1、专科生毕业设计（论文）I摘 要目前由于交通建设的高速发展，公路，桥梁等收费有偿类交通设施的建设越来越多，相应对其交通控制管理及收费方式的要求也在不断提高。目前车型的大小主要靠人工判断，还没有达到智能化。如果能够对汽车车型进行自动识别，就可以为公路的智能化收费系统的实施解决了关键问题。所以本系统针对以上问题进行设计。本文简要介绍了 8 位单片机 AT89S52，并详细阐述了利用单片机实现车辆车型自动检测的设计方案。主要以超声波传感器为检测元件；下位机与主 PC 机通信所构成的系统。AT89S52 单片机作为整个下位机系统的核心，通过软件编程，来采集车辆信息从而达到车型的自动识别与收费控制。本系统
2、可分为硬件设计和软件设计两部分。在硬件设计部分对系统主要组成，设计方法选择做了详细阐述。硬件电路由单片机、显示电路、报警电路、检测电路、电源电路、栏杆控制电路组成。软件部分采用汇编语言编写。软件设计中给出了程序的流程图、初始化程序、以及检测程序、控制程序。关键词：单片机 AT89S52；超声波传感器；RS232；车型检测专科生毕业设计（论文）IIAbstractAs the current rapid development of transportation construction, highways, bridges and other fees paid transport facil
3、ities such as the construction of more and more, corresponding to its traffic control management and pricing requirements are also rising. The current models rely mainly on the size of judgement, has not yet reached intelligent. If the Automatic Vehicle Identification, we can intelligent highway sys
4、tem in the implementation of the settlement of the key issues. Therefore, the system designed for the above-mentioned problems.System gave a briefing on 8-bit microcontrollers AT89S52, and elaborate on the use of MCU vehicle inspection system design. Focused on the practical applications of SCM in t
5、he merits. Introduced to ultrasonic sensors to detect components; under the crew and the main phase of PC communications systems. AT89S52 SCM as a whole under the crew the heart of the system, through software programming, to collect information vehicles to reach the semi-automatic charging the purp
6、ose.The system can be divided into the design of hardware and software design in two parts. System and the main component of the structure, design methods and equipment choices made elaborate. Hardware circuit by the microcontroller, display circuit, alarm circuits, detection circuit, the power circ
7、uit, railings control circuit. And gives a detailed flow chart of the design process, initialization procedures and testing procedures, control procedures. Assembly language software used to prepare. Key words: SCM AT89S52; ultrasonic sensors; RS232; model testing专科生毕业设计（论文）III目 录第 1 章 绪 论 .11.1 关于自
8、动检测收费的发展趋势 11.2 本课题研究意义及内容 11.3 系统的经济可行性 2第 2 章 系统设计方案论证 .32.1 车辆分类方法 32.2 车型检测方法选择 42.3 系统功能 42.4 车型自动识别系统组成 5第 3 章 系统硬件设计 .63.1 单片机选择 63.2 单片机基本电路设计 93.2.1 时钟电路设计 .93.2.2 复位电路设计 .93.2.3 看门狗定时器 .103.3 传感器选择和设计 113.3.1 超声波传感器 .113.3.2 电磁传感器 .173.4 栏杆控制器电路设计 173.4.1 光电隔离管与继电器简介 .173.4.2 抬杆电路接线图及工作原理
9、.183.5 显示电路 193.5.1 LED 显示器结构与原理 .193.5.2 LED 显示方式 .203.5.3 显示器与单片机连接图 .213.6 单片机与主 PC 机通信接口 .233.7 电源部分 243.8 报警电路 253.9 键盘电路 25专科生毕业设计（论文）IV第 4 章 系统软件设计 .274.1 系统软件设计思想 274.2 地址及内存分配 274.3 主程序 284.4 信号采集子程序 294.5 数据抗干扰算法流程图 304.6 单片机与主机通信程序 314.7 中断子程序 324.8 车型识别及显示子程序 33第 5 章 结 论 .34参考文献 .35致 谢 .
