畢業(yè)設計（論文）基于AT89C51單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設計

1、中文摘要i摘 要論文的內容是基于 at89c51 單片機超聲波測距系統(tǒng)的設計，主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和 at89c51 單片機結合于一體。該系統(tǒng)采用軟、硬件結合的方法，具有模塊化和多用化的特點。論文概述了超聲波測距的發(fā)展及基本原理，對于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體構成。通過多種發(fā)射接收電路設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個設計單元的原理進行了介紹。對組成各系統(tǒng)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(tǒng)的軟件結構，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)設計主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊設計、

2、超聲波接收模塊、報警模塊和顯示模塊等五個模塊構成。這套系統(tǒng)抗干擾能力強、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴展和升級，可以廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學檢查、日常生活、無人駕駛汽車、自動作業(yè)現(xiàn)場的自動引導小車、機器人、液位計等。關鍵字：關鍵字： 單片機、超聲波、傳感器、led、測距abstractiiabstractthe paper is based on the contents of the at89c51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound feat

3、ures and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration at89c51 monolithic integrated circuit. the system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. the paper outlines the development and the basic principles of ultrasou

4、nd tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. through multiple launch reception circuit design comparison, the best des

5、igned programme drawn, and various system design modules principles introduced. on the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function.this system mainly by m

6、aster control module design, ultrasonic launching module design, ultrasonic receiving module, alarm module and display module five module. the system hardware and software design is reasonable, anti-jamming ability, good real-time performance, after system extension and upgrade, can be widely used i

7、n industrial production, medical examination, the daily life, the robots, automatic operation of the automatic lead car, robots, level gauge, etc. keywords: scm、 ultrasonic、sensor、led、ranging 目錄iii目 錄摘 要.iabstract.ii目 錄 .iii第一章 引 言 .11.1 選題背景 .11.2 設計意義 .21.3 近年來國內外發(fā)展狀況.21.3.1 超聲波測距系統(tǒng)在國外的發(fā)展.21.3.2 超

8、聲波測距系統(tǒng)在我國的發(fā)展.3第二章 系統(tǒng)構成及工作原理.52.1 超聲波簡介與應用 .52.2 系統(tǒng)的設計思路 .62.3 系統(tǒng)的工作原理 .7第三章 系統(tǒng)硬件電路設計.93.1 單片機的選擇 .93.2 超聲波測距發(fā)射電路方案選擇與設計.133.2.1 發(fā)射電路方案選擇與論證.133.2.2 發(fā)射電路方案的設計.133.2.3 反相器 74ls04 簡介.143.3 超聲波測距接收電路方案的選擇與設計.143.3.1 接收電路方案的選擇與論證.143.3.2 接收電路的設計 .153.4 顯示模塊方案的選擇與設計.183.4.1 顯示模塊方案選擇與論證.183.4.2 顯示模塊的設計 .19

9、3.4.3 led 數(shù)碼管簡介 .193.5 報警模塊的設計 .203.6 時鐘電路的設計 .22目錄iv3.7 復位電路的設計 .23第四章 軟件系統(tǒng)的設計.244.1 軟件設計分析 .244.2 系統(tǒng)軟件設計 .244.2.1 主程序 .254.2.2 超聲波產(chǎn)生子程序.264.2.3 數(shù)據(jù)讀取和儲存 .274.2.4 延時子程序 .284.2.5 顯示子程序 .28第五章 結論 .32參考文獻 .33致謝 .34附錄一 電路圖 .35附錄二 程序 .36第一章 引言1第一章 引 言1.1 選題背景隨著科技發(fā)展的不斷進步，自動測量技術不斷更新，非接觸式測量技術也有了長足的發(fā)展。在很多工控場

10、合，測量的物體是不能夠直接接觸到的，或者是測量物體不宜直接接觸, 這個時候就要用到非接觸式的測量儀器。自物理學上發(fā)現(xiàn)了壓電效應與反壓電效應之后，人們解決了利用電子學技術產(chǎn)生超聲波的辦法，從此超聲波技術得到廣泛運用。而在超聲波測量領域，尤其是在測距領域，結合各種其他技術的應用，超聲波測量變得十分普及。超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，傳播速度僅為光波的百萬分之一，縱向分辨率較高。超聲波對色彩、光照度、外界光線和電磁場不敏感，因此超聲測距對于被測物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力，在液位測量、機器人避障和定位、倒車雷達、物體識別等方面有著廣泛的運用。與其他測

