衢州學院倒車測距自動警報器設計說明書課題名稱：倒車測距自動警報器專業名稱：10電氣自動化學生班級：2學生姓名：吳承恩陳杰陳連波指導教師：徐進顧能華 目錄1摘要2方案設計和選擇2.1超聲波測距的原理2.2單片機STC89C522.3超聲波傳感器3硬件電路設計3.1整體電路設計3.2超聲波測距系統設計3.3顯示電路設計 3.4報警電路設計3.5硬件電路設計優化4軟件設計4.1程序完成的功能4.2程語言的選擇4.3主要局部程序流程圖4.4實現重要功能的程序的分析5結束語參考文獻致謝摘要超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機械波的范疇。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質中的傳播規律，如在介質的分界面處發生反射和折射現象，在進入介質后被介質吸收而發生衰減等。正是因為具有這些性質，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術被廣泛應用于人們日常工作和生活之中。系統的設計主要包括兩局部，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括單片機電路、發射電路、接收電路、顯示電路，另外還有復位電路等。我采用以STC89C52單片機為核心的低本錢、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路。整個系統的功能是當倒車距離小于20CM時，系統報警，紅燈亮。大于20CM小于1M時，綠燈亮。1M關鍵詞：STC89C52；超聲波；測距2方案設計和選擇根據本次設計的要求，方案的選擇應力求實用性強，性價比高，使用簡單。2.1超聲波測距的根本原理諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉化為機械能、又可以把機械能轉化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖鼓勵下可將電能轉換為機械能，向外發送超聲波；反之，當換能器處在接收狀態時，它可將聲能(機械能)轉換為電能。2.1.1為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。2.1.2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，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。2.1.3超聲波發射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立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為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=340t/2最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時計數器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為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面的距離s，即：s=340t/2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關。在使用時，如果傳播介質溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是根本不變的。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法對測量結果加以數值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的根本原理。如圖3-1所示：超聲波發射障礙物SHθ超聲波接收圖3-1超聲波的測距原理〔3-1〕〔3-2〕式中:L---兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為:(3-3)式中:v—超聲波在介質中的傳播速度;t—超聲波從發射到接收所需要的時間.將〔3—2〕、〔3—3〕代入〔3-1〕中得：(3-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(例如在溫度T=30度時,V=349m/s);當需要測量的距離H遠遠大于L時,則(3—4)變為:(3-5)所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H.2.2單片機STC89C單片機一詞最初源于“Single-ChipMicrocomputer〞，簡稱“SCM〞。單片機也叫做“微控制器〞或者“嵌入式微控制器〞。它不是完成某一個邏輯功能的芯片〔芯片也稱為集成電路塊，它是1958年9月12日，在RobertNoyce的領導下，科研小組創造集成電路后開始出現的一個名稱〕，而是把一個微型計算機系統集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它體積小、質量輕、價格廉價，為學習、應用和開發提供了便利條件。