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文檔簡介

西安郵電學院畢業設計(論文)題目:院(系):專業:班級:學生姓名:導師姓名:職稱:摘要隨著社會經濟的發展交通運輸業日益興旺,汽車的數量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴重,撞車事件屢屢發生,造成了不可避免的人身傷亡和經濟損失,針對這種情況,設計一種響應快,可靠性高且較為經濟的汽車防撞預警系統勢在必行,超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法,本文介紹的就是利用超聲波測距法設計的一種倒車防撞報警系統。論文的內容是基于AT89C51單片機倒車防撞系統的設計,主要是利用超聲波的特點和優勢,將超聲波測距系統和AT89C51單片機結合于一體,設計出一種基于AT89C51單片機的倒車防撞報警系統。該系統采用軟、硬件結合的方法,具有模塊化和多用化的特點。論文概述了超聲波檢測的發展及基本原理,闡述了超聲波傳感器的原理及特性。對于系統的一些主要參數進行了討論,并且在介紹超聲波測距系統功能的基礎上,提出了系統的總體構成。通過多種發射接收電路設計方案比較,得出了最佳設計方案,并對系統各個設計單元的原理進行了介紹。對組成各系統電路的芯片進行了介紹,并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統的軟件結構,通過編程來實現系統功能。最后,通過對系統的誤差分析,給出了系統的改進方案。關鍵字:單片機超聲波AT89C51AbstractIsdaybydayprosperousalongwiththesocialeconomydevelopmenttransportationshippingindustry,theautomobilequantityclimbsinthefirstmate.Trafficcongestionconditionalsodaybydayserious,thecollisioneventoccurredrepeatedly,hascausedtheinevitablepersoncasualtiesandtheeconomicloss,inviewofthiskindofsituation,designedonekindtorespondquickly,thereliabilitywashighalsoamoreeconomicalautomobileguardsagainsthitstheearlywarningsystemimperative,theultrasonicwaverangefindingwasthemostcommononedistancerangefindermethod,thisarticleintroducesisguardsagainstusingtheultrasonicwaverangefindingdesignonekindofback-drafthitsthealarmsystem.ThepaperisbasedonthecontentsoftheAT89C51monolithicintegratedcircuitreversecollisionavoidancesystemdesign,mainlyusingultrasoundfeaturesandadvantages,ultrasoundrangingsystemandtheintegrationwiththeintegrationAT89C51monolithicintegratedcircuit,AT89C51monolithicintegratedcircuitbasedonthedesignofareversecollisionavoidancewarningsystems.Thesystemusedsoftwareandhardwareintegratedapproachofamodularandmulti-usecharacteristics.Thepaperoutlinesthedevelopmentandthebasicprinciplesofultrasoundtestsontheprinciplesandcharacteristicsofultrasoundsensors.Someofthemainparametersforthesystemwerediscussed,andintroducingultrasonicrangingsystemfunctionsbasis,theoverallcompositionofthesystem.Throughmultiplelaunchreceptioncircuitdesigncomparison,thebestdesignedprogrammedrawn,andvarioussystemdesignmodulesprinciplesintroduced.Onthecompositionofthesystemcircuitchipintroducedandelaboratedtheprinciplesoftheirwork.Papersintroducedsystemsoftwarearchitecture,throughprogrammingtoachievesystemfunction.Finally,throughtheanalysisofsystemerror,givingthesystemimprovementprogramme.Keyword:monolithicintegratedcircuit;ultrasonicwave;AT89C51目錄TOC\o"1-3"\h\z第1章緒論 11.1超聲檢測發展綜述 11.2論文主要內容和章節安排 31.3本設計時間安排 3第2章超聲波測距原理 52.1超聲波傳感器介紹 52.1.1超聲波傳感器特性 62.2超聲波檢測概述 72.2.1超聲探傷 82.3超聲測距原理及實現 9第3章單片機超聲波測距系統構想 103.1超聲波測距系統總體方案 103.2系統主要參數考慮 113.2.1傳感器指向角 113.2.2測距儀的工作頻率 123.2.3聲速 123.2.4發射脈沖寬度 123.2.5測量盲區 13第4章單片機倒車防撞報警系統各組成單元方案設計 144.1發射接收電路方案設計 144.2顯示報警單元方案設計 224.2.1系統顯示電路設計 224.2.2系統報警電路設計 234.3單片機復位電路 244.4時鐘電路 254.5穩壓電源 25第5章系統硬件及軟件實現 275.1單片機硬件介紹 275.1.1單片機AT89C51介紹 275.1.28155芯片介紹 285.1.374LS244芯片介紹 295.1.474LS06芯片介紹 305.2運算放大器 315.3LM567芯片介紹 325.4探頭UCM介紹 335.5系統軟件結構 345.5.1主程序 345.5.2顯示子程序和蜂鳴報警子程序 37第6章系統誤差分析及改進 396.1誤差產生原因分析 396.1.1溫度對超聲聲速的影響 396.1.2回波檢測對時間測量的影響 406.1.3超聲傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度的影響 406.2針對誤差產生原因的系統改進方案 40參考文獻 42致謝 43第1章緒論隨著社會經濟的發展,交通運輸業日益興旺,汽車的數量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴重,撞車事件屢屢發生,造成了不可避免的人身傷亡和經濟損失,針對這種情況,設計一種響應快,可靠性高且較為經濟的汽車防撞報警系統勢在必行,超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法,應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警系統中,超聲波作為一種特殊的聲波,同樣具有聲波傳輸的基本物理特性——折射,反射,干涉,衍射,散射。超聲波測距即是利用其反射特性,當車輛后退時,超聲波距離傳感器利用超聲波檢測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人員,起到安全的作用。超聲波檢測發展綜述高速度,高效率是現代工業的標志,而這是建立在高質量的基礎之上的。