11、距方法相比，超聲波測距方法有其自己的特點：(1) 相對于聲波，超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中的衰減較小、反射能力較強等優(yōu)勢。(2) 相對于光學方法，超聲波的波速小，可以直接測量較近目標的距離，縱向分辨率較高；對色彩、光照度、電磁場不敏感，被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應能力。特別是在海洋勘測方面具有獨特的優(yōu)點。(3) 超聲波傳感器結構簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化。隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波的應用將越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技

12、術及產(chǎn)業(yè)領域。第一章 引言21.2 設計意義距離在很多場合和控制中需要實時檢測，所以，測距就成為數(shù)據(jù)采集中重要的一環(huán)。盡管測距有多種方式，比如：激光測距、微波測距、紅外線測距和超聲波測距等。但是超聲波測距不失為一種簡單可行的方法。雖然超聲波測距電路多種多樣，可是有的電路復雜、技術難度大，有的調試困難，有的元件不易購買，這就在一些方面限制了超聲波測距系統(tǒng)的應用。本設計的電路，成本低廉、性能可靠、所用元件易購，結合單片機的數(shù)據(jù)處理，電路實現(xiàn)容易，工作穩(wěn)定可靠。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)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(xiàn)。利用超

13、聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單。超聲波智能測距儀具有廣泛的實際用途，超聲波測距儀廣泛應用于生活、軍事等各個領域，如施工建筑單位對空間距離的測量、汽車倒車防撞系統(tǒng)、潛水艇的超聲波探測定位系統(tǒng)。超聲波測距技術在社會生活中已有廣泛的應用，如汽車倒車雷達等，它們測距精度一般較低。目前對超聲波高精度測距系統(tǒng)的需求越來越大。展望未來，超聲波作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更高精度，更大應用范圍，更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。1.3 近年來國內外發(fā)展狀況1.3.1 超聲波測距系統(tǒng)在國外的發(fā)展一般認為，關于超聲波的研究最初起始于 1876 年

14、 f.galton 的氣哨實驗，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個鮮為人知的東西，由于當時電子技術發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。在第一次世界大戰(zhàn)中，對超聲波的研究逐漸受到重視。法國人langevin 使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來檢測水中是否存在潛艇并進行水下通信。1929 年，sokolov 首先提出用超聲波探查金屬物內部缺陷的建議。相隔 2第一章 引言3年，1931 年 mulhauser 獲準一項關于超聲檢測方法的德國專利，不過他并未做更多的工作。4 年之后，1934 年 sokolov 首次發(fā)

15、表了關于在液體槽子里用穿透法作實物試驗的結果，他用了各種方法做了實驗，用來檢測穿過試件的超聲能量，其中之一是用簡單的光學方法觀察液體表面由超聲波形成的波紋。德國人bergrnann 在他的論著ultrasonic中，詳細的論述了有關超聲波的大量早期資料，該論著一直被認為是該領域的經(jīng)典之作。美國的 firestone 首次介紹了脈沖回波探傷儀，使超聲波檢測技術發(fā)展到了更重要的階段。在各種系統(tǒng)中，這是最成功的一種，因為它有最廣泛的通用性，其檢測結果也最容易解釋。這種方法除可用于手工檢測外，還可與采用先進技術的自動系統(tǒng)聯(lián)用，自第一種脈沖回波儀器問世以來，根據(jù)相同的原理，有無數(shù)種其他儀器得到了發(fā)展，并

16、有許多改進和精化。目前，在超聲無損檢測中，脈沖回波系統(tǒng)仍是使用最為廣泛的一種。1.3.2 超聲波測距系統(tǒng)在我國的發(fā)展超聲波測距技術作為檢測技術的重要手段之一，在其發(fā)展過程中起著重要的作用。由于其信號的高頻特性，超聲測距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(jīng)驗的人員對信號進行人工分析才能得出正確的結論，對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(fā)展，使超聲波信號的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國內也相繼出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波測距設備，并已成為超聲波檢測的發(fā)展

17、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。另外，也有大量的文獻研究采用數(shù)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(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波測距系統(tǒng)的發(fā)展速度很快。國內近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。隨著測距技術研究的不斷深入，對超聲測距系統(tǒng)功能要求越來越高，單第一章 引言4數(shù)碼顯示的超聲測距系統(tǒng)會帶來較大的測試誤差。進一步要求以后生產(chǎn)的超聲測距儀能夠具有雙顯及內帶有單板機的微處理功能

