單片機(jī)在運(yùn)用于超聲波測試報(bào)警體系中的設(shè)計(jì)及其仿真研究①

王洪生

(硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇蘇州 215332)

超聲波檢測距離屬于一類非接觸式的測試技能，并不受到外部光線以及被測目標(biāo)色澤等因素的影響，所以，超聲波測距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。

1 超聲波測距報(bào)警體系設(shè)計(jì)主要原理分析

根據(jù)圖1可知，單片機(jī)能夠接納超聲波所輸出的間距信號(hào)，且就該指標(biāo)展開恰當(dāng)?shù)奶幹弥?，能夠通過屏顯模塊同步地呈現(xiàn)出超聲波和障礙物間距。

依照我們的設(shè)定，單片機(jī)所傳遞出的是40kHz頻率的方波式信號(hào)。通過放大效應(yīng)之后，經(jīng)由超聲波發(fā)射器所輸出。超聲波的接收器裝置在接納到超聲波的信號(hào)之后，通過放大器的放大效應(yīng)，通過鎖相環(huán)式電路展開檢波的處置之后，開啟單片機(jī)的中斷流程，檢測的時(shí)間是t。然后，經(jīng)由軟件的編程處理之后展開判斷、運(yùn)算，測試得到間距數(shù)值，且通過LED的相關(guān)數(shù)碼管加以屏顯。相應(yīng)的原理圖示可參見圖2所示。

發(fā)射器在傳遞超聲波之后，其在空氣內(nèi)的傳播速率為v，在其抵達(dá)被檢測的物體后反射再返回，并通過接收器所接納。整個(gè)往返的時(shí)間是t。通過如下流程展開運(yùn)算，即檢測的距離L(m)數(shù)值為室溫狀態(tài)下聲速340（m/s）與感應(yīng)時(shí)間參量t（s）之積除以2，即可計(jì)算出被檢測物體的具體間距數(shù)值。因?yàn)槌暡▽儆谝活惵暡?，它的聲速v和溫度參量存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，倘若溫度的改變并不明顯，那么能夠認(rèn)定聲速處于基本恒定的狀態(tài)。倘若測距的精確度非常地高，那么須經(jīng)由溫度的補(bǔ)償方式進(jìn)行及時(shí)的修改。

圖1 超聲波測距報(bào)警體系內(nèi)部連接情況圖示

圖2 超聲波測試距離儀原理圖示

圖3 超聲波測試報(bào)警體系硬件電路圖示

2 超聲波測試報(bào)警體系中硬件電路的設(shè)計(jì)

本體系所設(shè)計(jì)的硬件電路的掌控軸心為單片機(jī)，根據(jù)超聲波測試距離的原理可知，主要包括的模塊部分有：單片機(jī)、超聲波、藍(lán)牙、報(bào)警電路、溫度傳感、顯示電路以及電源電路等。此設(shè)備能夠同步地觀看和障礙物的間距，再者，在具體展開設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置單個(gè)具體的設(shè)定數(shù)值，若間距不足設(shè)定值時(shí)，便會(huì)立即傳出一串“滴、滴、滴”的警報(bào)聲，隨著間距愈來愈短，警報(bào)聲也變得愈來愈為急促。具體主要模塊可參見圖3所示。

單片機(jī)模塊的主要組成為：晶振電路、STC89C52 單片機(jī)和流程下載模塊等。單片機(jī)所采納的規(guī)格為STC89C52，它屬于一款8K規(guī)格的COM0S8微處理器，各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足此體系運(yùn)用。將P0口當(dāng)作通用型的I/O口加以運(yùn)用，應(yīng)外部添加上拉式電阻設(shè)備。

至于藍(lán)牙所采納的為藍(lán)牙HC-06規(guī)格的模塊及其適配器。其中，下位機(jī)通過藍(lán)牙HC-06 模塊加以結(jié)合，再開通藍(lán)牙適配器設(shè)備的PC 客戶端就能夠完成配對。另外，此模塊在具體設(shè)計(jì)時(shí)，僅需配置如下的4條線即可：VCC所配接的為是+5V規(guī)格的電源；GND和地相接；TXD 屬于發(fā)送端，和單片機(jī)中的P3.1引腳連接；RXD屬于接收端，和單片機(jī)中的P3.0引腳連接。

所采用的HC-SR04超聲波模塊涉及到控制電路、超聲波發(fā)射器以及接收器，能夠完成2～400cm規(guī)格的非接觸式測試，因此，實(shí)施3個(gè)共陽極LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)掃描并同步顯示即可，該設(shè)備采納P0 口內(nèi)的P0.0、P0.3、P0.6當(dāng)作數(shù)碼管位挑選信號(hào)，所有的P2 口當(dāng)作數(shù)碼管段進(jìn)行信號(hào)的選擇。另外，溫度指標(biāo)在超聲波傳遞速率時(shí)會(huì)發(fā)生一定的影響，出于提升體系測量精度的目的，應(yīng)做好溫度的采集工作，傳感器的型號(hào)使用的是DS18B20，它的硬件設(shè)備接口較為簡易化，性能平穩(wěn)，除卻和VCC 以及地表相連之外，僅需一根接口線和單片機(jī)中的P3.4引腳連接起來。

3 超聲波測試報(bào)警體系軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)，采納的是模塊化的設(shè)計(jì)方案，主要涉及到主流程的設(shè)計(jì)、T0中止服務(wù)分流程、外界中止服務(wù)分程序、間距計(jì)算分流程、LED屏顯分流程設(shè)計(jì)等方面。主流程第一步是初始化處理體系環(huán)境，設(shè)計(jì)定時(shí)器T0的工作范式是16位的定時(shí)計(jì)時(shí)器范式。置位總中止同意位EA且替屏顯端口P0與P2清除為0。

