換。還可利用超聲波檢漏、測(cè)量液位、粘度、硬度和溫度等。除此之外、聲發(fā)射、聲成像技術(shù)（包括聲全息成像技術(shù)）的發(fā)展更大大

59、豐富了超聲檢測(cè)的內(nèi)容。</p><p>　　超聲波測(cè)量在國(guó)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、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測(cè)相比，其最大特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測(cè)物體內(nèi)部情況。超聲檢測(cè)設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。近十幾年來(lái)，由于微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及

60、超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測(cè)的限制，進(jìn)一步開(kāi)拓了其適用范圍。</p><p>　　2.5 超聲波測(cè)距的原理及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　超聲波脈沖法測(cè)距原理： </p><p>　　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(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)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

61、聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，那么就可以計(jì)算出從聲波到目標(biāo)的距離。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見(jiàn)的超聲波。 </p><p>　　假設(shè)室溫下聲波在空氣中的傳播速度是335.5m/s，測(cè)量得到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間是t秒，則距離d可以由下列公式計(jì)算： </p><p>　　因?yàn)槁暡ń?jīng)過(guò)的距離是聲源與目標(biāo)之間距離的兩倍，聲源與目標(biāo)之間的距離應(yīng)該是d/2。

62、 </p><p>　　超聲波測(cè)距模組信號(hào)： </p><p>　　圖 2.3為超聲波模組上NE5532的7引腳處和模組的J4的40KHz_SEND引腳處測(cè)量得到的波形圖，而傳感器距目標(biāo)面的距離為2米。</p><p>　　圖2.3超聲波信號(hào)測(cè)量圖 </p><p>　　圖中的波形為示波器抓拍圖，1通道為NE5532的7引腳處測(cè)得波形，即上方

63、的波形；通道2為J4的40KHz_SEND引腳處測(cè)得波形。 </p><p>　　圖中可見(jiàn)，接收回路中測(cè)得的超聲波信號(hào)共有兩個(gè)波束，第一個(gè)波束為余波信號(hào)，即超聲波接收頭。發(fā)射頭發(fā)射信號(hào)（一組40KHz的脈沖）后，馬上就接收到了超聲波信號(hào)，并持續(xù)一段時(shí)間。另一個(gè)波束為有效信號(hào)，即經(jīng)過(guò)被測(cè)物表面反射的回波信號(hào)。 </p><p>　　超聲波測(cè)距時(shí)，需要測(cè)的是開(kāi)始發(fā)射到接收到信號(hào)的時(shí)間差，由上圖

64、中就可看出，需要檢測(cè)的有效信號(hào)為反射物反射的回波信號(hào)，故要盡量避免檢測(cè)到余波信號(hào)，這也是超聲波檢測(cè)中存在最小測(cè)量盲區(qū)的主要原因。 </p><p>　　軟件控制脈沖發(fā)射、檢測(cè)回波信號(hào)： </p><p>　　由控制模組發(fā)生40KHz的脈沖信號(hào)，每次測(cè)量發(fā)射的脈沖數(shù)至少要12個(gè)完整的40KHz脈沖。同時(shí)發(fā)射信號(hào)前打開(kāi)計(jì)數(shù)器，進(jìn)行計(jì)時(shí)；等計(jì)時(shí)到達(dá)一定值后再開(kāi)啟檢測(cè)回波信號(hào)，以避免余波信號(hào)的干擾

65、。 </p><p>　　采用外部中斷對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)（回波信號(hào)送到單片機(jī)的為一序列方波脈沖）。接收到回波信號(hào)后，馬上讀取計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為需要測(cè)量的時(shí)間差數(shù)據(jù)。為減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，程序中對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)的處理方法是：每進(jìn)行一次測(cè)距，測(cè)量10次，即取得10組數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后得到這一次測(cè)距值。</p><p>　　第3章 單片機(jī)倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)各組成單元設(shè)計(jì)</p>&l

66、t;p>　　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(guò)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)。</p><p>　　3.1發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　超聲波發(fā)射與接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設(shè)計(jì)方案關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。</p&

67、gt;<p>　　3.11 超聲波的發(fā)射電路</p><p>　　超聲波發(fā)射電路一般由超聲波反射器T、40kHz的超音頻振蕩器、驅(qū)動(dòng)（或激勵(lì)）電路等組成，本設(shè)計(jì)利用門電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，組成的超聲波發(fā)射電路見(jiàn)圖3.11。</p><p><b>　　圖3.11</b></p><p>　　圖中，與非門74LS00和LM38