設計和工藝人員理應了解:非均一的組織結構,隨機出現的微觀,宏觀缺陷,常常可以有時甚至是只能依靠無損檢測技術的運用方可予以發現,評價。當然,這與數十年來多方的重視和廣大從業人員的艱辛努力,使無損檢測技術在這方面已具有一定的能力有關。現在,在工業發達國家,無損檢測在產品的設計,研制,使用部門已被卓有成效的運用,1981年美國前總統里根在給美國無損檢測學會成立40周年大會的賀信中就說過:“你們能夠給飛機和空間飛行器,發電廠,船舶,汽車和建筑物等帶來更大程度的可靠性。沒有無損檢測,我們就不可能享有目前在這些領域和其他領域的領先地位。”無損檢測正在以迅猛之勢向縱深發展,客觀的需要畢竟是一種專業可以發展的最大動力。我國無損檢測技術是從無到有,從低級階段逐漸發展到應用普及的現階段水平。超聲波檢測儀器的研制生產,也大致按此規律發展變化。五十年代,我國開始從國外引進超聲波儀器,多是笨重的電子管式儀器。如英國的UCT-2超聲波檢測儀,重達24Kg,各單位積極開展試驗研究工作,在一些工程檢測中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初,國內科研單位進口了波蘭產超聲儀,并進行仿制生產。隨后,上海同濟大學研制出CTS-10型非金屬超聲檢測儀,也是電子管式,儀器重約20Hg。該儀器性能穩定,波形清晰。但當時這種儀器只有個別科研單位使用,建工部門使用不多。直至七十年代中期,因無損檢測技術仍處于試驗階段,未推廣普及,所以儀器沒有多大發展,仍使用電子管式的UCT-2,CTS-10型儀器。1976年,國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術交流會后,國家建委將混凝土無損檢測技術列為重點攻關項目,組織全國6個單位協作攻關。從此,無損檢測技術開始進入有計劃,有目的的研究階段。隨著電子工業的飛速發展,半導體元件逐漸代替了電子管器件,更有利于無損檢測技術的推廣普及。如羅馬尼亞N2701型超聲波測試儀,是由晶體管分立元件組成,具有波形和數碼顯示,儀器重量10Kg。七十年代,英國C.N.S公司推出僅有3.5Kg重的PUNDIT便攜式超聲儀。1978年10月,中國建筑科學院研制出JC-2型便攜式超聲波檢測儀。該儀器采用TTL線路,數碼顯示,儀器重量為5Kg。同期研制出的超聲檢測儀器還有SC-2型,CTS-25型,SYC-2型超聲波檢測儀。從此,我國有了自己生產的超聲波儀器,為推廣應用無損檢測技術奠定了良好的基礎。超聲波檢測技術是我國重點發展和推廣的新技術,其具有高精度,無損,非接觸等優點。目前,已經廣泛地應用在機械制造,電子冶金,航海,宇航,石油化工,交通等工業領域。此外,在材料科學,醫學,生物科學等領域中也占具重要地位。國外在提高超聲波測距方面做了大量研究,國內一些學者也做了相關研究。對超聲波測距精度主要取決于所測的超聲波傳播時間和超聲波在介質中的傳播速度,二者中以傳播時間的精度影響較大,所以大部分文獻采用降低傳播時間的不確定度來提高測距精度。目前,相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法。超聲波檢測技術作為無損檢測技術的重要手段之一,在其發展過程中起著重要的作用,它提供了評價固體材料的微觀組織及相關力學性能、檢測其微觀和宏觀不連續性的有效通用方法。由于其信號的高頻特性,超聲波檢測早期僅使用模擬量信號的分析,大部分檢測設備僅有A掃描形式,需要通過有經驗的無損檢測人員對信號進行人工分析才能得出正確的結論,對檢測和分析人員的要求較高,因此,人為因素對檢測的結果影響較大,波形也不易記錄和保存,不適宜完成自動化檢測。八十年代后期,由于計算機技術和高速器件的不斷發展,使超聲波信號的數字化采集和分析成為可能。目前國內也相繼出現了各類數字化超聲波檢測設備,并已成為超聲波檢測的發展方向。廈門大學的某位學者研究了一種回波輪廓分析法。該方法在測距中通過兩次探測求取回波包絡曲線來得到回波的起點,通過這樣處理后超聲波傳播時間的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介紹了一種自適應系統,采用特殊的發射波形來獲得好的回波包絡,同時采用對環境噪聲進行估測,設置一定的回波開平電路,且采用自動增益的控制放大器,通過這些措施來提高超聲波的探測精度。另外,也有大量的文獻研究采用數字信號處理技術和小波變換理論來提高傳輸時間的精度。這些處理方法都取得了較好的效果。目前國內外在超聲波檢測領域都向著數字化方向發展,數字式超聲波檢測儀器的發展速度很快。國內近幾年也相繼出現了許多數字式超聲波儀器和分析系統。國際上對超聲波檢測數字化技術的研究非常重視,國外生產類似產品和研究的公司有美國的泛美(PANAMETRICS)公司、METEC公司,加拿大的R/DTECH公司,德國的K-K公司、法國的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等,上述這些公司生產的超聲波檢測采集、分析和成像處理系統的技術水平較高,在世界上處于領先水平。隨著檢測技術研究的不斷深入,對超聲檢測儀器的功能要求越來越高,單數碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差。進一步要求以后生產的超聲儀能夠具有雙顯及內帶有單板機的微處理功能。隨后具有檢測,記錄,存儲,數據處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現一派繁榮景象。其中,煤炭科學研究院研制的2000A型超聲分析檢測儀,是一種內帶微處理器的智能化測量儀器,全部操作都處于微處理器的控制管理之下,所有測量值,處理結果,狀態信息都在顯像管上顯示出來,并可接微型打印機打印。其數字和波形都比較清晰穩定,操作簡單,可靠性高,具有斷電存儲功能,其串口可以方便用戶對儀器的測試數據進行后處理及有關程序的開發。與國內同類產品相比,設計新穎合理,功能齊全,在儀器設計上有重大突破和創新,達到了國際先進水平。目前,計算機市場價格大幅度下降,采用非一體化超聲波檢測儀器,計算機可發揮它一機多用的各種功能,實際上是最大的節約。過去那種全功能的儀器設置,還不如單獨的超聲儀,計算機可充分發揮各自特點。綜上所述,我國超聲波儀器的研制與生產,有較大發展,有的型號已超過國外同類儀器水平。本論文的主要內容,章節安排本論文第一章緒論部分主要介紹了超聲波的發展狀況,以及目前的現狀和前景。第二章超聲波測距原理主要介紹了超聲波傳感器,超聲波傳感器的特性,傳感器的檢測概述和超聲波測距的原理及實現。第三章單片機倒車防撞報警系統總體構想主要介紹了超聲測距系統的總體方案,系統主要參數考慮和超聲測距系統的總體構成。第四章超聲波測距系統各組成單元方案設計(包括發射接收電路設計、顯示電路設計、報警電路設計、晶振電路設計、復位電路設計等)。并詳細介紹了最終確定的各單元設計方案以及最終方案的設計原理。第五章系統硬件軟件實現部分主要介紹了各模塊中的硬件部分以及軟件的實現。第六章給出系統的誤差分析和系統改進。本設計時間安排第01周至第01周:熟悉設計題目,查閱中文及收集相關資料;第02周至第02周:解超聲波測距技術和單片機技術;第03周至第03周:完成畢業設計(論文)開題報告,并開始進行畢業設計;第04周至第05周:完成超聲測距方案論證與比較設計;第06周至第07周:完成控制模塊的電路設計和方案論證;第08周至第09周:完成外圍電路和電路控制模塊的硬件設計;第10周至第12周:完成電路控制模塊的軟件設計;第13周至第14周:整理相關資料,完成畢業設計(論文)初稿;第15周至第16周:修改、完善畢業論文,完成打印、裝訂工作;第17周至第17周:準備答辯。第2章超聲波測距原理2.1超聲波傳感器介紹超聲波由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優點,而經常用于距離的測量,如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。超聲波測距主要應用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業現場,例如液位、井深、管道長度等場合。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到工業實用的要求,因此在測控系統的研制上得到了廣泛應用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉變為所需頻率的超聲能或是把超聲能轉變為同頻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。