近年來，微處理器已廣泛應用于多種領域，尤其是在智能儀器儀表中的應用更是如此，這不僅引起了產品本身的變革，也深深地影響設計的理念的變革。智能儀器儀表作為一種智能系統，其核心在于微處理器。基于微處理器的智能系統設計，已成為目前電子設計領域的一個熱點。智能系統是一個復雜的系統，一般包含微處理器、按鍵與顯示人機界面、A/D轉換、D/A轉換等根本功能部件，同時也包含與應用領域相關的其他特殊部件。智能系統一般需要在惡劣的環境下長期連續地工作，因此在滿足功能的根底上，其可靠性也是設計時需要考慮的一個方面，目前已經普遍應用于通信、雷達、遙控和自動控制等各個領域中。在本次畢業設計中我選用的是AT89S52單片機。STC89C52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的STC892.2.1STC89CSTC89C此外，STC89C2.2.2表3-1STC89C參數額定值單位操作溫度0～+70或-40～+85°C儲存溫度范圍-65～+150°CEA/Vpp腳相對于Vss的電壓0～+13.0V其他任何腳相對于Vss的電壓-0.5～+6.5V每個IO腳的最大IOL15mA2.3超聲波傳感器實物圖2.3.1超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關的一種自然現象。當聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據大量實驗數據統計，取整數為20000赫茲)時，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超〞聲。人的聽覺范圍如圖2-5所示。圖3-5人的聽覺范圍超聲波的特性有：〔1〕束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學上的所有定律。即超聲波射線從一種物質外表反射時，入射角等于反射角，當射線透過一種物質進入另一種密度不同的物質時就會產生折射現象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質的密度差異愈大，則折射率也愈大。〔2〕吸收特性聲波在各種介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這是因為介質要吸收掉它的局部能量。對于同一介質，聲波的頻率越高，介質吸收就越強。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收尤為歷害，在液體中傳播時吸收就比擬弱，在固體中傳播時吸收是最小的。〔3〕超聲波的能量傳遞特性超聲波之所以能在各個工業部門中得到廣泛的應用，主要原因還在于比聲波具有強大得多的功率。為什么有這么強大的功率呢?因為當聲波進入某一介質中時，由于聲波的作用使物質中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率—樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質量有關外，主要是由分子的振動速度的平方決定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供應物質分子足夠大的功率。〔4〕超聲波的聲壓特性當聲波進入某物體時,由于聲波振動使物質分子相互之間產生壓縮和稀疏的作用，將使物質所受的壓力產生變化。由于聲波振動引起附加壓力現象叫聲壓作用。2.3.2完成產生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結構，可分直探頭〔縱波〕、斜探頭〔橫波〕、外表波探頭〔外表波〕、蘭姆波探頭〔蘭姆波〕、雙探頭〔一個探頭反射、一個探頭接收〕等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預先了解清楚該探頭的性能參數。超聲波傳感器的主要性能指標包括：〔1〕工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

〔2〕工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比擬高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比擬低，可以長時間地工作而不失效。醫療用的超聲探頭的溫度比擬高，需要單獨的制冷設備。