18、。隨后具有檢測，記錄，存儲，數(shù)據(jù)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(xiàn)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(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)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(shù)據(jù)進行后處理及有關程序的開發(fā)。與國內同類產(chǎn)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(chuàng)新，達到了國際先進水平。第二章 系統(tǒng)構成及工作原理5第二章 系統(tǒng)構成及工作原理2.1

19、 超聲波簡介與應用聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其平衡位置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動頻率大于 20000hz 以上的，其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000hz） ，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。由于超聲波具有如下特性：超聲波可在氣體、液體、固

20、體、固熔體等介質中有效傳播；超聲波可傳遞很強的能量；超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象；超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。超聲效應已廣泛用于實際，主要有如下幾方面：1 超聲檢驗。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。超聲測量是利用超聲波直線傳播的特性，從發(fā)射器發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物是會反射回來，進而由接收器接收測量出相應的距離。超聲測距技術已在各方面獲得普遍應用。2 超聲處理。利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、

21、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應用。3 基礎研究。超聲波作用于介質后，在介質中產(chǎn)生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收（見聲波） 。通過物質對超聲的吸收規(guī)律可探索物質的特性和結構，這方面的第二章 系統(tǒng)構成及工作原理6研究構成了分子聲學這一聲學分支。普通聲波的波長遠大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當作連續(xù)介質。但對頻率在 1012 赫以上的特超聲波，波長可與固體中的原子間距相比擬，此時必須把固體當作是具有空間周期性的點陣結構。點陣振動的能量是量子化的，稱為聲子（見固

22、體物理學） 。特超聲對固體的作用可歸結為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準粒子的相互作用。對固體中特超聲的產(chǎn)生、檢測和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構成了近代聲學的新領域。2.2 系統(tǒng)的設計思路超聲波測距系統(tǒng)包括超聲波的發(fā)射與接收系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。其結構框圖如圖 2-1 所示：超聲波接收單片機控制器led 顯示掃描驅動報警裝置超聲波發(fā)射 圖 2-1 超聲波測距系統(tǒng)的結構框圖超聲波測距系統(tǒng)能夠在必要的時候（例如：汽車倒車）通過單片機控制發(fā)射電路發(fā)射超聲波，超聲波向前傳播。當超聲波遇到障礙物時會反射回來，由接收電路接收。接收電路會把信號傳送到單片機中，由單片機進行相關的數(shù)

23、據(jù)處理。所得到的結果會通過 led 數(shù)碼管顯示出來。如果距離小于一個特定的值，單片機會發(fā)出指令讓報警裝置發(fā)出相應的警報聲。在此過程中，如果發(fā)射裝置與障礙物之間有相對運動，那么 led 數(shù)碼管會不斷地顯示兩者之間最新的距離。而單片機會對距離的變化情況發(fā)出不同的指令。如果兩者的距離超出一定的范圍（本次設計是四米） ，就不再會進行報警。但是如果兩者之間的距離不斷縮小，那么報警的聲音就會發(fā)生變化，以便能夠給人們提示。第二章 系統(tǒng)構成及工作原理7本系統(tǒng)的設計主要分為系統(tǒng)硬件電路的設計和系統(tǒng)軟件程序的設計兩部分。系統(tǒng)硬件電路部分由單片機最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、語音報警模塊、時鐘模塊、復位模塊組成。單片機為

24、系統(tǒng)主控芯片，超聲波傳感器作為測量器件，通過單片機進行程序處理，最后通過顯示模塊顯示出測量的距離值并進行報警。系統(tǒng)軟件程序部分采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由主程序、系統(tǒng)初始化子程序、超聲波發(fā)射程序、超聲波結束程序、顯示程序、報警程序等模塊組成，如圖 2-2 所示 。圖 2-2 超聲波測距系統(tǒng)軟件框圖2.3 系統(tǒng)的工作原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波向前傳播，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。假設超聲波在空氣中的傳播速度為 v，根據(jù)計時器記錄的時間 t，發(fā)射點距障礙物的距離 h，如圖 2-3 所示：第二章 系統(tǒng)構成及工作原理8圖

25、2-3 超聲波測距原理圖2-3中被測距離為h，兩探頭中心距離的一半用m表示，超聲波單程所走過的距離用l表示，由圖中關系可得 : h= lcos (1)=arctan( m/h ) (2)將式( 2) 代入式( 1) 得:h =l cosarctan(m/h ) (3)在整個傳播過程中， 超聲波所走過的距離為:2l = vt (4)上式中: v 為超聲波的傳播速度；t為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。將式(4) 代入式(3) 可得: h = 0.5vt cos arctan(m/h ) (5) 當被測距離h 遠遠大于m 時, 于是式( 5) 變?yōu)?h = 0.5vt （6）這就是所謂的時

