基于單片機(jī)超聲波測(cè)距器設(shè)計(jì)（參考論文

1、論文題目 基于單片機(jī)超聲波測(cè)距器設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 2011年5月摘 要本文介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng),闡述了超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成、工作原理及軟件設(shè)計(jì)方法。超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào),當(dāng)超聲波遇到被測(cè)液體后反射回來,就被超聲波接收器所接收。這樣只要計(jì)算出從發(fā)射信號(hào)到接收返回信號(hào)所用的時(shí)間,就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體之間的距離。硬件部分采用STC89C52 單片機(jī)作為主控單片機(jī) ,電路部分主要有發(fā)射電路、接收電路、顯示電路幾部分組成。超聲波發(fā)射電路和接收電路主要超聲波模塊HC-SR04組成,顯示電路用動(dòng)態(tài)掃

2、描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示。設(shè)計(jì)出的超聲波測(cè)量系統(tǒng)精度可達(dá)厘米數(shù)量級(jí)，電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、精度高、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。關(guān) 鍵 詞：超聲波測(cè)距；STC89C52單片機(jī)；數(shù)字顯示ABSTRACTThe paper describes an ultrasonic measuring system based on the STC89C52 , it described an ultrasonic measuring liquid-level system hardware circuit structure, working principle and software design methods

3、. Ultrasonic generator at a time sent an ultrasonic signal, when the ultrasonic wave reflected back upon the detected objects encountered, they were received ultrasonic receiver. So as long as calculated from the emission signal to the receiver to return the signal used in the time, you can calculat

4、e the ultrasonic generator and the distance between the reflective object. Hardware using STC89C52 microcontroller as a master MCU, the circuit part of the main transmitter, receiver circuit, display circuit of several parts. Ultrasonic transmitter device mainly integrated circuits, display circuits

5、 using the LED digital display at the real time. The system hardware structure is simple, reliable, good accuracy and sensitivity.The systems accuracy could reach centimeter orders of magnitude.Circuits were simply structure,easy to use,high accuracy and wide application.KEY WORDS: Ultrasonic; measu

6、ring;STC89C52 MCU;Digital display目 錄1 緒論11.1 課題設(shè)計(jì)的目的和意義11.2 課題設(shè)計(jì)的研究范圍和成果11.3 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求22 總體設(shè)計(jì)方案33 硬件電路各部分設(shè)計(jì)53.1 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路53.1.1 主控芯片STC89C5253.1.2 數(shù)碼管顯示原理83.2 超聲波發(fā)射電路93.3 超聲波檢測(cè)接收電路103.4 超聲波的硬件電路設(shè)計(jì)124 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.1 超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)134.2 主程序設(shè)計(jì)134.3 超聲波發(fā)生子程序和接收中斷程序145 調(diào)試及性能分析175.1 調(diào)試175.2 性能分析176 結(jié)論與展望197 致

7、謝218 參考文獻(xiàn)23附錄25附錄1超聲測(cè)距器單片機(jī)程序25附錄2超聲波硬件原理圖31附錄3硬件實(shí)物圖331 緒論隨著科技的迅猛發(fā)展,越來越多科技成果被廣泛的運(yùn)用到人們的日常生活當(dāng)中,給我們的生活帶來了諸多便利。目前測(cè)量距離一般都采用波在介質(zhì)中的傳播速度和時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。主要有激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距和超聲波測(cè)距三種常用的技術(shù)。由于超聲波具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的這種測(cè)距裝置,利用了超聲波傳感器和單片機(jī)。采用超聲波傳感器用于發(fā)射和接收電路,利用聲波在空氣中的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反

8、射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物到超聲波測(cè)距器之間的距離。超聲波測(cè)距技術(shù)，是一種有源非接觸性測(cè)距技術(shù)，利用超聲波在空氣中的定向傳播特性和固體反射特性，通過接收自身反射的超聲波反射信號(hào)。根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離。由于超聲波傳感器具有成本低廉、采集速度快、距離分辨率高、質(zhì)量輕、體積小和易于裝卸的優(yōu)點(diǎn)，并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時(shí)不存在復(fù)雜的圖象匹配技術(shù)，不需要通過大量的計(jì)算就可獲得數(shù)據(jù)，因而其測(cè)距速度快，實(shí)用性好。同時(shí)超聲波傳感器不易受到天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙等因素影響。因此超聲波測(cè)距技術(shù)不僅可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控