〔3〕靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應來進行工作的。逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多種超聲波發生器。總體上講，超聲波發生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。共振板gon壓電晶片電極電極圖3-6超聲波傳感器結構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下圖，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，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。如圖4-4所示。3硬件電路設計介紹了本設計方案選擇的情況，下面將著重按照前面所分析和采用的設計方案來完成具體的電路設計。3.1整體電路設計整體電路的控制核心為單片機AT89S52。超聲波發射和接收電路中都對相應信號進行整形及放大，以保證測量結果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實現超聲波的發射和接收。另外還有溫度測量電路測量當時的空氣溫度，等到把數據送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調整，使測量精度能夠到達要求。整體結構圖包括超聲波發射電路,超聲波接收電路,單片機電路,顯示電路與溫度測量電路等幾局部模塊組成。而超聲波發射與接收電路還要參加放大電路。在發射后把信號放大，接收前也要把還再次放大。整體電路結構圖如圖4-1。圖4-1超聲波測距原理圖單片機發出40kHZ的信號，經放大后通過超聲波發射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，用鎖相環電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數并送LCD顯示。圖4-2超聲波發送原理圖3.2超聲波測距系統設計3.2.1超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出超聲波發射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。存在4個因素限制了該系統的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測距誤差主要來源于以下幾個方面：〔1〕超聲波波束對探測目標的入射角的影響；〔2〕超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發；〔3〕超聲波傳播速度對測距的影響。穩定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質的特性。傳播媒質的溫度、壓力、密度對聲速都將產生直接的影響，因此需對聲速加以修正。〔4〕由于超聲波利用接收發射波來進行距離的計算，因而不可防止地存在發射和反射之間的夾角，其大小為2，當很小的時候，可直接按式進行距離的計算；當夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為：〔4-1〕實際的調試過程中，要十分注意發射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因為每一種超聲波發射、接收頭都有一個有效測量夾角，這里用到的發射、接收頭有效測量夾角為45°。接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發射／接收的設計方法。3.2.2超聲波測距技術經過幾年的研究和開展，已經有了很多比擬成熟的技術和設計方案，使本次設計能有很多可借鑒的資料，從中學到了很多珍貴的知識。對自己設計電路有很大幫助。超聲波發射電路，要求功率盡量大些，發射距離大于1.5米，電路力求簡單實用。我參考電路圖如圖4-3,4-4,4-5,4-6。吸取幾個圖的優點而防止他們的缺點，然后結合分析設計超聲波的發射與接收電路。40kHZ超聲波發射電路之一，電路中晶體管VT1、VT2組成強反響穩頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-16是反響耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。S是電源開關，按一下S，便能驅動T40-16發射出一串40kHZ超聲波信號。電路工作電壓9V，工作電流約25mA。發射超聲波信號大于8m。電路不需調試即可工作。這樣電路很簡單與實用。圖4-340khz超聲波發射電路40kHZ超聲波發射電路之二，由VT1、VT2組成正反響回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反響元件的T40-16，其諧振頻率為40kHZ±2kHZ。頻率穩定性好，不需作任何調整，并由T40-16作為換能器發出40kHZ的超聲波信號。電感L1與電容C2調諧在40kHZ起作諧振作用。本電路適應電壓較寬〔3~12V〕，且頻率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH。整機工作電流約25mA。發射超聲波信號大于8m。圖4-440khz超聲波發射電路40kHZ超聲波發射電路之三，它主要由四與非門電路完成振蕩及驅動功能，通過超聲換能器T40-16輻射出超聲波去控制接收機。其中門YF1與門YF2組成可控振蕩器，當S按下時，振蕩器起振，調整RP改變振蕩頻率，應為40kHZ。