26、間差測距法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。第二章 系統(tǒng)構成及工作原理9第三章 系統(tǒng)硬件電路設計10第三章 系統(tǒng)硬件電路設計超聲波測距系統(tǒng)的設計包括硬件設計和軟件設計，兩者相互協(xié)調，構成一個具有完整功能的系統(tǒng)。對一個系統(tǒng)來說，硬件電路是整個系統(tǒng)的基礎，是整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)平臺。硬件電路的設計限定了系統(tǒng)主體的功能與性能，同時，硬件電路的選擇和連接也為軟件程序的編寫提供了依據(jù)。系統(tǒng)硬件電路部分由 at89c51 單片機最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、語音報警模塊、時鐘模塊、復位模塊組成。at89c51 為系統(tǒng)主控芯片，用超聲波傳感器作

27、為測量器件，用單片機中程序進行處理，最后通過 led 數(shù)碼管顯示出測量的距離值（總體電路圖見附錄一） 。若此距離小于一定的數(shù)值（此次設計是四米） ，則進行報警。3.1 單片機的選擇在系統(tǒng)的設計中，選擇合適的系統(tǒng)核心器件就成為能否成功完成設計任務的關鍵，而作為控制系統(tǒng)核心的單片機的選擇更是重中之重。目前各半導體公司、電氣商都向市場上推出了形形色色的單片機，并提供了良好的開發(fā)環(huán)境。一般來說，選擇單片機需要考慮以下幾個方面：單片機的基本性能參數(shù)。例如指令執(zhí)行速度、程序存儲器容量、i/o 引腳數(shù)量等。單片機的存儲介質。對于程序存儲器來說，flash 存儲器和 otp（一次性可編程）存儲器相比較，最好是

28、 flash 存儲器。芯片的封裝形式。如 dip（雙列直插）封裝，plcc（plcc 有對應插座）封裝及表面貼附等。芯片的功耗。比如設計并口加密狗時，信號線取電只能提供幾 ma 的電流，選用 at 單片機就是因為它能滿足低功耗的要求。供貨渠道是否暢通、價格是否低廉。芯片保密性能好、單片機的抗干擾性能好。at89c51 在指令系統(tǒng)、硬件結構和片內資源上與標準 8051 單片機完全兼容，第三章 系統(tǒng)硬件電路設計11dip40 封裝系列與 8051 為 pin-to-pin 兼容。at89 系列單片機高速(最高時鐘頻率 90mhz)，低功耗，不占用戶資源。根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，選擇 at89c51單

29、片機。與其他的單片機相比，at89c51 有其獨特的特點。首先 at89c51 是一個低功耗高性能單片機，有 40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口。其次內含 2 個外中斷口，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器，2 個全雙工串行通信口。同時 at89c51 可以按照常規(guī)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(fā)成本。i/o 端口的編程實際上就是根據(jù)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(jù)實際電路的要求，選擇要使用哪些 i/o 端口，用 equ 偽指令

30、定義其相應的寄存器；(2) 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應避免端口作為輸出時的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作；(3) 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(shù)據(jù)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。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計12圖 3-1 at89c51 的引腳圖圖 3-2 at89c51 單片機芯片外觀圖根據(jù)系統(tǒng)設計要求，各

31、接口功能如下：p1.0: 產(chǎn)生輸出一個 40khz 的脈沖信號。p1.1: 產(chǎn)生輸出一個 40khz 的脈沖信號。p1.2: 產(chǎn)生輸出一個 40khz 的脈沖信號。int0: 產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。int1: 產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計13p1.3: 接 ica3 輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。p1.4: 接 ica3 輸入端，用于中斷優(yōu)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

32、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，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(fā)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，當要對芯片要復位時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，at89c51 便能完成系統(tǒng)復位的各項工

33、作，使得內部特殊功能寄存器的內容均被設成已知狀態(tài)。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計143.2 超聲波測距發(fā)射電路方案選擇與設計3.2.1 發(fā)射電路方案選擇與論證方案一：利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生 40khz 的超聲波信號，并直接驅動發(fā)生器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是無需驅動電路，但缺乏靈活性。方案二：利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經(jīng)驅動器驅動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設計一個驅動電流為 100ma 以上的驅動電路。綜合上述情況，本次設計采用方案一。3.2.2 發(fā)射電路方案的設計發(fā)射電路主要由反向器 74ls04 和超聲波發(fā)生器