10、36附 录 .37专科生毕业设计（论文）1第 1章 绪 论1.1 关于自动检测收费的发展趋势ETC(Electronic Toll Collection) 不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站 ETC 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的。ETC 是国际上正在努力开发并推广的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。该技术在国外已有较长的发展历史，美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并逐步形成规模效益。我国以 IC 卡
11、、磁卡为介质,采用人工收费方式为主的公路联网收费方式无疑也受到这一潮流的影响。不停车收费技术特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。在传统采用车道隔离措施下的不停车收费系统通常称为单车道不停车收费系统，在无车道隔离情况下的自由交通流下的不停车收费系统通常称为自由流不停车收费系统。实施不停车收费，可以允许车辆高速通过(几十公里以至 100 多公里)，故可大大提高公路的通行能力；公路收费走向电子化，可降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益；同时也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用。另外，不停车收费系统
12、对于城市来说，就不仅仅是一项先进的收费技术，它还是一种通过经济杠杆进行交通流调节的切实有效的交通管理手段。对于交通繁忙的大桥、隧道,不停车收费系统可以避免月票制度和人工收费的众多弱点，有效提高这些市政设施的资金回收能力。1.2 本课题研究意义及内容目前，我国公路收费有两种，一种是高速公路按行使里程、车型收费，另一种是普通公路收费站按汽车车型一次性收费。在普通公路收费站，大多数都采用了半自动收费系统,半自动收费系统是采用人工观测判断车型，以此作为收费的依据；由闭路电视监视，计算机完成各类数据的统计。这种系统管理水平高,运营成本低,但存在一个致命的不足:人工干预多, 由于存在人为因数的影响，收费标
13、准有时不能得到严格的执行，容易造成应收款流失，给国家财产造成损失。专科生毕业设计（论文）2如果在半自动收费系统中加入车型自动识别与收费控制功能，就可以提高公路收费的自动化程度,有效的减少收费纠纷,提高车辆通过率、费额征收率及管理效率和经济效益。本文针对普通公路收费站设计了一种车型自动识别与收费控制系统，以提高公路收费站的自动化程度,提高费额征收率，增加经济效益。本课题设计要求：1确定车型的分类方法及检测方法。2进行车型自动识别与收费控制系统的硬件和软件设计。1.3 系统的经济可行性目前单片机的广泛应用及其产生的效益令人瞩目，它以其价格便宜且应用领域广等诸多优点成为控制系统中采用最多的器件和芯片
14、，该系统正是采用单片机AT89S52 进行控制，另外，该系统在外围电路中所用到的传感器、键盘、显示器等器件都是单片机控制系统中常用的器件，便宜且可靠性能好。因此，该系统具有结构简单、成本低，可靠性高等特点。本套系统相对比其他控制系统来说，本系统的性价比远远高出市面上其它的控制系统。专科生毕业设计（论文）3第 2章 系统设计方案论证2.1 车辆分类方法普通公路收费站对过往车辆的收费标准不同于高速公路收费站，它是由各省、市人民政府颁布收费标准，车辆一般分为 4 中类型，车型的划分主要是按车辆出厂时标记的载重吨位、载客的位数进行（不分重载、轻载） 。辽宁省对车型的规定如表 2.1 所示。表 2.1
15、车辆分类及收费标准车 型 参 数 标 准 收费金额（元）小 型 2.5 吨以下货车、13 座以下客车。 10中 型 35 吨货车、1329 座客车。 15大 型 610 吨货车、3060 座客车 20特 型 10 吨以上货车、6080 座客车、车长超 13 米。 25汽车有许多外型参数，与车辆类型有关的参数有 4 个：（1）总长：与接地面平行测得的汽车最大长度。（2）总宽：测得的汽车最大的宽度。（3）总高：从地面至汽车最高部的高度。（4）轴距：指汽车的前后轴中心的距离。三轴汽车的前轴与中轴间的距离为第一轴距。中轴与后轴的距离为第二轴距。不同车辆其外型参数是不同的，通过查阅汽车有关资料得知，车辆
16、的类型与车辆的外型参数有一定的联系，其中：小型车： 车长5 米，车高2.1 米。 中型车： 车长 5.17.0 米，车高 2.142.7 米。大型车： 车长 7.210 米，车高 2.583.3 米。特型车： 车长11 米，车高3.4 米。因此，车辆类型的划分可以依据车辆的外形参数中的车长和车高来确定车辆的类型。专科生毕业设计（论文）42.2 车型检测方法选择车型自动识别系统的技术关键是应用现代计算机技术和先进的检测技术，实现对过往车辆的自动识别与分类。对车辆的检测方法通常有红外线检测、图象处理、地感线圈检测和超声波检测等。由于红外线抗干扰能力较差，利用红外遥控来判别车辆信息，受环境的影响较大