由于工作頻率與應用目的不同,超聲傳感器的結構形式是多種多樣的,并且名稱也有不同,例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲傳感器稱作探頭,而工業中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。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,是超聲檢測中最常用的實現電能和聲能相互轉換的一種傳感器件,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,它就產生一定的應變;相反,對這種材料施以外力,則由于產生了應變就會在其內部產生一定方向的電場。所以,只要對這種材料加以交變電場,它就會產生交變的應變,從而產生超聲振動。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。當壓電晶片受發射電脈沖激勵后產生振動,即可發射聲脈沖,是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時,晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號,是正壓電效應。前者用于超聲波的發射,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,根據壓電效應,就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形,這種機械變形的大小和方向在一定范圍內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,它就會產生同頻率的機械振動,這種機械振動推動空氣等媒介,便會發出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用,這將會使其產生機械變形,這種機械變形是與超聲機械波一致的,機械變形使壓電陶瓷晶片產生頻率與超聲機械波相同的電信號。圖2.1壓電式超聲波傳感器結構圖壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的,超聲波發生器內部結構如圖2.1所示,它有兩個壓電晶片和一個共振板,當它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發生共振,并帶動共振板振動,便產生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉化為電信號,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。超聲波傳感器的內部結構由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網構成,其中,壓電陶瓷晶片是傳感器的核心,錐形輻射喇叭使發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。金屬網也是起保護作用的,但不影響發射與接收超聲波。2.1.1超聲波傳感器的特性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發射型超聲波傳感器為例進行說明。一、頻率特性圖2.2超聲發射傳感器頻率特性圖2.2是超聲波發射傳感器的頻率特性曲線。其中,f0=40KHz為超聲發射傳感器的中心頻率,在f0處,超聲發射傳感器所產生的超聲機械波最強,也就是說在f0處所產生的超聲聲壓能級最高。而在f0兩側,聲壓能級迅速衰減。因此,超聲波發射傳感器一定要使用非常接近中心頻率f0的交流電壓來激勵。另外,超聲波接收傳感器的頻率特性與發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也有很大關系,如果R很大,頻率特性是尖銳共振的,并且在這個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,同時靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此,超聲接收傳感器應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。二、指向特性實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片,可以把表面上每個點看成一個振蕩源,輻射出一個半球面波(子波),這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結果(衍射),卻有指向性。2.2超聲波檢測概述超聲波是一種頻率超過20kHz的機械波。超聲波作為一種特殊的聲波,同樣具有聲波傳輸的基本物理特性—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,可產生較大力量,并且在不同的媒質介面,超聲波的大部分能量會反射。利用超聲波檢測往往比較迅速,方便,易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業實用的要求,主要應用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業現場,例如:液位、井深、管道長度等場合。超聲波在介質(固體、液體、氣體)中傳播時,利用不同介質的不同聲學特性對超聲波傳播的影響來探查物體和進行測量的技術稱為超聲檢測。當超聲波以脈沖形式在介質中傳播時,利用反射這一性質,在金屬,非金屬中用來探測缺陷的位置和性質,從而對鋼板、鍛件、焊縫、混凝土、人造石磨等進行探傷檢驗;在水中,根據反射波可以探測潛水艇和魚群,測量海底深度以及探查海底底層等;在人體中則可以協助臨床診斷疾病(如肝膿腫、腫瘤、膽結石等)和探測胎兒等。利用超聲連續波的共振性質,可以測量高壓容器,鍋爐,輪船甲板等的厚度或腐蝕程度,也可制成機械濾波器。利用超聲波的衰減特性,可以研究或測量材料的物理性質。當超聲波射到運動體時,利用多普勒效應,可以測量流速流量,探測心臟血管搏動等。若將超聲波作為載波傳送某些信號,則可制成水中電話,水中遙測儀等,以進行水中通信。利用超聲波在固體,液體中傳播的速度遠小于電磁波這一特性,可制成超聲延遲線和存儲裝置以及進行電視制式的轉換。還可利用超聲波檢漏、測量液位、粘度、硬度和溫度等。除此之外、聲發射、聲成像技術(包括聲全息成像技術)的發展更大大豐富了超聲檢測的內容。超聲波測量在國防、航空航天、電力、石化、機械、材料等眾多領域具有廣泛的作用,它不但可以保證產品質量、保障安全,還可起到節約能源、降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比,其最大特點是穿透力強,幾乎可以在任何物體中傳播,了解被測物體內部情況。超聲檢測設備還具有結構簡單,成本低廉的優點,有利于工程實際使用。近十幾年來,由于微機技術、現代電子技術、信號處理技術以及超聲波產生和接收新技術的發展,突破了常規超聲檢測的限制,進一步開拓了其適用范圍。2.2.1超聲探傷超聲波在被檢材料(金屬、非金屬)中傳播時,利用材料本身或內部缺陷所示的聲學性質對超聲波傳播的影響來檢測材料的組織和內部缺陷的方法,稱為超聲探傷。它是一種非破壞性的材料實驗方法,即不需破壞被檢材料或工件就能探測其內部各種缺陷(如裂紋、氣泡、夾雜物等)的大小,形狀和分布狀況以及測定材料性質。超聲探傷具有靈敏度高、快速方便、易實現自動化等優點,因此廣泛應用于機器制造、冶金、化工設備、國防建設等部門,已成為保證產品質量、確保安全的一種重要手段。超聲探傷按其方法和目的可分為如下諸種:一、脈沖反射法把超聲脈沖發射到物體中再接收來自物體中的反射波,這種探傷方法稱為脈沖反射法。它是超聲探傷中最基本的方法。在脈沖反射法中,根據聲束傳播情況可分為直探法和斜探法;根據探傷所用波形可分為縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法和板波探傷法;根據探頭個數和作用可分為單探頭法和雙探頭法;根據聲耦合方式可分為直接接觸法和水浸法等等。