34、 t 構成，單片機 p2.5 端口輸出的 40khz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波發(fā)生器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器送到超聲波的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波發(fā)生器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。電路設計如圖 3-3 所示。1a11y22a32y43a53y6gnd74y84a95y105a116y126a13vcc14u4b74ls041kr21kr1t1vccintd12reset9p101p112p123p134p145p156p167into13intd12t014t115eavpp31x119x218reset9wr16rd17p0732p0633p053

35、4p0435p0336p0237p0138p178p0039p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728psen29alep30rxd10txd11u5at89c51vccvcc圖 3-3 超聲波發(fā)射器的設計第三章 系統(tǒng)硬件電路設計153.2.3 反相器 74ls04 簡介反向器 74ls04 是 6 非門，其工作電壓為 5v，他的內部含有 6 個 cmos 反相器，74ls04 的作用就是反相把 1 變成 0。下表 3-1 是其工作范圍的分布情況，圖 3-4 為引腳圖介紹。表 3-1 執(zhí)行工作的極限值符號參量最小值最大值單位vcc電源電壓4.755.25v

36、ta工作溫度范圍075cioh最大輸出電流8maiol最小輸出電流-0.4ma圖 3-4 74ls04 引腳圖3.3 超聲波測距接收電路方案的選擇與設計3.3.1 接收電路方案的選擇與論證超聲波測距系統(tǒng)接收電路包括超聲波接收探頭,信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波接受探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號(主要是頻率要求一致，否則會因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收)。由于經(jīng)接收探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦信號不能直接被處理器接收，因此最后必須進行波形變換。常用的波形變換的方法有三種 ： 方案一：采用集成鎖相環(huán) ne567 對放大后的信號進行頻率監(jiān)視和控

37、制。探第三章 系統(tǒng)硬件電路設計16頭接到回波，如果接收到的信號頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由值決定），則其輸出引腳的電平將從“1”變?yōu)椤?”（此時鎖相環(huán)已進入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機對接收探頭的接收情況進行實時監(jiān)控。這種方法的特點是電路簡單，但鎖相環(huán)接收的頻帶較窄，不易鎖相。 方案二：采用紅外線檢波接收的專用集成芯片 cx20106a，它常用于電視機紅外遙控接收器，由于紅外遙控常用的 38khz 載波與測距用的 40khz 超聲波接近，當它沒有接收到信號時輸出為高電平，當它接收相近頻率的信號時輸出為低電平。因此它可以用來作為超聲波檢測接收電路。這種方法的特點是不僅靈敏度很

38、高，抗干擾能力很強，而且還不需要放大電路，可使系統(tǒng)電路更為簡潔。 方案三：采用集成運放芯片（lm324）作為比較器對放大后的信號進行波形變換。當輸入信號的電壓大于基準電壓時，輸出為“1”；當輸入信號的電壓小于基準電壓時，輸出為“0”；這樣就起到對輸入信號進行變換的目的。這種方法的特點是電路簡單，但選擇比較電壓非常關鍵。 綜合考慮各種方案的特點，所以用方案二。3.3.2 接收電路的設計超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，關鍵是頻率要一致，本設計采用 tct4016t/r，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號

39、不能直接被單片機接收，必須進行波形變換。按照上面所討論的，單片機需要的只是第一個回波的時刻。接收電路的設計采用 cx20106a，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38khz 與測距超聲波頻率 40khz 較為接近，可以利用它作為超聲波發(fā)射電路。下面對紅外遙控接收器集成電路 cx20106a 做一個簡要的介紹。cx20106a 是日本索尼公司生產(chǎn)的彩電專用紅外遙控接收器，采用單列 8 腳直插式，超小型封裝。cx20106a 的基本性能如下：(1）電源電壓典型值 5v，最大 17v。(2）電源電流 1.12.5ma(典型值為 1.8ma)。(3）輸出低電平第三章 系

40、統(tǒng)硬件電路設計170.2v。(4）電壓增益 7779db。(5）輸入阻抗為 27k。(6）濾波器中心頻率f0 為 3060khz。其內部結構如下圖 3-5 所示，各引腳功能如下表 3-2 所示。 檢波器及 前置放大 限幅放大 寬頻帶濾波器 比較器 整形 滯后比較器 + in c1 c2 gnd fo c3 out vcc18374652ablg紅外信號輸入端增益調節(jié)端檢測端地帶通濾波器調整端積分端信號輸出端電源端圖 3-5 cx20106a 內部結構圖表 3-2 cx20106a 引腳功能引腳名稱功能1in信號輸入端2c1rc 網(wǎng)絡連接端，該端與地串接一 rc 網(wǎng)絡，以確定前置放大器的頻率特性