68、6組成超聲波發(fā)射電路，用74LS00構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)調(diào)節(jié)20k的電位器，可產(chǎn)生超聲波發(fā)射的40kHz信號(hào)，其中U3A為驅(qū)動(dòng)器，電路振蕩頻率f≈1/2.2RC，單片機(jī)的控制信號(hào)由U2A輸入。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設(shè)計(jì)利用了單運(yùn)放LM386，發(fā)射距離可達(dá)4m。</p><p>　　3.12 超聲波的接收電路</p><p>　　超聲波接收電路如圖3.12所示。接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的超

69、聲波接收器R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)。為了進(jìn)行信號(hào)的整形，在設(shè)計(jì)中的CMOS電平的6非門芯片CD4069，可以減少電路的復(fù)雜程度，提高電路的帶負(fù)載能力。整形后的信號(hào)由C1耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567的輸入端3腳，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度落在其中心頻率上時(shí)，LM567的邏輯輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p><b>　　圖3.12</b></p>&

70、lt;p>　　3.13 DS18B20溫度補(bǔ)償電路</p><p>　　根據(jù)上文中式（2）可知，溫度對(duì)聲速的影響較大，若不進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)采集溫度，DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的1-wire總線串行數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、易于與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種溫度測(cè)控系統(tǒng)。它的

71、測(cè)量溫度范圍為-55℃~+125℃，精度可達(dá)0.0675℃，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ms。</p><p>　　數(shù)字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區(qū)別是：將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)串行通信的方式輸出。因此掌握DS18B20的通信協(xié)議是使用該器件的關(guān)鍵。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖時(shí)隙；寫“0”、讀“1”時(shí)隙，讀“0”、讀“1”時(shí)隙。初始化后，傳感器輸出兩個(gè)字節(jié)的溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到

72、實(shí)際溫度的值，利用式（2）可計(jì)算補(bǔ)償聲速。</p><p>　　3.2 顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示報(bào)警單元是經(jīng)過(guò)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(jué)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。</p><p>　　3.

73、2.1系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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(kāi)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

74、在 4 米之內(nèi)，用 3 個(gè) LED 數(shù)碼管表示距離的 cm數(shù)值。</p><p>　　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

75、機(jī)中CPU開(kāi)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，為提高顯示亮度，采用8

76、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(yáng)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。</p><p>　　圖3.13系統(tǒng)顯示電路</p><p>　　3.2.2系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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，R2

77、6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”

78、。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(kāi)，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”。</p><p>　　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。</p><p>　　圖3.14 系統(tǒng)報(bào)警電路</p>

79、<p>　　當(dāng)單片機(jī)AT89C51通過(guò)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，大約5V的電壓，同時(shí)單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。則信號(hào)經(jīng)過(guò)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。</p><p>　　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(lái)，這時(shí)接收器R40-16便會(huì)將反射回來(lái)的超聲波接收，

80、并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(lái)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0.5m，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。&l

81、t;/p><p>　　3、3單片機(jī)復(fù)位電路</p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。</p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖以上

82、的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST保持高電平。只要RST保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。</p><p>　　單片機(jī)復(fù)位電路通常采用以下幾種方式：</p><p><b>　　a、上電自動(dòng)復(fù)位</b></p><p>　　在通電瞬間，由于R·C電路充電過(guò)程中，RST端出現(xiàn)正

83、脈沖，從而使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　圖3.15上電復(fù)位電路</p><p><b>　　b、按鍵電平復(fù)位</b></p><p>　　通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的。</p><p><b>　　c、系統(tǒng)復(fù)位</b></p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中

84、，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。這特別適合于應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)干擾大、電壓波動(dòng)大的工作環(huán)境，并且，當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)復(fù)位端時(shí)，能保證可靠地同步復(fù)位。</p><p>　　考慮本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，干擾小，故采用上電自動(dòng)復(fù)位。</p><p><b>　　3.4震蕩電路</b></p><p>　　時(shí)鐘電路用于

85、產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作 。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體管的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳X2，在芯片的外部通過(guò)這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。</p><p>

86、;<b>　　圖3.16晶振電路</b></p><p>　　電路中的C1和C2一般取30PF左右，而晶體振蕩器的頻率范圍通常是1.2～12MHz，而電路中采用6MHz，晶體振蕩器的頻率越高，振蕩頻率就越高。</p><p><b>　　3.5穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　大部分的電子電路與電子設(shè)備都需要有一個(gè)穩(wěn)定