9、，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合，在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)量主要集中在對(duì)0l0m固體和液體的測(cè)量，一般測(cè)量精度高，回波穩(wěn)定由于高精度的超聲波測(cè)距儀所采用的專用集成電路成本較高，本設(shè)計(jì)嘗試用價(jià)格更低廉的STC89S52為核心設(shè)計(jì)一款低成本、高精度、具有動(dòng)態(tài)顯示的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，同時(shí)給出了硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)際使用表明該儀器工作穩(wěn)定，性能良好。1.1 課題設(shè)計(jì)的目的和意義學(xué)習(xí)使用單片機(jī)的控制功能和用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離，理解超聲波傳感器的超聲波發(fā)生機(jī)制及發(fā)射、接收和以單片機(jī)STC89C52為中心控制單元，實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射及其遇到障礙物發(fā)生反射形成回波信

10、號(hào)，并根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及超聲波從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，以完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，熟悉51單片機(jī)軟件編程及調(diào)試環(huán)境KeilC51軟件。1.2 課題設(shè)計(jì)的研究范圍和成果本課題研究的超聲波傳感器測(cè)距技術(shù)是一種非接觸式的測(cè)量物體間距離的方法， 利用超聲波在空氣等媒質(zhì)中傳播, 通過遇到障礙物反射回來的時(shí)間間隔長(zhǎng)短及被反射超聲波的強(qiáng)弱判斷障礙物性質(zhì)和位置的方法。本課題設(shè)計(jì)的一種基于STC89C52 單片機(jī)的低成本、高精度、小型化數(shù)字顯示超聲波傳感器測(cè)距模塊，其硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)思路清晰，方案簡(jiǎn)單可行。1.3 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求(1)了解超聲波測(cè)距原理；根據(jù)其測(cè)距原理，

11、設(shè)計(jì)出硬件結(jié)構(gòu)電路。(2)對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。(3)要求測(cè)量范圍在0.07-5.50m，測(cè)量精度1cm；并以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。2 總體設(shè)計(jì)方案超聲波是指頻率高于20KHz 的機(jī)械波，一般由壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生，它沿直線傳播、強(qiáng)度大、方向性好，所以超聲波常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單。超聲波發(fā)生器可以分為兩類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們產(chǎn)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。目前在近距離測(cè)量方面較為常用的是壓電式超聲波傳感

12、器。本課題屬于近距離測(cè)量,所以采用常用的壓電式超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)。本課題采用的超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時(shí)候,將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間檢測(cè)法。渡越時(shí)間與空氣中的聲速相乘就是聲波傳輸?shù)木嚯x，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和綜合各方面的因素，本設(shè)計(jì)采用SC89C52單片機(jī)作為控制核心，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示超聲波發(fā)送電路LED顯示掃描驅(qū)動(dòng)單片機(jī)控制器超聲波接收電路圖2.1 超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖3 硬件

13、電路各部分設(shè)計(jì)硬件電路主要分為單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。3.1 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路本課題的主控芯片采用的是STC89C52。系統(tǒng)采用12MHz的高精度晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，并減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.7口輸出超聲波傳感器所需要的40kHz方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示信號(hào)采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位一體共陰極LED數(shù)碼管，并用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)位碼，設(shè)有報(bào)警距離，并有蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如圖3.1所示圖3.1 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路3.1.1 主控芯片STC89C52STC89C52單片機(jī)式一種低功耗，

14、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。其引腳結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上的Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得其為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。主要性能:與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz33Hz三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器32個(gè)可編程I/O口線三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器八個(gè)中斷源全雙工UART串行通道低功耗空閑和掉電模標(biāo)準(zhǔn)功能STC89S52具有以

15、下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89S52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。圖3.2 STC89C52單片機(jī)引腳圖各主要管腳介紹如下：VCC：電源GND：地P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。

16、對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（P

17、1.1/T2EX）。P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部

18、上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為STC89S52特殊功能（第二功能）使用，在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。如下表4-1所示。表 3-1 P3口的引腳號(hào)及其第二功能引腳號(hào)第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0(外部中斷 0)P3.3INT0(外部中斷 0)P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選

19、通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) RST:復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上。ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，A

20、LE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個(gè)ALE使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（PSEN）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)STC89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN將不被激活。EA/VPP:訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏電壓。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)

21、生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.2 數(shù)碼管顯示原理數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（小數(shù)點(diǎn)）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位或多位數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。本課題中使用的就是四位一體共陽極數(shù)碼管，其引腳圖如下圖3.3所示。圖3.3 四位共陽極LED數(shù)碼管引腳圖共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，它在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到0V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。