由于這些方法具有各自的特點,所以廣泛用來對金屬和非金屬材料及其制品進行無損檢驗。二、穿透法利用穿過被檢物體的超聲波的穿透率和有無聲影進行探傷檢驗的方法稱為穿透法。穿透法有連續波穿透法,脈沖穿透法和共振穿透法等。此方法的優點是適用于薄工件;由于超聲波傳播路程僅為反射法的一半,故適用于檢查衰減大的材料;探傷圖形直觀,只要定好檢查標準就可以進行作業;易實現自動探傷、檢查速度快。缺點是不能知道缺陷的深度位置;缺陷探測靈敏度一般比反射法低,難以檢查較小缺陷。三、共振法把頻率連續改變的超聲波射入被檢材料,根據材料的共振狀況測量其厚度或檢查有無缺陷等材料性質的方法稱為共振法。共振法一般用來測量金屬板、管壁、容器壁的厚度或腐蝕程度,測量聲速,檢查板中的分層和進行材質判定。四、聲阻法聲阻法是利用被測物件的振動特性,即被測物對探頭所呈現的機械阻抗的變化來進行檢測的一種無損檢測法。它多用于檢測物體表面的成層情況,例如用來檢查基體材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作頻率范圍一般都較低(如幾千赫茲)。用這種方法工作時,把探頭和被測件直接接觸,使被測件和探頭結合在一起構成一個共振體,探頭一方面是振動源,同時也是檢測部件,當被測件的有效厚度不同時(例如,若膜片未粘上,則有效厚度僅為膜片的厚度,若已完好的粘接上,則有效厚度包括膜片和基體材料的厚度),該共振體頻率特性就不同,從而可根據其頻率特性來判定膜片在某個小區域的粘接情況。2.3超聲波測距的原理及實現超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應用要求限定,在這里使用脈沖反射式,即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過超聲波發射傳感器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,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時。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離(S),即:S=C*t/2=C*t0(2-1)其中,t0就是所謂的渡越時間。可以看出主要部分有:(1)供應電能的脈沖發生器(發射電路);(2)使接收和發射隔離的開關部分;(3)轉換電能為聲能,且將聲能透射到介質中的發射傳感器;(4)接收反射聲能(回波)和轉換聲能為電信號的接收傳感器;(5)接收放大器,可以使微弱的回聲放大到一定幅度,并使回聲激發記錄設備;(6)記錄/控制設備,通常控制發射到傳感器中的電能,并控制聲能脈沖發射到記錄回波的時間,存儲所要求的數據,并將時間間隔轉換成距離。在超聲波測量系統中,頻率取得太低,外界的雜音干擾較多;頻率取得太高,在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中,常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米,是一種適合室內測量的方式。由于超聲波發射與接收器件具有固有的頻率特性,具有很高的抗干擾性能。距離測量系統常用的頻率范圍為25KHz~300KHz的脈沖壓力波,發射和接收的傳感器有時共用一個,或者兩個是分開使用的。發射電路一般由振蕩和功放兩部分組成,負責向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串,并由傳感器轉換成聲能發射出去;接收放大器用于放大回聲信號以便記錄,同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號,接收放大器要有足夠的頻帶寬度;收/發隔離則使接收裝置避開強大的發射信號;記錄/控制部分啟動或關閉發射電路并記錄發射的瞬時及接收的瞬時,并將時差換算成距離讀數并加以顯示或記錄。第3章單片機超聲波測距構想該超聲測距系統的應用背景是基于DSP的超聲信號檢測中的先期部分。因此初步計劃是在室內小范圍的測距,限定在4米之內。本章從整體結構角度討論了測距系統的組成及一些系統主要參數。3.1超聲波測距系統的總體方案系統的設計及器件的選擇也正是在這個基礎上進行的,系統結構如圖3.1所示。圖3.1超聲波測距硬件電路圖電子市場上常見的超聲探頭是收發分體式,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,就需要到專業經營超聲產品的廠商去購買或者定制。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和一支發射傳感器SZW-S40-12M,其特性參數如表3.1所示。發射電路通常有調諧式和非調諧式。在調諧式電路中有調諧線圈(有時裝在探頭內),諧振頻率由調諧電路的電感、電容決定,發射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調諧式電路中沒有調諧元件,發射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數決定,頻帶較寬。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發射傳感器的兩端,使其振動發出超聲。電路頻率的選擇應該滿足發射傳感器的固有頻率40KHz,這樣才能使其工作在諧振頻率,達到最優的特性。發射電壓從理論上說是越高越好,因為對同一支發射傳感器而言,電壓越高,發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,對于接收電路的設計就相對簡單一些。但是,每一支實際的發射傳感器有其工作電壓的極限值,即當工作電壓超過了這個極限值之后,會對傳感器的內部電路造成不可回復的損害。因此,工作電壓不能超過這個極限值。同時,發射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發射強度。電阻大時阻尼小,發射強度大,儀器分辨率低,適宜于探測厚度大,對分辨力要求不高的試件。電阻小時阻尼大,分辨率高,在探測近表面缺陷時或對分辨力有較高要求時應予采用。表3.1傳感器特性參數發射部分的點脈沖電壓很高,但是由障礙物回波引起的壓電晶片產生的射頻電壓不過幾十毫伏,要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由三級放大電路,檢波電路及門限判別電路構成的,其中包括雜波抑制電路。最終達到對回波進行放大檢測,產生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。但是由于超聲傳感器固有特性,即盲區的存在,對于回波的接收和處理造成了相當程度的影響。3.2系統主要參數考慮系統的主要參數有傳感器的指向角、測距的工作頻率、聲速、脈沖寬度、測量盲區等,下面做介紹并闡述。3.2.1傳感器的指向角θ傳感器的指向角是聲束半功率點的夾角,是影響測距的一個重要技術參數,它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說,它的大小與工作波長λ,傳感器半徑r有關。由(2π/λ)*r*sin(θ/2)=1.615(3-1)選f0=40KHz時,λ=C/f0=8.5mm。當f0選定后,指向角θ近似與傳感器半徑成反比。指向角θ愈小,空間分辨率愈高,則要求傳感器半徑r愈大。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規格有限,為降低成本,在不降低空間分辨率的條件下,選用國產現有壓電傳感器片最大半徑r=6.3mm,故θ=2*arcsin(1.615λ/2*π*r)=75°。3.2.2測距儀的工作頻率由文獻[5]知,空氣中超聲波的衰減系數為α=αaαs=Af2+Bf4。所以,空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感,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法傳播開去的。傳感器的工作頻率是測距系統的主要技術參數,它直接影響超聲波的擴散和吸收損失,障礙物反射損失,背景噪聲,并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮:(1)如果測距的能力要求很大,聲波傳播損失就相對增加,由于介質對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。