17、，因此在外界环境很差情况下，其错误率较高；应用图像识别技术 对“车牌照识别”，需在公路收费站口设置车牌照抓拍系统，虽然准确率高，但是需要庞大的数据库，用来存储各种车辆车牌号，这需要全国统一车牌号的编写，目前这种方法在国内实施起来难度较大；用地感线圈检测，由于线圈安装在地下，维护比较困难，因此也未得到实际应用。超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小,反射能力较强，在介质中传播的距离较远等优点，并且超声波测距的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用。并且检测比较准确、快速，方法简单可靠，实时性好，在测量精度方面能达到设计要求。通过以上分析，
18、本系统选用超声波检测技术来实现对车辆车型的检测与分类，通过在公路上方安装两个超声波传感器，对过往车辆的高度、长度以及车速进行测量。把采集到的车辆信息送至计算机中，通过软件编程，实现对车型的自动检测与识别。2.3 系统功能本系统主要由位于收费现场的下位机和位于管理中心的 PC 机组成。管理中心的 PC 机主要进行信息的存储与管理，实时接收下位机传输的车辆信息，监督下位机的工作，进行数据的存储、管理和打印等功能。下位机的控制功能：对于通过的车辆进行车型自动检测与分类、可以自行显示收费金额、控制栏杆起落、对逃费车辆进行报警、向管理中心 PC 机上传车辆信息等。本文设计重点对下位机进行设计。专科生毕业
19、设计（论文）52.4 车型自动识别系统组成根据系统功能，本车型自动识别系统拟采用单片机做控制器、采用超声波传感器来采集车辆信息、利用电磁传感器采集车辆位置信号，超声波采集的信号经过单片机处理计算出收费的金额，由显示器显示出来。司机交款后，由操作员按下相应的功能键，单片机会控制栏杆抬起，并把绿色信号灯点亮，放车通过。同时将采集的车型数据传送到远程 PC 机上做为记录，从而实现车型的自动识别与管理。本系统下位机硬件设计包括：单片机基本电路设计、下位机通信接口电路、传感器选择设计、显示电路设计、控制执行电路设计。下位机系统的组成框图如图 2.1 所示。超声波发射/接收电路单片机电源电路时钟电路串行通
20、信接口电路 电磁传感器显示电路栏杆及报警电路图 2.1 组 成 框 图各部分电路的功能：1. 超声波发射/接收电路：由超声波接收及驱动模块 Polaroid 6500 和超声波传感器 Polaroid 600 组成。主要完成超声波信号的发射和采集工作。2. 控制执行电路：由继电器、光电隔离管和非门组成。主要完成对栏杆和红绿灯的控制。3. 主机电路：由 AT89S52 单片机和时钟电路组成。主要完成对采集来的信息进行运算处理，最终实现对车辆的自动识别。4. 显示电路：由 LED 显示块、74HC164 驱动芯片组成。主要完成对过往车辆应收费用的显示。5. 串行接口电路：由 RS232 和 MAX
21、232 驱动芯片组成。主要完成与 PC 机的通信，从而将车辆信息保存，从而实现车型自动识别与收费的现代化管理。专科生毕业设计（论文）6第 3章 系统硬件设计3.1 单片机选择单片机是本控制系统的核心，其性能直接决定着整个系统的性能。本系统选择 AT89S52 单片机做下位机控制器，它在整个系统中将完成所有的控制任务，包括车辆信息的采集、车型分类、数据处理和计算、应收费额的显示、点亮指示灯、栏杆控制及通信等功能。AT89S52 单片机是美国 ATMEL 公司的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机产品，AT89S52 具有 8K 在线可编程 Flash 存储器，使用 Atmel 公司高密度非易失
22、性存储器技术制造，与 MCS-51 系列 产品指令和引脚完全兼容，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式，空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作，掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52 主要性能如下：1. 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器2. 1000 次檫写周期3. 全静态操作：0Hz33Hz4. 三级加密程序存储器5. 32 个可编程 I/O 口线6. 3
23、 个 16 位定时器/计数器7. 8 个中断源8. 全双工 UART 串行通道9. 低功耗空闲和掉电模式10. 掉电后中断可唤醒11. 看门狗定时器12. 双数据指针13. 掉电标识符AT89S52 引脚图如图 3.1 所示：专科生毕业设计（论文）7图3.1 AT89S52元件引脚功能如下：VCC ：电源 GND：地 P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/ 数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在 flash
24、 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外， P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2 ）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX ）。在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 P1 口第二功能如下：
25、1. P1.0 T2 （定时器/计数器 T2 的外部计数输入）时钟输出 2. P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/ 重载触发信号和方向控制）3. P1.5 MOSI （在系统编程用） 4. P1.6 MISO （在系统编程用） 5. P1.7 SCK （在系统编程用） EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23