41、與增益。r 阻值大，c 容量小，增益低；反之則高但 c 不宜過大，否則瞬態(tài)響應速度會降低。3c2檢波電容連接端，該端與地接檢波電容，電容量大，則為平均值檢波，瞬態(tài)響應靈敏度低；電容值小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動大。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計184gnd接地端5f0帶通濾波器中心頻率設置端，通過該腳與電源正端接一電阻 r 來確定 f0，當 r=200 千歐時，中心頻率 f0=40khz；當 r=220 千歐時，中心頻率 f0=38khz。6c3積分電容連接端，該腳所接積分電容標準值為 330pf，當電容值增大時，則外部濾波干擾增強，而且輸出脈沖的低電平持續(xù)時間增加。7o

42、ut信號輸出端，該端口為集電極開路輸出，當該腳與電源正端接一22 千歐的電阻時，輸出脈沖低電平的標準值約為 0.2v8vdd電源正端，接+5vcx20106a 的內部主要包括前置放大器，限幅放大，帶通濾波，峰值檢波，積分濾波及波形整形電路等。基本原理如下：接收換能器把超聲波回波轉換為相應頻率的數(shù)字編碼脈沖調幅波，并由 1 腳進入集成放大器的正相輸入端。2腳是放大器的反相輸入端，外接 rc 負反饋網(wǎng)絡，可以決定和調節(jié)放大器的頻率特性和電壓增益，當電阻值小或者電容值大時，電壓增益高，通頻帶窄；反之，電壓增益低，通頻帶寬。在放大器輸入端設置有 ablc 電路（即自動偏壓電路或者自動電平控制電路，它可

43、使放大及限幅電路輸出電平穩(wěn)定的編碼信號），可自動調整放大器的偏置電壓，使放大器的輸出電平穩(wěn)定。然后，信號進入限幅放大器，可以濾除雜亂的寄生調幅和其他干擾，輸出包絡脈沖頂部平直的編碼脈沖調幅波。信號再進入帶通濾波器，濾除頻率范圍 30-50khz 以外的干擾信號。5 腳外接電阻。調節(jié)其阻值可調節(jié)帶通濾波器的中心頻率值。然后信號進入峰值檢波器，對編碼脈沖的調幅波進行振幅檢波，解調出數(shù)字編碼脈沖信號，3 腳外接電容是峰值檢波器的濾波電容。檢波出的信號再送到整形電路中進行波形轉換與整形，最后由 7 腳輸出數(shù)字編碼脈沖信號，送至 cpu 去識別，處理。6 腳外接積分電容，可以濾除已調波的載波頻率分量。而

44、由檢波器輸出的數(shù)據(jù)編碼信號，cpu 不能識別，故在檢波器后設置由積分電路和磁滯回線型第三章 系統(tǒng)硬件電路設計19比較器組成的整形電路，整形電路是一種波形變換電路，它可將檢波器輸出的寬度編碼脈沖整形變換為 cpu 所能識別的數(shù)字信號。而實用的波形整形電路是積分電路和施密特比較器組成的電路。接收電路如圖 3-6 所示，tx3傳傳傳t2傳傳傳傳傳傳傳傳1kr31kr45100pfc512345678cx2016a100pfc81kr5vcc1+tx4傳傳傳tx1傳傳傳tx2傳傳傳tx5傳傳傳1100pfc6100pfc7圖 3-6 超聲波接收電路圖3.4 顯示模塊方案的選擇與設計3.4.1 顯示模塊

45、方案選擇與論證方案一：采用 lcd 液晶顯器，液晶顯示器的顯示功能強大，可顯示大量文字、圖形、顯示多樣，清晰可見，但是價格昂貴，需要的接口線多，所以在此設計中不采用 led 數(shù)碼管。方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對較高，所以也不用此種作為顯示。方案三：采用 led 數(shù)碼管動態(tài)掃描，led 數(shù)碼管價格適中，對于顯示數(shù)字最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時，占用的單片機口線少。所以采用了 led 數(shù)碼管作為顯示。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計203.4.2 顯示模塊的設計顯示模塊的設計可采用 12m

46、hz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 p1.0 端口輸出超聲波所需的 40khz 方波信號，利用外中斷 0 口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的共陽 led 數(shù)碼管，位碼用 pnp 三極管驅動。本設計的顯示電路原理圖如下圖 3-7所示。圖 3-7 顯示電路的設計3.4.3 led 數(shù)碼管簡介led 數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成 8 字形構成的，加上小數(shù)點就是 8個。這些段分別由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那么應當是 a 亮