(2)工作頻率越高,對相同尺寸的換能器來說,傳感器的方向性越尖銳,測量障礙物復雜表面越準,而且波長短,尺寸分辨率高,“細節”容易辨識清楚,因此從測量復雜障礙物表面和測量精度來看,工作頻率要求提高。(3)從傳感器設計角度看,工作頻率越低,傳感器尺寸就越大,制造和安裝就越困難。綜上所述,由于本測距儀最大測量量程不大,因而選擇測距儀工作頻率在40KHz,定為44KHz。這樣傳感器方向性尖銳,且避開了噪聲,提高了信噪比;雖然傳播損失相對低頻有所增加,但不會給發射和接收帶來困難。3.2.3聲速由公式(2-1),聲速的精確程度線性的決定了測距系統的測量精度。傳播介質中聲波的傳播速度隨溫度,雜質含量,和介質壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為V=331.4+0.607T(mm/ms)(3-2)式中,T是溫度。由于該測距系統用于室內測量,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上式計算出為340mm/ms。3.2.4發射脈沖寬度發射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區,也影響測量精度,同時與信號的發射能量有關。根據資料,減小發射脈沖寬度,可以提高測量精度,減小測量盲區,但同時也減小了發射能量,對接收回波不利。但是根據實際的經驗,過寬的脈沖寬度會增加測量盲區,對接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設計中,比較了24μs(1個40KHz脈沖方波),120μs(5個40KHz脈沖方波),240μs(10個40KHz脈沖方波),720μs(30個40KHz脈沖方波)的發射脈沖寬度作為發射信號后的接收信號,最終選用120μs(5個40KHz脈沖方波)的發射脈沖寬度。此時,從接收回波信號幅度和測量盲區兩個方面來衡量比較適中。3.2.5測量盲區在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下,電壓很高的發射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時,在短時間內放大器的放大倍數會降低,甚至沒有放大作用,這種現象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據阻塞區內的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低,有時甚至不能發現障礙物,這是需要注意的。由于發射聲脈沖自身有一定的寬度,加上放大器有阻塞問題,在靠近發射脈沖一段時間范圍內,所要求發現的缺陷往往不能被發現,這段距離,稱為盲區,具體分析如下:當發射超聲波時,發射信號雖然只維持一個極短時間,但停止施加發射信號后,探頭上還存在一定余振(由于機械慣性作用)。因此,在一段較長時間內,加在接收放大器輸入端的發射信號幅值仍具一定幅值高度,可以達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卻遠比發射信號小,即使是離探頭較近的表面反射回來的信號,也達不到限幅電路的限幅電平。當反射面離探頭愈來愈遠,接收和發射信號相隔時間愈來愈長,其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中,接收信號的衰減總是比發射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比,接收信號幅值需達到規定的閾值Vm,亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。第4章單片機倒車防撞報警系統各組成單元設計該超聲波測距系統由超聲波發射與接收電路、單片機硬件接口電路、顯示報警電路組成,下面主要通過各個模塊的各種方案比較,確定設計的最終方案。該系統的核心部分采用性能較好的AT89C51單片機。4.1發射與接收電路的設計方案超聲波發射與接收電路是整個系統的重要部分,因此確定一種好的設計方案關系整個系統的精確性和安全可靠性。本文通過多種方案比較,以達到最佳方案確定。1、發射電路發射電路由555多諧振蕩器和數字功率放大器組成。采用555多諧振蕩器可以實現寬范圍占空比的調節,并且電路設計簡單占用面積小。如圖4.2所示,由單片機.P1.0口發出同步脈沖信號,該同步脈沖啟動多諧振蕩器,使其輸出20KHz的高頻電壓信號,經過整形及功放電路加至超聲波換能器探頭,根據逆壓電效應,產生振動頻率為20KHz的超聲波。2、接收電路接收電路主要由回波放大接收電路及比較電路組成。如圖4.3所示,首先調節可調電阻使比較器A1同相端電位高于2.5V。由于D1輸出低電平,而反相器N輸出高電平,所以有RS觸發器的=0,=1,Q=1,=0當P1.0發出啟動信號(如圖4.2中的(1)所示)經過微分電路形成的同步脈沖信號通過反相器N的反相功能,=0,D1箝位釋放=1,Q=0,=1(正跳變),T0計數器開始記數,脈沖經過之后==1,Q=0,=1。回波信號經過放大濾波送至比較器A1的反相端,它是疊加在2.5V上的頻率為20KHz的高頻電壓信號。如圖4.2中的(3)所示,其前上升沿使A1輸出低電平,=0,=1,Q=1,=0(負跳變);即獲得負跳沿信號,CPU響應中斷請求,使T0計數器停止計數,記數值N送存RAM。3、盲區干擾信號的消隱通常發射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當發射探頭發射超聲波時接收換能器接收到的第一個波是串擾直通波,也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發射換能器直接到達接收換能器而造成的。因此,通常接收探頭會引起強烈的感應信號。所以必須將其隱去,當P1.0輸出啟動信息,同步脈沖加至比較器A2時,A2輸出一遠大于2.5V的電壓,經D2降壓后大約等于7.5V,加至A1同相端,由于C1延遲作用,A1同相端將產生一定寬度和高度的方波,如圖4.2中的(4)所示。它的寬度和幅度都大于發射串擾信號,A1輸出端即RS觸發器S端仍為高電平,這樣串擾信號將被隱去,這段時間稱為盲區,約2毫秒。圖4.2測距脈沖圖圖4.3超聲波回波接收電路設計方案四:1、發射電路發射電路由脈沖產生電路和發射電路組成。脈沖產生電路的主要任務是產生40KHz脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構成振蕩電路,由單片機P1.1口控制其是否工作。其電路圖如圖1所示。脈沖產生電路的輸出電壓經脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中,脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍,應盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。2、接收電路接收電路的主要任務是檢測回波,并向單片機發出中斷以停止計時。接收電路設計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波,以便后級電路放大;整形電路把回波信號整理為單片機系統能夠接收的信號并向單片機申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號十分微弱并含有噪聲,S/N較小,所以接收電路設置了兩級高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器,一級和二級濾波放大電路采用相同的結構和參數。其電路如圖4.5所示。圖4.5中,R11、R12、C13、C14、R15和運算放大器Amp1A組成了一級濾波放大電路;R21、R22、C23、C24、R25和運算放大器Amp1B組成了二級濾波放大電路。圖4.4發射部分電路圖4.5一次和二次濾波放大電路發射接收電路中應考慮的各種問題:發射波形如圖4.6,傳感器的振蕩波形要經過一段時間才能達到穩定狀態,理論上信號的幅度時指數上升的,Q各周期后達到滿幅度的95%,1.5Q個周期后達到99%。