26、 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U1AT89S52专科生毕业设计（论文）8P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如
27、MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。 在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用。在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。1. P3.0 RXD（串行输入） 2. P3.1 TXD（串行输
28、出） 3. P3.2 INT0（外部中断 0）4. P3.3 INT0（外部中断 0） 5. P3.4 T0 （定时器 0 外部输入） 6. P3.5 T1 （定时器 1 外部输入） 7. P3.6 WR(外部数据存储器写选通) 8. P3.7 RD(外部数据存储器写选通) RST：复位输入。晶振工作时，RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ ALE）是访问外部程序存储器
29、时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1，ALE操作将无效。ALE：仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN ）是外部程序存储器选通信号。 专
30、科生毕业设计（论文）9当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN 将不被激活。 EA/VPP；访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器，读取指令，EA 必须接 GND。为了执行内部程序指令， EA 应该接 VCC。在 flash 编程期间，EA 也接收 12 伏 VPP 电源。 XTAL1；振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2；振荡器反相放大器的输出端。3.2 单片机基本电路设计3.2.1 时钟电路设计时钟可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式
31、，本设计采用内部时钟方式，如图 3.2 所示。外部振荡器和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的内部时钟方式。单片机内部有一个高增益反向放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是这个放大器的输入端和输出端。放大器与作为反馈元件的片外的石英晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。可以用示波器从 XTAL2 脚观察到单片机输出的矩形波。图 3.2 时钟电路图外接电容 C1 和 C2 会响应振荡器的稳定性和戚震的快速性，它还可以对振荡频率起微调作用。当外接石英晶体时，C1 和 C2 常选 30pF 左右。晶体振荡频率可在 1.212MHz 选择，频率越高，单片机速度越快，通常使用 11.059
32、2MHz。3.2.2 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠复位电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的Y16 MHzC 93 3PFC 1 03 3PFXT AL 1XT AL 2专科生毕业设计（论文）10RST 引脚上出现 24 个时钟震荡脉冲（2 个机械周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。单片机系统在工作时，由于各种干扰信号的影响，有时会出现程序的“跑飞”或死机现象，这就需要系统能够自动复位，重新运行。为了保证系统可靠复位，需要设计复位电路。1、简单复位电路简单复位电路有手动复位和上电复位两种，不管是那种复位电
33、路都要保证在RESET 引脚上提供 10ms 以上稳定的高电平。图 3.3(a) 是常用的上电复位电路，这种上电复位电路利用电容器充电来实现。当加电时，电容 C 充电，电路有电流通过，构成回路，在电阻 R 上产生压降，RESET 引脚为高电平，当电容器充满电后，电路相当于断开，RESET 的电位与地相同，复位结束。可见，复位的时间与充电的时间有关，充电时间越长，复位时间越长，增大电容或增大电阻都可以增加复位时间。图 3.3(a)上电复位电路图 图 3.3(b)手动复位电路 图 3.3(c) 脉冲复位电路图 3.3(b)是按键式复位电路，它的上电复位功能与图 3.5(a)相同，但它还可以通过按键