22、數(shù)碼管邏輯功能圖如圖3.4所示。 圖3.4 數(shù)碼管邏輯功能圖3.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3.5所示。單片機(jī)P1.7端口輸出的40kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的一個(gè)電極，另一極經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的另一個(gè)電極，用這種推挽的形式將方波信號(hào)加到超聲波傳感器的兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力；另一方面可以增加超聲波傳感器的阻尼效果，以縮短起自由振蕩的時(shí)間。圖3.5 超聲波發(fā)射電路原理圖 超聲波發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波傳感器構(gòu)

23、成，74LS04是一個(gè)高速CMOS六反相器，具有放大作用。其引腳圖如圖3.6；其邏輯圖如3.7所示 圖3.6 反向器74LS04引腳圖 圖3.7 反向器74LS04邏輯圖引腳端符號(hào)1A-6A 輸入端1Y-6Y 輸出端壓電式超聲波傳感器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.8所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收傳感器。超聲波

24、發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接收轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同，器件上有不同的標(biāo)志。超聲波探頭主要技術(shù)參數(shù)中心頻率:401KHz超聲波探頭反射靈敏度:1.0mVp-p.Min.余振時(shí)間1.5msec.Max.指向性:水平探測(cè)角度(6dB)12010,垂直探測(cè)角度(6dB)6010。絕緣阻抗:100M.(100V DC)最大輸入電壓:140Vp-p Max.(正弦波,40KHZ,施加超聲波時(shí)間0.5msec,間隔時(shí)間100msec.).工作溫度:-3085儲(chǔ)存溫度:-4085 圖3.8 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3 超聲波檢測(cè)接收電路集成電路CX20106A是一款紅外接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。由于紅外遙

25、控的載波頻率38khz與測(cè)距的超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它制作超聲波的接收電路，如圖3.9所示。CX20106A接收超聲波具有很高的靈敏度和抗干擾能力，其內(nèi)部電路由前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。圖3.9 超聲波檢測(cè)接收電路圖CX20106A接收超聲波具有很高的靈敏度和抗干擾能力，其引腳圖如下圖3.10所示，適當(dāng)?shù)馗淖冸娙軨4

26、的大小，可以改變超聲波檢測(cè)接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖3.10 CX20106A引腳圖CX20106A的引腳功能：1腳：超聲信號(hào)輸入端。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0 ，阻值越大，中心頻率越低。6腳：

27、 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，4.55V。3.4 超聲波的硬件電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用STC89C52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。超聲

28、波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，超聲波檢測(cè)接收電路主要是由集成電路CX20106A組成,顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的LED數(shù)碼管顯示。超聲波硬件電路圖如附錄1所示。3.5 按鍵設(shè)置報(bào)警距離總共三個(gè)按鍵，一個(gè)設(shè)置鍵，一個(gè)加鍵，一個(gè)減鍵。當(dāng)按下設(shè)置鍵的時(shí)候，我們可以設(shè)置超聲波的報(bào)警距離，默認(rèn)是50cm，設(shè)置完成后，按鍵設(shè)置鍵退出，三個(gè)按鍵如下圖所示：36報(bào)警電路設(shè)計(jì) 當(dāng)超聲波測(cè)到距離小于設(shè)定距離的時(shí)候，超聲波會(huì)發(fā)出報(bào)警，此報(bào)警有蜂鳴器，pnp三極管和電阻組成，如下圖所示: 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成

29、。由于C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜是算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），有要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。 4.1 超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)圖4.1表述了超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某以時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就會(huì)被超聲波接收器R接收到。這樣，只有計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收返信號(hào)所用的時(shí)間，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。該距離計(jì)算公式如下: （4-1）圖4.1 超聲波測(cè)距原理圖其中：為被測(cè)物與測(cè)距器的距離；

30、為聲波的來回路程；為聲速；為聲波來回所用的時(shí)間。超聲波也是一種聲波,其聲速與溫度有關(guān)。表4.1列出了幾種溫度下的超聲波聲速。在使用時(shí)，如果聲速變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。表4.1 不同溫度下超聲波聲速表溫度/-30-20-100102030100聲速/m/s3133193253233383443493864.2 主程序設(shè)計(jì)主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許EA并對(duì)顯示端口P0和P2清零；然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)0.1ms，后才打開外中斷點(diǎn)接收返回的

31、超聲波信號(hào)。由于采用的12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1us，所以當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（4-1）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離。設(shè)計(jì)時(shí)取20時(shí)的聲速為344m/s，則有 (4-2)其中：T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。測(cè)出距離后，結(jié)果將以十進(jìn)BCD碼方式發(fā)送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)送超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。圖4.1所示為主程序流程圖。圖4.1 主程序流程圖4.3 超聲波發(fā)生子程序和接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序流程圖和超聲波接收子程序流程圖分別如下圖4.2和圖4.3所示 圖4.2 超聲波發(fā)射子程序流程圖 圖4.3超聲波接