為提高傳感器的靈敏度,Q值一般不能太低,為使傳感器充分振蕩起來,發射脈寬要求不能小于Q個振蕩周期,才能使發射幅度基本達到最大。考慮到測量“盲區”,這里選擇脈寬為120μs,包含5個調制的44KHz的方波信號。圖4.6發射波形由文獻[3]知,測距儀的發射波形如圖4.6,在規定時刻將一持續時間為τ的正弦波加到傳感器上,然后關閉發射電路,打開接收通道,接收來自障礙物的反射波。傳感器發射電壓大小主要取決于發射信號損失及接收機的靈敏度,綜合各種損耗的因素,包括往返傳播損失,聲波傳輸損失,聲波反射損失,環境噪聲損失,接收預放大單元的作用是對有用的信號進行放大,并抑制其它的噪聲和干擾,從而達到最大信噪比,以利檢測單元的正確檢測。如何達到信號的最佳接收關系整個系統的準確性和安全性,所以也應考慮到影響接收信號的各方面問題。在傳感器接收到的信號中,除了障礙物反射的回波外,總混有雜波和干擾脈沖等環境噪聲。室內環境中噪聲主要集中在低頻段,遠離回波信號頻率,因此系統的總噪聲系數主要有接收機的內部噪聲決定,其功率譜寬度遠大于接收機的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理,根據已有知識,輸入為已知信號加白噪聲的條件下,匹配濾波器的輸出信噪比最大。匹配濾波器具有以下特點:(1)輸出最大信噪比與信號波形無關(2)匹配濾波器對信號的幅度和時延具有適應性,即對只有幅度和出現時間不同的信號,它們的匹配濾波器是相同的。(3)匹配濾波器與相關接收和相關器具有等效性。實際上很難得到精確的匹配濾波器,由于單個射頻脈沖的頻譜是連續的,用普通的窄帶濾波器就能把其主峰部分(w附近)濾波出來,適當的選擇濾波器的通帶寬度就能取得與匹配濾波器相差不多的效果。圖4.7信號放大器原理圖接收放大器的作用是放大有用信號,并抑止其它噪聲與干擾,從而達到最大的信噪比,以利于檢測電路的正確檢測。放大器組成框圖如圖4.7,采用三級放大電路。前置放大主要起阻抗匹配的作用,使輸入信號功率最大。帶通放大器選擇最佳時間帶寬積,以達到匹配濾波的效果。模擬開關起收發隔離的作用。在測量近距離時,模擬開關閉合,發射信號可以進入接收通道;測量遠距離時,模擬開關斷開,發射信號不可以進入接收通道。程控放大器分為2檔,分別放大10倍和100倍,由控制端A1,A0控制。綜合以上四種方案比較,最后確定超聲波發射接收電路如圖4.8所示。該電路簡單實用,通過兩極放大,增強接收信號,比較適合本設計需要。測距系統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,前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口,單片機執行程序后,在P1.0端口輸出一個40kHZ的脈沖信號,經過三極管T放大,驅動超聲波發射頭UCM40T,發出40kHZ的脈沖超聲波,且持續發射200μs。右側和左側測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口,原理和前方測距相同。圖4.8基于AT89C51單片機的超聲波測距系統發射接收電路由AT89C51單片機編程,執行程序后P1.0口產生40KHZ的脈沖信號,經三極管放大后來驅動超聲波發射探頭UCM40T,產生超聲波。接收頭采用和發射頭配對的UCM40R,將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號,經運算放大器兩級放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環的音頻譯碼集成塊LM567,內部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調解R8在發射的載頻上,則LM567輸入信號大于25mv,輸出端8腳由高電平越變為低電平,作為中斷請求信號,送至單片機處理。在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0,利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時,接收電路輸出端產生一個負跳變,在INTO或INT1端產生一個中斷請求信號,單片機響應外部中斷請求,執行外部中斷服務子程序,讀取時間差,計算距離。發射電路電路圖如圖4.9所示:圖4.9系統發射電路此電路由一個9V的電源,R1=3.6K歐,R2=360歐,三極管T一個,激勵換能器T40-16一個。其流程圖如圖4.10所示:圖4.10流程圖發射電路原理:當單片機AT89C51,通過P1.0這個I/O口,發送一系列的脈沖,經過三極管T進行放大,從而使T40-16這個激勵換能器發射出超聲波。接收電路如4.11所示:圖4.11接收電路圖其原理框圖如下:圖4.12原理框圖此系統為了全方位測距,故有左、右、中三個測距電路,其電路都相同。4.2顯示報警單元方案設計顯示報警單元是經過超聲波發射接收電路及單片機AT89C51處理后把信號轉化為人為可以知覺的數字顯示和報警響應,以進一步避免事故發生。顯示報警電路由顯示和報警兩部分電路組成,主要實現在出現緊急情況下的顯示報警功能,以此提醒駕駛員。4.2.1系統顯示電路設計顯示器是一個典型的輸出設備,而且其應用是極為廣泛的,幾乎所有的電子產品都要使用顯示器,其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單的顯示器可以使LED發光二極管,給出一個簡單的開關量信息,而復雜的較完整的顯示器應該是CRT監視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實際要求以及考慮單片機的接口資源,采用串行方式顯示的LED驅動輸出設備。由于全程顯示的距離范圍在4米之內,用3個LED數碼管表示距離的cm數值。在單片機應用系統中,發光二極管LED顯示器常用兩種驅動方式:靜態顯示驅動和動態顯示驅動。所謂靜態顯示驅動,就是給要點亮的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的具有鎖存功能的I/O接口。單片機只需要把要顯示的字形段碼發送到接口電路并保持不變即可,如果要顯示新的數據,再發送新的字形段碼。因此,使用這種方法單片機中CPU開銷小,但這種驅動方法需要寄存器、譯碼器等硬件設備。當需要顯示的位數增加時,所需的器件和連線也相應增加,成本也增加。而所謂動態顯示驅動就是給欲點亮的LED通以脈沖電流,即采用分時的方法,輪流控制各個顯示器的COM端,使各個顯示器輪流點亮,這時LED的亮度就是通斷的平均亮度。考慮各種因素,本設計選用動態驅動顯示。本設計選用8155芯片作為單片機應用系統擴展的I/O口。8155的PA口作為LED的字形輸出口,為提高顯示亮度,采用8路反相驅動器74LS244驅動;PC口作為LED的位選控制口,采用共陽極的LED顯示器,由于8段全亮時位控線的驅動電流較大,采用6路反相驅動器74LS06以提高驅動能力。圖4.13系統顯示電路4.2.2系統報警電路設計系統報警電路由一個運算放大器、一個發光二極管和一個喇叭組成。R25的阻值為1K,R26的阻值為10K。對于二級運算放大,都采用F007芯片.兩級放大電路均是負反饋接法,即反相比例運算電路.而反相比例運算電路中,輸入信號從反相輸入端輸入,同相輸入端接地.根據“虛短”和“虛斷”的特點,即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所謂“虛短”是由于理想集成運放Au0。所以可以認為兩個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”是由于理想集成運放的輸入電阻Rid,故可以認為輸入端不取電流,即i_=i+0.這樣,輸入端相當于斷路,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==,因為i_=0,iI=if,則可得u0=-uI.故可將信號進行放大。圖4.14系統報警電路當單片機AT89C51通過P1.0,P1.1,P1.2三個I/O口,發射出超聲波的信號,即輸出一個高電平給這三個I/O口,大約5V的電壓,同時單片機計數器T0開始計時。則信號經過三極管T1,T2,T3進行放大。使電流達到T40-16的工作電流,從而發射出超聲波。