34、实现复位，按键按下，通过 R1 和 R2 形成回路，使 RESET 引脚产生高电平。按键的时间决定了复位时间。图 3.3(c)是按键脉冲式复位电路，它利用 RC 微分电路在 RESET 引脚产生正脉冲来实现复位。3.2.3 看门狗定时器 AT89S52 内部含有看门狗定时器，它是一种需要软件控制复位方式的看门狗。片内 WDT 由 13 位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT 在默认情况下无法工作，为了激活 WDT，用户必须往WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入 01EH 和 0E1H。当 WDT 激活后，晶振工作，WDT 在每个机器周期都会增
35、加。 WDT 计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或 WDT 溢出复位），没有办法停止 WDT 工作。当 WDTVCCRESET VssAT89C52*C22uf1KVCCVCCRESET VssAT89C52*C22uf1KVCCR200kk VCCRESET VssAT89C52*C221KVCCk1k22专科生毕业设计（论文）11溢出，它将驱动 RSR 引脚一个高个电平输出。为了激活 WDT，用户必须向WDTRST 寄存器（地址为 0A6H 的 SFR）依次写入 0E1H 和 0E1H。当 WDT 激活后，用户必须向 WDTRST 写入 01EH 和 0E1H 喂狗来避免 WD
36、T 溢出。当计数达到 8191(1FFFH)时，13 位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、WDT 激活后，每一个机器周期 WDT 都会增加。为了复位 WDT，用户必须向WDTRST 写入 01EH 和 0E1H（WDTRST 是只读寄存器）。WDT 计数器不能读或写。当 WDT 计数器溢出时，将给 RST 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续 96 个晶振周期（TOSC），其中 TOSC=1/FOSC。3.3 传感器选择和设计3.3.1 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它
37、具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头
38、（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标：1) 工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。2) 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效 。3) 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，专科生毕业设
39、计（论文）12灵敏度低。1、超声波工作原理为 了 研 究 和 利 用 超 声 波 ， 人 们 已 经 设 计 和 制 成 了 许 多 超 声 波 发 生 器 。 总 体上 讲 ， 超 声 波 发 生 器 可 以 分 为 两 大 类 ： 一 类 是 用 电 气 方 式 产 生 超 声 波 ， 一 类 是用 机 械 方 式 产 生 超 声 波 。 电 气 方 式 包 括 压 电 型 、 磁 致 伸 缩 型 和 电 动 型 等 ； 机 械方 式 有 加 尔 统 笛 、 液 哨 和 气 流 旋 笛 等 。 它 们 所 产 生 的 超 声 波 的 频 率 、 功 率 和 声波 特 性 各 不 相 同 ，
40、 因 而 用 途 也 各 不 相 同 。 目 前 较 为 常 用 的 是 压 电 式 超 声 波 发 生器 。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 3.4 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。图 3.4 超声波传感器结构2、运动物体的探测原理超声波测距原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时
41、，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。即：S=340t/2 （3-1）这就是所谓的回波测距法。3、本系统数学模型的建立超声脉冲回波技术是历史最久、应用最广的一种超声无损检测技术。它具有安全、可靠、精度高、可操作性强、维护简便等一系列优点。通常采用超声波回波检测法对探测物体进行测量。（1）车辆高度的检测共振板压电晶片电极专科生毕业设计（论文）13将超声波发射探头安装于道路上方高为 H 处（一般由空中架线或安装专用龙门架解决，如图 3.5 所示）
42、。探头发射超声波向下辐射，遇到车辆由下方通过，其顶部将使超声波发生反射并被同一探头接收（见图 3.6） 。设声速为 C，自探头发出超声脉冲至收到回波信号的时间间隔为 T，车辆高度为 D,则有：（3-2CD2）（2）车辆速度的检测将探头为成组安装于道路上方，每个车道上相距 L 的两个探头同时工作（见图 3.6） 。当车辆自奇数号探头向偶数号探头行驶时，若其速度为 V，由奇数号探头下方与到达偶数号探头下方时间差为T1，则有：（3-1TLVD12LHdV图 3.6检测原理图车道图 3.5传感器安装图专科生毕业设计（论文）143）（3）车辆长度的检测当车辆通过探头下方时，必然会有一个持续时间。若车辆头