32、收子程序流程圖如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2，以表示本次測(cè)距不成功。超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送兩個(gè)左右的超聲波脈沖信號(hào)（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序比較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦收到返回超聲波信號(hào)（即INT0腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入超聲波接收中斷程序。進(jìn)入中斷后，就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0，停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。5 調(diào)試及性能分析5.1 調(diào)試超聲波發(fā)射和接

33、收采用15#的超聲波換能TCT40-10F1（發(fā)送）TCT40-10S1（接收），中心頻率40kHz,安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸平行并相距4-8cm。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整與接收換能器連接的濾波電容C20的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。5.2 性能分析根據(jù)系統(tǒng)電路參數(shù)和程序，測(cè)距器可測(cè)量的范圍為0.075.50m。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)測(cè)量范圍為0.07-3.00m的平面物體做了多次測(cè)試，測(cè)距器的最大誤差不超過1cm，重復(fù)性很好。6 結(jié)論與展望超聲波測(cè)距已廣泛的應(yīng)用8于工業(yè)定位檢測(cè)、移動(dòng)機(jī)器人、汽車防碰撞和海洋捕撈作業(yè)等領(lǐng)域

34、。隨著信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距的應(yīng)用范圍越來越廣，測(cè)量精度和響應(yīng)速度也越來越高。這種測(cè)距方法不僅可以避免人為因素帶來的影響，而且系統(tǒng)測(cè)量精度高，適用性強(qiáng)。由于測(cè)量的過程全都式是電子化，可實(shí)時(shí)存貯測(cè)量結(jié)果，并生成自動(dòng)報(bào)表方便技術(shù)人員進(jìn)行質(zhì)量分析與管理，且容易實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，通過聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，技術(shù)管理人員不用到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)就能及時(shí)掌握生產(chǎn)狀況，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)管理?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，這類非接觸的測(cè)量方法有著廣泛的應(yīng)用前景。利用超聲波測(cè)距技術(shù)的倒車?yán)走_(dá),也稱“泊車輔助裝置”,是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的

35、困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保障汽車倒車安全的輔助系統(tǒng)，通過超聲波探頭發(fā)出超聲波，使用單片機(jī)計(jì)算距離,提高了距離計(jì)算的精度。系統(tǒng)安裝的LED顯示器可以直觀的顯示距離，給駕駛員提供了方便。倒車時(shí)當(dāng)汽車與障礙物的距離小于我們所設(shè)定的安全距離時(shí)，系統(tǒng)便通過語音集成電路發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。7 致謝在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，XX老師對(duì)該論文從選題、資料收集到最后定稿的各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì)心指導(dǎo)，X老師對(duì)我的構(gòu)思以及論文的內(nèi)容不厭其煩的進(jìn)行多次指導(dǎo)和悉心指點(diǎn)，使我在完成論文的同時(shí)也深受啟發(fā)和教育，使我對(duì)超聲波傳感器及單片機(jī)等

36、知識(shí)有了深刻的認(rèn)識(shí)，并得以完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此表示衷心感謝。從X老師那里我學(xué)會(huì)了如何去發(fā)現(xiàn)、分析并解決問題的方法，X老師治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)、學(xué)識(shí)淵博，他誨人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模。感謝大學(xué)四年來，班主任XXX老師陪我們一起走過，感謝X老師對(duì)我們的關(guān)心和幫助，在我們迷茫時(shí)給予我們的鼓勵(lì)和支持；感謝X書記，X院長(zhǎng)等學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)給我們的幫助，使我們確定了以后的方向考研或者工作，幫助我們端正了心態(tài)，以正確的態(tài)度去對(duì)待以后的人生；感謝寢室室友的幫助和鼓勵(lì)，因?yàn)橛辛怂麄?，我的大學(xué)生活增添很多樂趣。在四年的大學(xué)生涯里，還得到眾多老師的關(guān)心支持和幫助，他們不但交給我專業(yè)知識(shí)，更讓我懂得了做人的道理。在此，謹(jǐn)向老

37、師們致以衷心的感謝和崇高的敬意! 感謝X級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)本科班的全體同學(xué)，是你們陪我度過了這寶貴的四年!特別要感謝的是我的家人，一直給予我各方面的關(guān)懷和支持！最后，我要向在百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱、評(píng)議和參加本人論文答辯的各位老師表示感謝！8 參考文獻(xiàn)1 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試M. 第二版. 武漢：華中科技大學(xué)出版社,2004.2 譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)M.第四版.北京：清華大學(xué)出版社，2010 年6 月3 邱關(guān)源.電路.第四版M.北京：高等教育出版社，19994 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分M.第五版,北京:高等教育出版社，2006.15 孫余凱等編著.傳感器應(yīng)用電路300例M.