當T40-16發射出去的超聲波遇到障礙物時會被反射回來,這時接收器R40-16便會將反射回來的超聲波接收,并轉換成電信號,經過運算放大器的兩極放大,將信號送給LM567的輸入端,當LM567的輸入端電流大于25mA時,其8號輸出引腳會產生一個信號,使得單片機AT89C51產生一個中斷。這樣,計數器便停止計數。單片機把計得的時間差進行運算,根據S=170*t這個公式來計算車與障礙物的距離,并把運算結果以十進制的方式送到七段LED顯示電路去顯示。如果距離小于0.5m,則單片機AT89C51便給P1.5口一個信號,使得報警電路工作,實現報警。4、3單片機復位電路在單片機應用系統工作時,除了進入系統正常的初始化之外,當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時,為擺脫困境,也需按復位鍵以重新啟動。所以,系統的復位電路必須準確、可靠地工作。單片機的復位都是靠外部電路實現的,在時鐘電路工作后,只要在單片機的RST引腳上出現24個時鐘振蕩脈沖以上的高電平,單片機便實現初始化狀態復位。為了保證應用系統可靠地復位,在設計復位電路時,通常使RST保持高電平。只要RST保持高電平,則單片機就循環復位。單片機復位電路通常采用以下幾種方式:a、上電自動復位在通電瞬間,由于R·C電路充電過程中,RST端出現正脈沖,從而使單片機復位。圖4.15上電復位電路b、按鍵電平復位通過使復位端經電阻與VCC電源接通而實現的。c、系統復位在實際應用系統中,為了保證復位電路可靠工作,常將RC電路接施密特電路后再接入單片機復位端和外圍電路復位端。這特別適合于應用現場干擾大、電壓波動大的工作環境,并且,當系統有多個復位端時,能保證可靠地同步復位。考慮本設計結構簡單,干擾小,故采用上電自動復位。4.4時鐘電路時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號,單片機本身就是一個復雜的同步時序電路,為了保證同步工作方式的實現,電路應在惟一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。該時鐘電路由兩個電容和一個晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體管的一個引腳。在單片機內部,它是一個反相放大器的輸入端,這個放大器構成了片內振蕩器。輸出端為引腳X2,在芯片的外部通過這兩個引腳接晶體振蕩器和微調電容,形成反饋電路,構成一個穩定的自激振蕩器。圖4.16晶振電路電路中的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。4.5穩壓電源大部分的電子電路與電子設備都需要有一個穩定的直流電源提供能量,而且對于我們通常所接觸的控制器而言,一般都是利用電網提供的交流電源,經過整流、濾波、穩壓后,濾去其不穩定的脈動、干擾成分,提供一個穩定的直流電壓,來使電子電路與電子設備保持正常的工作。并且,我們目前絕大部分電子電路與電子設備都是使用線性電源,即通過降壓、整流、濾波、穩壓后提供穩定的直流電壓給電子電路及芯片工作的。固定式三端穩壓電源(7805)是由輸出腳Vo,輸入腳Vi和接地腳GND組成,它的穩壓值為+5V,它屬于CW78xx系列的穩壓器,輸入端接電容可以進一步的濾波,輸出端也要接電容可以改善負載的瞬間影響,此電路的穩定性也比較好。由于固定式三端穩壓電源(7805)的輸出電流有1.5A,而本次設計電路電流在1A到2A之間,考慮到電路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次設計電源電路需要采用擴流電路,如圖4-17。圖4-17采用外接PNP型大功率管的方法,這是一種最基本的擴展電流電路,擴展的輸出電流取決于外接功率管的電流負載量,電路中的R1是VT的偏置電阻,為VT1提壓導通時的基極偏壓,VT與集成穩壓器內電路中的NPN型調整管組成復合管,設Ir為流過電阻R1中的電流,Ic為流過外接調整管的集電極電流,Td為7805的靜態工作電流,這時7805的輸出電流為Ioxx,可表示為式中為VT的電流放大系數,穩壓擴展后的輸出電流Io可表示為。因為7805的的最大輸出電流為1.5A,當Io取1.5A時,則穩壓器的擴展后的輸出電流為3A,加一只二極管VD與R1并聯,把外接整流管的VT1的發射結電阻限制在0.7V以內,當輸出電流超過額定植時,保護電阻R2上的壓降增大,必然會使VT1的Vbe減小,從而使VT1的輸出電流減小,以至不導通,這樣便達到了保護外接管的目的。電路中的VT1可選用3CD6等PNP型硅低頻大功率管。第5章系統硬件及軟件實現5.1單片機硬件介紹5.1.1單片機

AT89C51介紹AT89C51是一個低電壓,高性能CMOS8位單片機,片內含4kB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128B的隨機存取數據存儲器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產,兼容標準MCS-51指令系統,片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元,內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。

AT89C51是一個低功耗高性能單片機,40個引腳,32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口,同時內含2個外中斷口,2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口,AT89C51可以按照常規方法進行編程,也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起,特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。I/O端口的編程實際上就是根據應用電路的具體功能和要求對I/O寄存器進行編程。具體步驟如下:(1)根據實際電路的要求,選擇要使用哪些I/O端口,用EQU偽指令定義其相應的寄存器;(2)初始化端口的數據輸出寄存器,應避免端口作為輸出時的開始階段出現不確定狀態,影響外圍電路正常工作;(3)根據外圍電路功能,確定I/O端口的方向,初始化端口的數據方向寄存器。對于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化,因為I/O的復位缺省值為輸入;(4)用作輸入的I/O管腳,如需上拉,再通過輸入上拉使能寄存器為其內部配置上拉電阻;(5)最后對I/O端口進行輸出(寫數據輸出寄存器)和輸入(讀端口)編程,完成對外圍電路的相應功能。圖5.1AT89C51單片機芯片根據系統設計要求,各接口功能如下:P1.0:產生輸出一個40KHZ的脈沖信號。(用于前方測距電路)P1.1:產生輸出一個40KHZ的脈沖信號。(用于右側測距電路)P1.2:產生輸出一個40KHZ的脈沖信號。(用于左側測距電路)INT0:產生中斷請求,接前方測距電路。INT1:產生中斷請求,接前方測距電路。P1.3:接ICA3輸入端,用于中斷優先級的判斷。P1.4:接ICA3輸入端,用于中斷優先級的判斷。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:接報警電路P2.0:接報警電路P2.1:接報警電路XTAL1:接外部晶振的一個引腳。在單片機內部,它是一反相放大器輸入端,這個放大器構成了片內振蕩器。它采用外部振蕩器時,些引腳應接地。XTAL2:接外部晶振的一個引腳。在片內接至振蕩器的反相放大器輸出端和內部時鐘發生器輸入端。當采用外部振蕩器時,則此引腳接外部振蕩信號的輸入。RST:AT89C51的復位信號輸入引腳,高電位工作,當要對芯片又時,只要將此引腳電位提升到高電位,并持續兩個機器周期以上的時間,AT89C51便能完成系統復位的各項工作,使得內部特殊功能寄存器的內容均被設成已知狀態。8155芯片介紹圖5.28155芯片8155引腳功能:AD7~AD0(19~12腳):三態地址/數據引出線;CE(8):片選信號線,低電平有效;RD(9):存儲器讀信號線,低電平有效;WR(10):存儲器寫信號線,低電平有效;ALE(11):地址及片選信號鎖存信號線,高電平有效;IO/M(7):I/O接口與存儲器選擇信號線,高電平表示選擇I/O接口,低電平表示選擇存儲器;PA7~PA0(28~21):A口輸入/輸出線;PB7~PB0(36~29):B口輸入/輸出線;PC5~PC0(5、2、1、39、38、37):C口輸入/輸出線或控制信號線;T/IN(3):定時器/計數器輸入端;(T/OUT)(6):定時器/計數器輸出端;RESET(4):復位,高電平有效,復位后三個I/O口均為輸入功能。