87、的直流電源提供能量，而且對(duì)于我們通常所接觸的控制器而言，一般都是利用電網(wǎng)提供的交流電源，經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓后，濾去其不穩(wěn)定的脈動(dòng)、干擾成分，提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，來(lái)使電子電路與電子設(shè)備保持正常的工作。并且，我們目前絕大部分電子電路與電子設(shè)備都是使用線性電源，即通過(guò)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的直流電壓給電子電路及芯片工作的。固定式三端穩(wěn)壓電源(7805)是由輸出腳Vo,輸入腳Vi和接地腳GND組成,它的穩(wěn)壓值為+5V,它屬于CW

88、78xx系列的穩(wěn)壓器,輸入端接電容可以進(jìn)一步的濾波,輸出端也要接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響,此電路的穩(wěn)定性也比較好。由于固定式三端穩(wěn)壓電源（7805）的輸出電流有1.5A，而本次設(shè)計(jì)電路電流在1A到2A之間，考慮到電路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次設(shè)計(jì)電源電路需要采用擴(kuò)流電路，如圖3-17。</p><p><b>　　圖 3-17</b></p><p>　　采

89、用外接PNP型大功率管的方法，這是一種最基本的擴(kuò)展電流電路，擴(kuò)展的輸出電流取決于外接功率管的電流負(fù)載量，電路中的R1是VT的偏置電阻，為VT1提壓導(dǎo)通時(shí)的基極偏壓，VT與集成穩(wěn)壓器內(nèi)電路中的NPN型調(diào)整管組成復(fù)合管，設(shè)Ir為流過(guò)電阻R1中的電流，Ic為流過(guò)外接調(diào)整管的集電極電流，Td為7805的靜態(tài)工作電流，這時(shí)7805的輸出電流為Ioxx，可表示為式中為VT的電流放大系數(shù)，穩(wěn)壓擴(kuò)展后的輸出電流Io可表示為。因?yàn)?805的的最大輸出電流

90、為1.5A，當(dāng)Io取1.5A時(shí)，則穩(wěn)壓器的擴(kuò)展后的輸出電流為3A，加一只二極管VD與R1并聯(lián)，把外接整流管的VT1的發(fā)射結(jié)電阻限制在0.7V以內(nèi)，當(dāng)輸出電流超過(guò)額定植時(shí)，保護(hù)電阻R2上的壓降增大，必然會(huì)使VT1的Vbe減小，從而使VT1的輸出電流減小，以至不導(dǎo)通，這樣便達(dá)到了保護(hù)外接管的目的。電路中的VT1可選用3CD6等PNP型硅低頻大功率管。</p><p>　　5.1 單片機(jī)硬件介紹</p>

91、<p>　　5.1.1單片機(jī) AT89C51介紹</p><p>　　AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），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)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了

92、高性價(jià)比的解決方案。    AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。</p><p>　　

93、I/O 端口的編程實(shí)際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對(duì) I/O 寄存器進(jìn)行編程。具體步驟如下：</p><p>　　(1) 根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 偽指令定義其相應(yīng)的寄存器；</p><p>　　(2) 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時(shí)的開(kāi)始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作；</p><p>　　(3

94、) 根據(jù)外圍電路功能，確定 I/O 端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對(duì)于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因?yàn)?I/O 的復(fù)位缺省值為輸入；</p><p>　　(4) 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過(guò)輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻；</p><p>　　(5) 最后對(duì) I/O 端口進(jìn)行輸出(寫數(shù)據(jù)輸出寄存器)和輸入(讀端口)編程，完成對(duì)外圍電路的相應(yīng)功能。&l

95、t;/p><p>　　圖5.1 AT89C51單片機(jī)芯片</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，各接口功能如下：</p><p>　　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）</p><p>　　INT0: 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，接前方測(cè)距電路。</p><p>　　INT1: 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，接前方測(cè)距電

96、路。</p><p>　　P1.3: 接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。</p><p>　　P1.4: 接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。</p><p>　　P0.0: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.1: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.2: 用于顯示輸出，接顯

97、示器。</p><p>　　P0.3: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.4: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.5: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.6: 用于顯示輸出，接顯示器。</p><p>　　P0.7: 用于顯示輸出，接顯示器。</p>