其次，借助于超聲波輸出分流程傳遞出單個(gè)超聲波的脈沖。出于規(guī)避超聲波由發(fā)射器裝置直接地傳輸至接收器而導(dǎo)致直射波的觸發(fā)目的，因此，應(yīng)延遲時(shí)間大概0.1ms，其后打開外部中斷0接納返歸了的超聲波信號(hào)。

在測試好間距值之后，把結(jié)果以十進(jìn)制BCD碼的途徑傳遞至LED屏顯時(shí)間大概為0.5s，接著，發(fā)出超聲波脈沖，反復(fù)進(jìn)行測試。出于優(yōu)化流程的結(jié)構(gòu)以及易于運(yùn)算出間距值，主流程采納的是C語言展開編寫。

4 超聲波測試報(bào)警體系中小車避障礙物模塊的設(shè)計(jì)研究

在設(shè)計(jì)規(guī)避障礙物模塊時(shí)，采納的是超聲波傳感器設(shè)備，從而達(dá)到智能化避障的目的。由于超聲波自身的頻率并不低，且指向性明確，它的測距主要原理如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，空氣中超聲波的傳播速率為340m/s，當(dāng)超聲波在發(fā)射之后，其在具體傳播時(shí)碰到障礙物時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射的現(xiàn)象。檢測超聲波在發(fā)射與接收過程的時(shí)間差，就能夠運(yùn)算出所發(fā)射之點(diǎn)在碰到障礙物時(shí)的現(xiàn)實(shí)間距。因而，可以于車身之前處安置單個(gè)HC-SR04規(guī)格的超聲波，借助于超聲波測距性能，小車可以對前方擋路的障礙物產(chǎn)生感應(yīng)現(xiàn)象，且可以在間距障礙物確定的距離時(shí)，及時(shí)地剎車。針對障礙物所處的具體方位而做出相應(yīng)的反應(yīng)。比如，障礙物處于左側(cè)，小車就往右側(cè)拐；又如，處于右側(cè)則往左側(cè)拐，達(dá)到規(guī)避障礙物的目的，遵從既定的線路線保持正常的運(yùn)行狀態(tài)。

相關(guān)的測距流程和原理如下：借助于單片機(jī)I/O口替TRIG端口處提供單個(gè)10μs規(guī)格的高電平脈沖式觸發(fā)信息，模塊智能化地傳遞8個(gè)數(shù)量的40KHz規(guī)格方波，且測試是否發(fā)生回波型信號(hào)；倘若測試到了回波型信號(hào)，那么ECHO 端即會(huì)傳遞出單個(gè)高電平，且高電平的持續(xù)性時(shí)間即為超聲波由發(fā)射至返回的時(shí)間t。若ECHO端所傳出的為高電平之際，單片機(jī)啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器，在輸出了低電平后終止計(jì)時(shí)后，基于流程情況記取的具體時(shí)間值t，并測試距離，相應(yīng)的計(jì)算函數(shù)式為（340*t）/2m。

5 超聲波測試報(bào)警體系仿真分析

在借助于proteus展開仿真流程時(shí)，軟件內(nèi)因?yàn)椴o超聲波傳感器展開仿真模型的計(jì)算，從而導(dǎo)致對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行硬件電路與軟件設(shè)計(jì)的可行性證實(shí)過程制造了不應(yīng)有的難度。出于證實(shí)設(shè)計(jì)的電路是否與要求相吻合的目的，借助于555時(shí)基電路組建單個(gè)單穩(wěn)態(tài)式觸發(fā)器。通過單片機(jī)P2.7傳遞出超聲波信息之后，單穩(wěn)態(tài)式觸發(fā)器發(fā)出延時(shí)性的信號(hào)，從而仿擬超聲波由輸出之后碰到障礙物再返回后的過程，根據(jù)該過程所耗費(fèi)的時(shí)間調(diào)控滑動(dòng)變阻器的位置，等同于調(diào)控遲滯性時(shí)間情況，對超聲波傳感器所搜集的信號(hào)進(jìn)行模擬操作。

當(dāng)按下開關(guān)鍵時(shí)對超聲波的間距警報(bào)值進(jìn)行重新設(shè)置，例如，假設(shè)警報(bào)電路中的K1和K2開關(guān)，每當(dāng)K2按下時(shí)，數(shù)字同步增加1。同時(shí)設(shè)置安全間距的min值為1m。當(dāng)示波器所搜集到從傳感器所輸出的信號(hào)后，設(shè)置第一個(gè)信號(hào)是P2.7所傳遞出的超聲波信號(hào)，開啟計(jì)時(shí)器的第4個(gè)信號(hào)p3.5輸出超聲波的信號(hào)，開啟計(jì)時(shí)器的第4個(gè)信號(hào)，p3.5則變成高電平，在接收了返回信號(hào)后變成低電平?；诟唠娖竭B續(xù)性時(shí)間即能夠運(yùn)算出具體的距離值。

6 結(jié)語

本文主要基于STC89C52規(guī)格的單片機(jī)當(dāng)作控制的軸心，借助于紅外線測試技術(shù)展開軌跡的跟蹤過程，運(yùn)用超聲波傳感器工具展開智能化規(guī)避障礙物的設(shè)計(jì)。在闡明超聲波測距報(bào)警體系主要原理的基礎(chǔ)上，依次闡述超聲波測試報(bào)警體系中硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)情況，設(shè)計(jì)超聲波測試報(bào)警體系中避障礙物模塊情況，具體實(shí)驗(yàn)超聲波測試報(bào)警體系仿真情況。