振蕩信號分別控制由YF4、YF3組成的差相驅動器工作，當YF3輸出高電平時，YF4一定輸出低電平；YF3輸出低電平時，YF4輸出高電平。此電平控制T40-16換能器發出40kHZ超聲波。電路中YF1~YF4采用高速CMOS電路74HC00四與非門電路，該電路特點是輸出驅動電流大〔大于15mA〕，效率高等。電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發射超聲波信號大于10m。圖4-540khz超聲波發射電路40kHZ超聲波發射電路之四，由LM555時基電路及外圍元件構成40kHZ多諧振蕩器電路，調節電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由LM555第3腳輸出端驅動超聲波換能器T40-16，使之發射出超聲波信號。電路簡單易制。電路工作電壓9V，工作電流40~50mA。發射超聲波信號大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。經過認真仔細的考慮和分析，本人選擇使用NE555加外圍電路構成多諧振蕩器來產生頻率為40KHz的方波，再經過整形放大后來驅動超聲波發射器發出超聲波。NE555是一種用途很廣的時基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，可在4.5～18V范圍內工作，其驅動電流可達200mA。NE555的內部中心電路是三極管Q15和Q17加正反響組成的RS觸發器。輸入控制端有直接復位Reset端，通過比擬器A1，復位控制端的TH、比擬器A2置位控制的T。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優先權是R、T、TH。利用NE555可以組成相當多的應用電路，甚至多達數百種應用電路，在各類書刊中均有介紹，例如家用電器控制裝置、門鈴、報警器、信號發生器、電路檢測儀器、元器件測量儀、定時器、壓頻轉換電路、電源應用電路、自動控制裝置及其它應用電路都有著廣泛的應用，這是因為NE555巧妙地將模擬電路和數字電路結合在一起的緣故。圖4-640khz超聲波發射電路圖4-7555內部結構與引腳本次設計中NE555電路的工作原理是：單片機TXD口發出低電平，三極管Q5為PNP管所以導通，C極向外輸出高電平。555芯片8腳接到高電平開始工作，4腳被拉高，多諧振蕩電路不工作，當接到單片機的低電平信號后振蕩器開始工作。Vcc經外接電阻R1和R2向電容C充電，當C上的電壓Vc上升到2Vcc/3時，反相比擬器A1翻轉輸出低電平，RS觸發器復位，即V＝0，3腳輸出為“0”，則三極管導通，C經三極管和P1放電，當Vc下降到Vcc/3時，同相比擬器A2翻轉輸出低電平，即S＝0，RS觸發器置位，3腳輸出變為“1圖4-8方波產生電路為了使40KHz的方波信號更為可靠，要對其進行整形及放大。信號由NE555的3腳向外輸出，經過二極管D2整形，濾去低于低電平的局部，只保存零電平以上局部。整形后的信號經由三極管Q1、Q2放大，此時的信號已經很可靠，可以滿足本次設計的需要。信號由OUT口輸出，送入超聲波探頭中。此外在超聲波發射電路中還參加了消除余振局部以保證電路可以更好的為超聲波發射器提供信號，也使測量結果更為精確。因為超聲波探頭是一個感性元件，在一定程度上會表現出電感的性質。所以當發射電路停止向其輸入脈沖信號后，如果沒有適宜的能量釋放回路，則在其感性的作用下，超聲波探頭內部振蕩仍會持續一段時間，仍然發射超聲波，會對測量結果產生影響。參加這個電路就是為了在停止發送超聲波的時候將發射器內部的能量釋放到地，使其立即停止工作。單片機控制發送超聲波的TXD口和消除余振的INT0口都是P3口的低四位，只需要由程序控制兩個管腳輸出相同的電平。在TXD口為高電平時停止發射超聲波，此時INT0口也為高電平，使得三極管Q3導通，即翻開消除余振功能，將剩余的能量接地。兩個動作幾乎是同時的，可以提高此后計時的準確性。電路如圖4-9所示。圖4-9方波消除余波電路圖4-10發射電路模塊3.2.3在本次設計中選擇了前置放大電路＋帶通濾波電路＋后級放大電路的類似電路。通過波形整形，積分器，檢波器，帶通濾波，限幅放大和前置放大等實現接收超聲波的功能。如圖4-11所示：由于在距離較遠的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右。如圖4-11所示電路有三級放大：前兩級種放大100倍，采用高速精密放大器LM318，其帶寬為15MHz，放大倍數為100倍時，能充分滿足要求；第三級采用LF353運算放大器，帶寬為4MHz，對于62倍的放大倍數，能充分滿足條件。放大后的交流信號經光電隔離送入比擬器，比擬器的作用是將交流信號整形輸出一個方波信號，此方波信號上升沿使D觸發器觸發，向CPU發中斷申請。在中斷效勞程序中，讀取時間計數器的計數值，并結合溫度換算出的速度算出發射到接收的距離如圖4-12所示：圖4-1140KHz超聲波接收電路圖4-1240KHz超聲波接收電路圖4-12所示電路為雙穩態超聲波接收機電路，由VT5、VT6及相關輔助元件構成雙穩態電路，當VT4每導通一次〔發射機工作一次〕，觸發信號經C7、C8向雙穩電路送進一個觸發脈沖，VT5、VT6狀態翻轉一次，當VT6從截止狀態轉變成導通狀態時，VD5截止，VT7截止，繼電器K釋放；當再來一個觸發信號時，VT6由導通轉變為截止狀態，VD5導通，VT7導通，繼電器K吸合......