98、<p>　　P2.7: 接報(bào)警電路</p><p>　　P2.0: 接報(bào)警電路</p><p>　　P2.1: 接報(bào)警電路</p><p>　　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。</p><p>　　XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。

99、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)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。</p><p>　　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)。</p><p><b>　　

100、8155芯片介紹</b></p><p>　　圖5.2 8155芯片</p><p><b>　　8155引腳功能：</b></p><p>　　AD7～AD0（19～12腳）：三態(tài)地址/數(shù)據(jù)引出線；</p><p>　　CE（8）：片選信號(hào)線，低電平有效；</p><p>　　RD

101、（9）：存儲(chǔ)器讀信號(hào)線，低電平有效；</p><p>　　WR（10）：存儲(chǔ)器寫信號(hào)線，低電平有效；</p><p>　　ALE（11）：地址及片選信號(hào)鎖存信號(hào)線，高電平有效；</p><p>　　IO/M (7)：I/O接口與存儲(chǔ)器選擇信號(hào)線，高電平表示選擇I/O接口，低電平表示選擇存儲(chǔ)器；</p><p>　　PA7～PA0（28～21）

102、：A口輸入/輸出線；</p><p>　　PB7～PB0（36～29）：B口輸入/輸出線；</p><p>　　PC5～PC0（5、2、1、39、38、37）：C口輸入/輸出線或控制信號(hào)線；</p><p>　　T/IN（3）：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入端；</p><p>　　（T/OUT）（6）：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸出端；</p>&l

103、t;p>　　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。</p><p>　　5.1.3 74LS244芯片介紹</p><p>　　74LS244內(nèi)部共有兩個(gè)四位三態(tài)緩沖器,分別以1和2作為它們的選通工作信號(hào)。當(dāng)1和2都為低電平時(shí),輸入端A和輸出端Y狀態(tài)相同;當(dāng)1和2都為高電平時(shí),輸出呈高阻態(tài)。</p><p>　　74LS244內(nèi)

104、部結(jié)構(gòu)圖:</p><p>　　圖5.3 74LS244內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　表5.1 74LS244的真值表</p><p>　　8 輸入3態(tài)緩沖電路；</p><p>　　把8個(gè)輸入分成2組，4個(gè)一組；</p><p><b>　　H＝高電平；</b></p><

105、;p><b>　　L＝低電平；</b></p><p><b>　　Z＝高阻；</b></p><p>　　G＝0 的時(shí)候，輸入－>輸出；</p><p>　　G＝1的時(shí)候，輸出為高阻態(tài)。</p><p>　　5.1.4 74LS06芯片介紹</p><p>

106、　　74LS06是六路反相驅(qū)動(dòng)器,與七段數(shù)碼管的位碼相連；</p><p>　　74LS06的邏輯圖。</p><p>　　圖5.4 74LS06的邏輯圖</p><p>　　表5.2 74LS06功能表</p><p>　　表5.3 74LS06工作條件表</p><p><b>　　運(yùn)算放大器&l

107、t;/b></p><p><b>　　主要技術(shù)參數(shù):</b></p><p>　　1、開(kāi)環(huán)差模電壓增益Au0：Au0是指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下,并工作在線性區(qū)時(shí)的差模電壓增益.用分貝表示則是20lgAu0.性能較好的集成運(yùn)放的Au0可達(dá)140db以上。</p><p>　　2、輸入失調(diào)電壓及其溫漂：失調(diào)電壓的大小主要反映了差分輸入元

108、件的失配；輸入失調(diào)電壓是隨溫度,電源電壓或時(shí)間而變化的,通常將輸入失調(diào)電壓對(duì)溫度的平均變化率稱為輸入電壓溫度漂移。</p><p>　　3、輸入失調(diào)電流及其溫漂：在常溫下，輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器的兩個(gè)輸入端的基極靜態(tài)電流之差稱為輸入失調(diào)電流II0。輸入失調(diào)電流溫度漂移是指輸入失調(diào)電壓隨溫度變化的平均變化率。一般以mA/0C為單位。高質(zhì)量的為每度幾個(gè)皮安。</p><p>　　4、輸入偏置電

109、流IIB：IIB是指常溫下輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，即</p><p>　　IIB=（IB1+IB2）/2 （5-1）</p><p>　　IIB的大小反映了放大器的輸入電阻和輸入失調(diào)電流的大小，IIB越小，運(yùn)算放大器的輸入電阻越高，輸入失調(diào)電流越小。</p><p>　　5、差模輸入電阻Rid：Rid是指運(yùn)算