47、 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮。led 數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有 0.5 寸、1 寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為 1.8v 左右，電流不超第三章 系統(tǒng)硬件電路設計21過 30ma。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數(shù)碼管。常用 led 數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。led 結構圖如圖 3-8 所示。3-8 led 結構圖3.5 報警

48、模塊的設計隨著科技的發(fā)展和產(chǎn)品的集成化，語音芯片已經(jīng)逐漸替代了多種語音設備應用各場合。語音芯片主要特性是功耗低，抗干擾能力強，外圍器件少，控制簡單，語音保存時間久（某些語音芯片可以保存內容100 年） ，掉電不丟失語音，部分芯片還可以重復擦寫語音內容。如汽車倒車雷達，公交車報站器，銀行排隊機、語音玩具、防盜系統(tǒng)等設備都裝備了語音芯片。語音芯片從使用功能上，基本可以劃分為錄音語音芯片和放音語音芯片。通常帶有錄音功能的語音芯片都具有回放語音的功能，所以我們選用isd1110 芯片，如圖 3-9 所示。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設計22 圖 3-9 isd1110 結構圖圖 3-10 isd1110 引

49、腳圖它是有 28 條引腳的雙列直插式芯片。各條引腳的功能含義說明如下. a0-a7:引腳 1-6,9,10，地址輸入端或控制命令輸入端。a7,a6 同時為高電平時,a4-a0 為控制命令；否則,a7-a0 為地址。 dgnd：引腳 12，數(shù)字信號地線。 agnd：引腳 13，模擬信號地線。sp-，sp+：揚聲器連接端，輸出音頻信號。 v+：模擬信號電源，+5v。 mic：引腳 17，話筒輸入端。mic ref：引腳 18，話筒參考輸入端。agc：引腳 19，自動增益控制端。 ana in：引腳 20，模擬信號輸入端。ana out：引腳 21，模擬信號輸出端。 playl：引腳 23，放音控制

50、電平觸發(fā)端。當該端為低電平時，芯片進入放音周期；當該端為高電平時，停止放音。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計23 playe：引腳 24，放音控制脈沖觸發(fā)端。該輸入端由高變低時放音。recled：引腳 25，錄音顯示端。 xclk：引腳 26，時鐘端。 rec：錄音端，引腳 27。低電平為錄音狀態(tài)。vdd：引腳 28，v+聲音報警是測距系統(tǒng)探測到的距離小于所設定的安全值（此次設計是4米）時，發(fā)出聲音提醒用戶，可直接驅動蜂鳴器發(fā)聲或經(jīng)外接功放推動揚聲器放音。電路圖如圖3-11所示。470r8d1vcc51kr9ls2bellq1pnpvccintd12reset9p101p112p123p134p145

51、p156p167into13intd12t014t115eavpp31x119x218reset9wr16rd17p0732p0633p0534p0435p0336p0237p0138p178p0039p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728psen29alep30rxd10txd11at89c51圖 3-11 報警模塊3.6 時鐘電路的設計時鐘電路引腳是 x1 和 x2，如圖 3-11 所示。為了產(chǎn)生時鐘信號，在at89c51 內部設置了一個反相放大器，xtal1 是片內振蕩器反相放大器的輸入端，xtal2 是片內振蕩器反相放大器的輸出端，也是內部時鐘

52、發(fā)生器的輸入端。當使用自激振蕩方式時，xtal1 和 xtal2 外接石英晶振，使內部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩，就產(chǎn)生時鐘信號，本系統(tǒng)使用的石英晶振頻率為 12mhz。產(chǎn)生時鐘信號電路如圖 3-11。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計24 圖 3-11 時鐘電路3.7 復位電路的設計復位功能的引腳是 rst9 腳，在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24 個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51 芯片便循環(huán)復位。復位后 p3 口均置 1 引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，復位電路停止工作。如圖 3-12。圖3-12 復位電路in

53、td12reset9p101p112p123p134p145p156p167into13intd12t014t115eavpp31x119x218reset9wr16rd17p0732p0633p0534p0435p0336p0237p0138p178p0039p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728psen29alep30rxd10txd11at89c5130pfc230pfc112y1xtalvcc第四章 軟件系統(tǒng)的設計25第四章 軟件系統(tǒng)的設計超聲波測距系統(tǒng)的設計包括硬件設計和軟件設計。硬件電路的設計包含著軟件的設計思路，軟件的設計又能更好的發(fā)揮硬