5.1.374LS244芯片介紹74LS244內部共有兩個四位三態緩沖器,分別以1和2作為它們的選通工作信號。當1和2都為低電平時,輸入端A和輸出端Y狀態相同;當1和2都為高電平時,輸出呈高阻態。74LS244內部結構圖:圖5.374LS244內部結構圖表5.174LS244的真值表8輸入3態緩沖電路;把8個輸入分成2組,4個一組;H=高電平;L=低電平;Z=高阻;G=0的時候,輸入->輸出;G=1的時候,輸出為高阻態。5.1.474LS06芯片介紹74LS06是六路反相驅動器,與七段數碼管的位碼相連;74LS06的邏輯圖。圖5.474LS06的邏輯圖表5.274LS06功能表表5.374LS06工作條件表運算放大器主要技術參數:1、開環差模電壓增益Au0:Au0是指集成運放在無外加反饋情況下,并工作在線性區時的差模電壓增益.用分貝表示則是20lgAu0.性能較好的集成運放的Au0可達140db以上。2、輸入失調電壓及其溫漂:失調電壓的大小主要反映了差分輸入元件的失配;輸入失調電壓是隨溫度,電源電壓或時間而變化的,通常將輸入失調電壓對溫度的平均變化率稱為輸入電壓溫度漂移。3、輸入失調電流及其溫漂:在常溫下,輸入信號為零時,放大器的兩個輸入端的基極靜態電流之差稱為輸入失調電流II0。輸入失調電流溫度漂移是指輸入失調電壓隨溫度變化的平均變化率。一般以mA/0C4、輸入偏置電流IIB:IIB是指常溫下輸入信號為零時,兩個輸入端靜態電流的平均值,即IIB=(IB1+IB2)/2(5-1)IIB的大小反映了放大器的輸入電阻和輸入失調電流的大小,IIB越小,運算放大器的輸入電阻越高,輸入失調電流越小。5、差模輸入電阻Rid:Rid是指運算放大器兩個輸入端之間的動態電阻,一般為幾兆。6、輸出電阻R0:運算放大器在開環工作時,在輸出端對地之間看進去的等效電阻即為輸出電阻。R0大小放映了運算放大器的負載能力。7、共模抑制比KcmRKcmR=Aud/Auc(5-2)用dB表示,即為20lg(Aud/Auc).8、最大差模輸入電壓UidM:UIdM是指運算放大器同相端和反相端之間所能加的最大電壓。9、最大共模輸入電壓UicM:UIcM是指運算放大器在線性工作范圍內能承受的最大共模輸入電壓。LM567芯片介紹LM567芯片的內部結構和引腳圖如圖5.5所示。圖5.5LM567芯片邏輯圖LM567的主要參數如下:電源電壓

4.75~9V;靜態工作電流

8mA;最高工作頻率

500KHz;8腳最大吸收電流

l00mA。LM567的工作原理5、6腳外接定時電阻及電容決定鎖相環內部壓控振蕩器的中心頻率(fo=1/1.1RC)。第2腳對地接電容C2為相位比較器輸出的低通濾波器。第2腳所接電容C2對鎖相環的捕捉帶寬Bw有影響。第1腳對地接一電容C1為正交相位檢波器的輸出濾波,其電容值應不小于2腳所接電容約兩倍,即Cl大于、等于2C2。第3腳為信號輸入端,要求輸入信號的幅度大于25mV,最佳值為200mV左右。當LM567的輸入信號的頻率落在其內部壓控振蕩器中心頻率fo附近時,邏輯輸出端(8腳)將由原高電平變為低電平,輸出一個負脈沖。8腳不僅可以實現選頻,而且還有負脈沖形成功能。改變Rp可改變選頻頻率。由于8腳為集電極開路輸出,故實際應用時,其8腳應接一上拉電阻至電源正極Vdd。5.4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、價格低廉,是遙控、遙測、報警等電子裝置最理想的電子器件、用此換能器構成的超聲波遙控開關,可使家電產品、電子玩具加速更新換代,提高市場競爭能力。表2.1傳感器特性參數型號UCM—T40K1UCM—R40K1結構開放式開放式發射距離8—10米8—10米使用方式發射接收諧振頻率40KHZ±1KHZ40KHZ±1KHZ頻帶寬2KHZ±0.5KHZ2KHZ±0.5KHZ靈敏度≥—70dB/V/ubar≥—70dB/V/ubar外形尺寸∮16mm×22.5mm∮16mm×22.5mm溫度范圍—20℃~+—20℃~+相對濕度20±5℃20±5℃使用注意事項:兩接線腳焊接時間不宜過長,以免器件內之焊點溶化脫焊及造成底座與接線腳之間松動。不宜與腐蝕性物質接觸。系統軟件結構在系統硬件構架了超聲波測距的基本功能之后,系統軟件所實現的功能主要是針對系統功能的實現及數據的處理和應用。根據第二節所述系統硬件設計和所完成的功能,系統軟件需要實現以下功能:一、信號控制在系統硬件中,已經完成了發射電路、接收電路、檢測電路、顯示電路、門限檢測的設計。在系統軟件中,要完成增益控制信號、門控信號、發射脈沖信號、峰值采集信號、遠近控制信號的時序及輸出。二、數據存儲為了得到發射信號與接收回波間的時間差,要讀出此刻計數器的計數值,然后存儲在RAM中,而且每次發射周期的開始,需要對計數器清零,以備后續處理。三、信號處理RAM中存儲的計數值并不能作為距離值直接顯示輸出,因為計數值與實際的距離值之間轉換公式為:S=0.5*V*T=0.5*V*(Tr*N)其中,T為發射信號到接收之間經歷的時間,Tr為方波信號作為計數脈沖時計數器的時間分辨率,N為計數器的值。在這個部分中,信號處理包括計數值與距離值換算,二進制與十進制轉換。四、數據傳輸與顯示經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AT89C51并考慮整個系統的控制流程,整個系統軟件都有AT89C51系列單片機匯編語言實現。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的,因此在初始化發射程序后進入中斷響應的等待。在中斷響應之后,原始數據經計數值與距離值換算子程序,二進制與十進制轉換子程序后顯示輸出。整個系統軟件功能的實現可以分為主程序、中斷服務程序幾個主要部分。5.5.1主程序主程序是單片機程序的主體,整個單片機端系統軟件的功能的實現都是在其中完成的,在此過程中主程序調用了子程序及中斷服務程序。程序首先完成初始化過程,然后是一個重復的控制發射信號的過程,即調用發射子程序幾遍,而且每次發射周期結束都會判斷在發射信號后延時等待的過程中是否發生了中斷,即是否有回波產生來判斷程序得流程。流程圖如圖5.6所示。圖5.6主程序流程圖一、40kHz脈沖的產生與超聲波發射在脈沖產生前先對定時/計數器T0進行初始化,在這里選擇的是工作方式1定時器模式,所以TMOD應該設定為01H。接著用STEBTR0指令開啟T0,在開啟T0的同時開發發射超聲波脈沖。測距系統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,這由單片機執行下面程序來產生。PUZEL:MOV14H,#12H;超聲波發射持續200msHERE:CPLP1.0;輸出40kHz方波NOPNOPNOPDJZN14H,HERERET前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口,單片機執行上面的程序后,在P1.0端口輸出一個40kHz的脈沖信號,經過三極管T放大,驅動超聲波發射頭UCM40T,發出40kHz的脈沖超聲波,且持續發射200ms。右側和左側測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口,工作原理與前方測距電路相同。這里省略,只研究正對方向的障礙物。二、超聲波的接收與處理超聲波的接受是由外部中斷口INT0是否有中斷脈沖產生來判斷的。定時子程序轉回來的時候,要對中斷進行初始化。選定的是INT0口,工作方式為脈沖方式。STEBEA;中斷總允許STEBEX0;INT0中斷允許STEBPX0;設置INT0為高優先級中斷STEBIT0;設置INT0為脈沖方式HERE:JMP$;等待中斷接收頭采用與發射頭配對的UCM40R,將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號,經運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC

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