43、尾到达同一探头时间差为T2，车辆长度为 d，则有：（3-）（ 122TLV4）对于车辆分型的判别，由于车辆的外型轮廓的差别，其接收超声回波时间会不尽相同，车长 d，车高 D 是反映车辆外形的主要参数，将计算所得参数与寄存在计算机内的车型参量进行比较，算出相关度，即可将车辆分型。4、超声波检测电路本系统选用 Polaroid 600 超声波传感器（俗称超声波探头） 、Polaroid 6500 超声波接收、驱动模块，来检测车辆信息。Polaroid 600 超声波传感器是集发送探头与接收探头于一体，传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。
44、薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为 49.4kHz、电压为 300VAC pk-pk 的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4kHz 的超声波。Polaroid 600 超声传感器发送的超声波具有角度为 30 度的波束角，如图 3.7所示：图 3.7 波束角Polaroid 600 传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在 D 时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信
45、号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。由于受环境温度、湿度的影响，Polaroid 600 传感器的测量值与实际值总有一些偏差，表 3.1 列出了 Polaroid 600 传感器测量值与对应的实际值：表 3.1超声测距系统测量值与实际值 单位：m实际值 1 2 3 4 5 6 7 8专科生毕业设计（论文）15测量值 1.12 1.88 3.10 4.10 4.99 6.01 7.08 8.10从表中的数据可以看出，测量值总是比实际值大出大约 17cm，经过分析原因主要有三个方面：第一方面，超声波传感器测得的数据受环境
46、温度的影响；第二方面，指令运行需占用一定的时间而使得测量的数据偏大；第三方面，为了防止其他信号的干扰，单片机开始计数时，驱动电路发送 16 个脉冲串。对于单个回声的方式，当驱动电路接收到碰到障碍物返回的第四个脉冲时就停止计数，所以最终测得的时间比实际距离所对应的时间多出四个脉冲发送的时间。为了减小测量值与实际值的偏差，本系统采用最小二乘法对表 3.1 的数据进行修正。经过拟合，本系统得到下面的方程：y=1.0145x-9.3354 （其中：y 为实际值，x 为测量值） （3-5）修正后本超声波测距系统测量值与实际值的对应关系如表 3.2 所示：表 3.2 修正后超声测距系统测量值与实际值 单位
47、：m实际值 1 2 3 4 5 6 7 8测量值 1.08 2.06 3.00 4.09 5.03 6.01 7.08 8.03从修正后的数据可以看出，系统的测量误差在2%以内，满足本系统的测量要求。6500 接收和驱动模块内部有一个 420KHz 的陶瓷晶振， 6500 接收和驱动模块开始工作时，在发送的前 16 个周期，陶瓷晶振被 8.5 分频，形成 49.4KHz 的超声波信号。当接收回波时，Polaroid 6500 内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz 的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。工作时，微处理器 AT89S51 先把 P1.0 置 0，启动超声波传感器发
48、射超声波，同时启动内部定时器 T0 开始计时。600 超声波传感器是收发一体的，所以在发送完 16 个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后 2.38ms 才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描 INT0 引脚，如果 INT0 接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断,关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。Polaroid 6500 超声波接收驱动模块内部组成如图 3.8 所示：专科生毕业设计（论文）
49、16超声波控制器 6500 接收及驱动模块引脚功能如下：1) GND：地2) VCC：电源3) BLANK：空载控制引脚4) XDCR：超声波控制脉冲发射引脚。工作时，该引脚输出 49.4kHz 信号脉冲。5) XGND：超声波脉冲信号接收引脚。图 3.8 Polaroid 6500超声波接收驱动模块内部组成6) OSC：时钟输出引脚，可输出频率 49.4kHz7) ECHO：超声波接收。检测到回波时，该引脚出现两个时钟周期以上的高电平。8) BINH：禁止空载引脚。9) INIT：超声波启动引脚。当 INIT 引脚有边沿触发脉冲时，6500 控制模块将在 XDCR 脚上产生 49.4kHz 脉冲。GND1blnk2XDCR3INIT4XGND5 OSC 6ECHO 7BINH 8VCC 9U?6500PortPortchaoshengboU?NOTU?NOTp1.0int0专科生毕业设计（论文）17图 3.9 超声波传感器检测电路3.3.2 电磁传感器在本系统中，电磁传感器主要作用是检测车辆是否行驶出收费区，来控制栏杆落下。电磁传感器主要由半导体磁阻元件、永久磁铁、固定器、外壳等几个部分组成。典型结构