54、件的功能。軟件對整個系統(tǒng)來說是至關重要的，如果說硬件是一個系統(tǒng)的軀體，那么軟件就是這個系統(tǒng)的靈魂，整個系統(tǒng)的執(zhí)行操作都是在軟件的協(xié)調指揮下進行的。當系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來實現(xiàn)，軟件的設計在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。4.1 軟件設計分析系統(tǒng)軟件的設計，它所需要完成的主要是針對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應用。根據(jù)以上所述系統(tǒng)硬件設計和各個電路功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能：1、信號控制。在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、回波檢測接收電路的設計。在系統(tǒng)軟件中，要完成發(fā)射脈沖信號及輸出顯示。2、數(shù)據(jù)存儲。為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數(shù)器的計數(shù)值，

55、然后存儲在ram中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。3、信號處理。ram中存儲的計數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，超聲波從發(fā)射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時間，需要通過軟件定時器來記錄。根據(jù)這個時間才能計算出障礙物的距離。4、數(shù)據(jù)傳輸與顯示。經(jīng)軟件處理得到的距離要以十進制的方式送led顯示。4.2 系統(tǒng)軟件設計超聲波測距軟件設計主要由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序，顯示子程序以及報警程序組成。c 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精確據(jù)算程序運行的時間，而超聲波測距器的程序既有較復雜的計算(計算距離時)，又要求精確計算

56、程序運行時間第四章 軟件系統(tǒng)的設計26(超聲波測距時)，所以控制程序可采用 c 語言和匯編語言混合編寫。4.2.1 主程序主程序采用 c 語言編寫。主程序流程圖如圖 4-1 所示。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 t0 工作模式為 16 位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位 ea 并給顯示端口 p0 和 p2 清 0。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。由于采用 12mhz 的晶振，機器周期為 1us,當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 t0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離,設計時取 20c 時的聲速為 344m/s 則有：d

57、=(c*t0)/2=172t0/10000cm（t0 為計數(shù)器 t0 的計數(shù)值）。測出距離后結果將以十進制 bcd 碼方式送往 led 顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。當數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)超出設定值時，產(chǎn)生報警（總程序見附錄二）。系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波脈沖led 顯示結果計算距離開始圖 4-1 主程序框圖第四章 軟件系統(tǒng)的設計274.2.2 超聲波產(chǎn)生子程序yn設置計數(shù)器 t0 初值開啟計數(shù)器產(chǎn)生 40khz 方波信號是否發(fā)射完？返回開始圖 4-2 40k 赫茲超聲波產(chǎn)生程序框圖測距系統(tǒng)中所需要的工作電壓是 40khz 的脈沖信號，這是由單片機執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。main1

58、1_1:ajmpmain5;返回調節(jié)main12:setbtr0 ;重新開啟測距定時器mov r2,#64h;測量間隔控制（約 4*100=400ms）loop: lcalldisplay;顯示當前測得的數(shù)值 djnz r2,loop;顯示一定時間 ajmp main2;顯示完后返回測距主程序dst1:cpl vout ;定時中斷 1 中斷程序,發(fā)出聲波djnz r4, retiout clr tr1 ;超聲波發(fā)送完畢,關 t1 clr et1 ;關定時 1 中斷第四章 軟件系統(tǒng)的設計28 mov th1, #0f6h;0.1s 的定時值前方測距電路的輸入端接單片機 p3.2 端口，單片機執(zhí)行

59、上面的程序后，在 p3.2 端口輸出一個 40khz 的脈沖信號，經(jīng)過三極管 t 放大，發(fā)出 40khz的脈沖超聲波。4.2.3 數(shù)據(jù)讀取和儲存為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出 t0 計數(shù)器的計數(shù)值，然后存儲在 ram 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。receive0：push psw push acc clr ex0 ；關外部中斷 0 mov r7, th0 ；讀取時間值 mov r6, tl0? clr c mov a, r6 subb a, #0bbh ；計算時間差 mov 31h, a ；存儲結果 mov a, r7 subb a, #3ch m

60、ov 30h, a setb ex0 ；開外部中斷 0 pop acc pop psw reti第四章 軟件系統(tǒng)的設計294.2.4 延時子程序在傳感器以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(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。根據(jù)阻塞區(qū)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(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離成為盲區(qū)。延時子程序的作用就是在超聲波發(fā)射的同時延遲一些時間，再打開中