由于增加了雙穩電路，使之用于電燈、電扇、電視等電器遙控成為現實。調試時，在a點與+16V〔電源〕之間用導線快速短路一下后松開，繼電器應吸合〔或釋放〕，再短路一下松開，繼電器應釋放〔或吸合〕，如果繼電器無反響，請檢查雙穩電路元件焊接質量和元件參數。再加上設計中所選用的超聲波探頭里已經集成了上述超聲波接收電路，一般情況下一次即可成功。為了測量結果的準確性，對于超聲波探頭接收到的信號同樣需要進行處理。探頭收到的回波信號經OUT口回到電路中，經過電容C10耦合，只保存測距需要的交流信號。電路中參加二極管D1同樣是因為上面提到的探頭的感性。由于感性的存在，在停止發送超聲波的那一刻，OUT口會出現一個反向電動勢，即電位低于地電位。這樣，如果沒有二極管保護，這個反向電動勢將會全部加在三極管Q4的b-e結上，如果探頭的感性比擬強，其反向電動勢足以將b-e結擊穿。二極管D1提供了一個電流的瀉放電路，也可以說是將反向電動勢降到最小〔0.7V左右〕，保護三極管及其他電路。電容C9對經過三極管的信號進一步整形，去掉信號波形中的毛刺，使波形更好。電阻R5起一個上拉電阻的作用，因為回波信號經過濾波后很可能會衰減的很嚴重，所以利用R5將其幅度上拉到5V，以便單片機更好的檢測回波信號。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強、性能優越、外圍接口簡單、本錢低等優點，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz比擬接近，而且CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調節，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成。圖4-13超聲波回波信號整形電路圖4-1440KHz超聲波接收電路3.3顯示電路設計3.3.1LCD1602液晶顯示原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄，適用于大規模集成電路直接驅動，易于實現全彩色顯示的特點，目前已經被廣泛應用在便攜式電腦，數字攝像機，PDA移動通信工具等眾多領域。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母，數字，符號等的點陣型液晶模塊，它有假設干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此沒所以不能顯示圖形。1602LCD是指顯示的內容是16*2，即可顯示兩行，每行16個字符液晶模塊〔顯示字符和數字〕。3.3.21602LCD的根本參數及引腳功能1602LCD主要技術參數顯示容量：16*2個字符芯片工作電壓：4.5—5.5V工作電流：2.0mA(5.0V)模塊最正確工作電壓：5.0V字符尺寸：2.95*4.35〔W*H〕mm引腳功能說明：1602LCD采用標準的14腳〔無背光〕或16腳〔帶背光〕接口，各引腳接口如下表第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：VL為液晶顯示器比照度調整端，接正電源比照度最弱，接地時比照度最高，比照度過高時會產生“鬼影〞，使用時可以通過一個10K的電位器調整比照度。第4腳：RS為存放器選擇，高電平是選擇數據存放器，低電平是選擇指令存放器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平是進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變為低電平時，液晶模塊執行命令。第7~14腳：D0~D7為8位雙向數據線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。3.3.3根本操作時序表讀寫操作時序如圖2-6和2-7所示：圖2-6讀操作時序圖圖2-7寫操作時序圖1602的數據位由單片機P0口控制，首先初始化，然后根據時序圖寫程序開啟1602.原理圖如下列圖2-8：圖2-81602LCD顯示電路1602特性〔1〕+5V電壓，比照度可調〔2〕內含復位電路〔3〕提供各種控制命令：如清屏，字符閃爍，光標閃爍，顯示移位等多種功能(4)有80字節顯示數據存儲器DDRAM〔5〕內建有160個5*7點陣的字型的字符發生器CGROM〔6〕8個可由用戶自定義的5*7的字符發生器CGRAM3.4報警電路設計報警電路采用的是PNP三極管驅動的蜂鳴器，雖然蜂鳴器想起來使人厭煩，但是根本功能實現了。當距離小于20CM時，單片機P3^5口輸出低電平，蜂鳴器響起以用來警示危險！3.5硬件電路設計優化3.5.1由于空氣對超聲波的吸收與超聲波頻率成正比，因此用來測距的超聲波的頻率不能很高。另一方面，頻率越低，波長越長，測量的絕對誤差就越大。所以，40Kz的超聲波單頻測距的范圍只有5～6米，無法滿足我們的要求。