38、北京：電子工業(yè)出版社，2008.36 張毅剛主編. 單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京: 高等教育出版社，2003.7 樓然苗，李光飛. 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，2007.78 郭天祥. 新概念51單片機(jī)C語言教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2009.19 陳大欽主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)M.第二版,北京：高等教育出版社,200010寧鐸等編著.電子工藝實(shí)訓(xùn)教程M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.211 彭介華主編.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.北京：高等教育出版社，199712陳志旺等編著.51系列單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.113楊欣，王玉鳳

39、，劉湘黔編著.51單片機(jī)應(yīng)用從零開始M.北京：清華大學(xué)出版社，2008.114 Shirley P A.An introduction to ultrasonic sensingJ.EDN,1989，12(11):15-18.15朱士虎，何培忠，王立巍.基于AT89S52超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)D.徐州師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院16 趙亮，王余.基于AT89S51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀器設(shè)計(jì)D.西南科技大學(xué)城市學(xué)院機(jī)電科學(xué)系附錄附錄1超聲測(cè)距器單片機(jī)程序/晶振=12M/MCU=STC89C52/P0.0-P0.7共陰數(shù)碼管引腳/Trig = P17/Echo = P32#include /包括一個(gè)52標(biāo)

40、準(zhǔn)內(nèi)核的頭文件#define uchar unsigned char /定義一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned long/*sbit Trig = P17; /產(chǎn)生脈沖引腳sbit Echo = P32; /回波引腳sbit test = P11; /測(cè)試用引腳sbit butter=P35;sbit jia=P10;sbit jian=P12;sbit caidan=P16;double dd;unsigned flag1=0; /是否進(jìn)入設(shè)置距離標(biāo)志 等于1進(jìn)入設(shè)置 等于0進(jìn)入測(cè)距unsigned char num=0

41、;/防干擾計(jì)數(shù)unsigned int dis=50;/設(shè)定報(bào)警距離uchar code SEG710=0x5f,0x44,0x9d,0xd5,0xc6,0xd3,0xdb,0x45,0xdf,0xd7;/數(shù)碼管0-9uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i; /自定義寄存器bit succeed_flag; /測(cè)量成功標(biāo)志/*函數(shù)聲明void conversion(uint temp_data);void delay_20us();void delayms(int x) /延時(shí)函數(shù)char i;while(x-) for(i=500;i0;

42、i-); void main(void) / 主程序 uint distance_data,a,b; uchar CONT_1; i=0; flag=0;test =0;Trig=0; /首先拉低脈沖輸入引腳TMOD=0x11; /定時(shí)器0，定時(shí)器1，16位工作方式TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器0 IT0=0; /由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷ET0=1; /打開定時(shí)器0中斷 /ET1=1; /打開定時(shí)器1中斷EX0=0; /關(guān)閉外部中斷EA=1; /打開總中斷0 while(1) /程序循環(huán)/設(shè)置距離 if(caidan=0) /開始按鍵按下 delayms(5); /此處表示出去抖動(dòng)， if(

43、caidan=0) /再次判斷是否按下停止按鍵 while(!caidan); /表示確實(shí)按下按鍵，松開按鍵后 先下執(zhí)行 flag1=1;/進(jìn)入計(jì)時(shí)模式 delayms(20); EA=0; while(flag1) P2=0XFF; P0=0X00; P0=SEG7dis%10; P2=0xdf; delayms(3); P0=0X00; P2=0XFF; P0=SEG7dis%100/10; P2=0xf7; delayms(3); P0=0X00; P2=0XFF; P0=SEG7dis/100; P2=0xfd; delayms(3); if(jia=0) /暫停鍵被按下 delaym

44、s(3); /此處表示出去抖動(dòng)， if(jia=0) /再次判斷是否按下停止按鍵 while(!jia); /表示確實(shí)按下按鍵，松開按鍵后 先下執(zhí)行 if(dis3) dis-; if(caidan=0) /開始按鍵按下 delayms(5); /此處表示出去抖動(dòng)， if(caidan=0) /再次判斷是否按下停止按鍵 while(!caidan); /表示確實(shí)按下按鍵，松開按鍵后 先下執(zhí)行 flag1=0;/進(jìn)入計(jì)時(shí)模式 delayms(20); EA=1; / EA=0; Trig=1; delay_20us(); Trig=0; /產(chǎn)生一個(gè)20us的脈沖，在Trig引腳 while(Ech