為了解決測量范圍和測量精度之間的矛盾，我們采用雙頻測距的方法。其測距原理是：控制器現發出一串頻率為fH的超聲波，串長度可以有10～16個完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。這種在時域上連續的兩種頻率的超聲波被前方的目標反射后，形成回波，回波經由接收器形成回波脈沖EchoH和EchoL。由于高頻聲波先發出，對于同一個目標，其回波EchoH先到達CPU，因此，對于較近的目標，首先用高頻超聲波探測。當目標較遠時，高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，接收器接收到的回波中只有低頻超聲波EchoL。由于該裝置在距離較遠時對精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測。如圖4-17所示：圖4-17雙頻超聲波測距工作時序圖t0、t1分別為高、低超聲波發射的開始時間，t2、t3為高、低超聲波回波到達的時間，所測得的距離分別為：D1=c(t2-t0)/2(4-1)D2=c(t3-t1)/2(4-2)經試驗可知，用雙頻超聲波發射，量程可到達25m。3.5.2超聲波從發射到接收的時間間隔是由控制器內部的定時器來完成的。由于發射器探頭與接收器探頭的距離不大，有局部波未經被測物就直接繞射到接收器上，造成發送局部與接受局部的直接串擾問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發射開始到"虛假反射波"結束的時間段里的信號。這樣，就有效的防止了干擾，但另一方面也形成了20cm左右的“盲區〞。超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有：〔1〕擴散衰減:超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴散能量逐漸分散，從而使單位面積內超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強均隨至聲源的距離的增加而減弱。〔2〕散射衰減:當聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質所組成的界面時，就將產生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質中沿著復雜的路徑傳播下去，最終變為熱能。〔3〕粘滯衰減:聲波在介質中傳播時，由于介質的粘滯性造成近質點之間的內摩擦從而使一局部聲能轉化熱能。同時，由于介質的熱傳導，介質的稠密和稀疏局部之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗，這就是介質的吸收現象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波屢次反射的次數來表示。這種方法僅能粗略地比擬聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數，底波次數多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，底波次數少，則聲波衰減比擬嚴重。另一種是理論上定量計算的表示方法，即用衰減系數來表示聲波的衰減。4軟件設計本設計的軟件設計局部十分的重要，距離的換算與顯示，就連局部硬件電路不能完成的濾波也要靠程序來完成。而且程序的設計也是本設計的難點。4.1程序完成的功能本次設計的程序需要完成的功能有：〔1〕超聲波的發射和接受控制〔2〕消除余振〔3〕對回波信號的檢測〔4〕距離的換算〔5〕距離的顯示〔6〕對距離進行判斷〔7〕距離的提示4.2編程語言的選擇在編程語言的選擇上，我主要考慮使用我所學過的匯編語言和C語言。下面將對匯編語言與C語言的特點進行比擬。匯編語言是一種面向機器的低級的程序設計語言。它直接利用機器提供的指令系統編寫程序，該類程序的可執行指令是與機器語言程序的指令一一對應的。匯編語言由于是面向機器的程序設計語言，與具體的計算機硬件有著密切的關系，因此，可移植性差。但由于匯編指令與機器語言指令一一對應，即一條匯編語言的可執行指令對應著一條機器語言指令，反之亦然。因此，匯編語言可直接利用機器硬件系統的許多特性，如存放器、標志位以及一些特殊指令等，具有執行速度快、占用內存少等優點。匯編語言的缺點是程序的通用性和可移植性差；程序比擬繁瑣，調試困難；目標程序比擬龐大，運行速度慢。C語言是一種編譯型的程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數，運算速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，而且可以直接實現對系統硬件的控制。C語言是一種結構化設計語言，支持支持由頂向下結構化程序設計技術。C語言的模塊化程序結構可以使程序模塊實現共享。在C語言的可讀性方面更容易借鑒前人的開發經驗，提高程序的開發水平。C語言應用于單片機編程出了上述特點外，還有以下突出特點：編譯器可以自動完成變量存儲單元的分配，省去了分配和紀錄存儲單元的繁瑣；不必對單片機