畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）超聲波倒車報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文) 作作 者者: 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 系系：電子工程與光電技術(shù)系 專專 業(yè)業(yè): 電子信息工程 題題 目目:超聲波倒車報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者：指導(dǎo)者： 高級(jí)硬件研發(fā)工程師 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 評(píng)閱者：評(píng)閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2013 年 5 月 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ) 學(xué)生姓名： 班級(jí)、學(xué)號(hào)： 題 目： 超聲波倒車報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 綜合成績(jī)： 指導(dǎo)者評(píng)語(yǔ)： 超聲波倒車報(bào)警系統(tǒng)是滿足在倒車時(shí)測(cè)定障礙物與車輛的安全距 離,防止倒車時(shí)對(duì)距離判斷不清導(dǎo)致的車輛受損。該生能夠充分利用 超聲這一方式設(shè)計(jì)倒車報(bào)警系

2、統(tǒng)，思路比較清晰， 設(shè)計(jì)比較嚴(yán)謹(jǐn)。 同時(shí)論文對(duì)相應(yīng)的理論和相應(yīng)的設(shè)計(jì)邏輯清晰合理。對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)電 路與軟件能夠進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，并能夠做出相應(yīng)的實(shí)物。 該生能夠充分理解電子工程的相關(guān)基礎(chǔ)理論，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中 學(xué)習(xí)和補(bǔ)充其它的高級(jí)電子設(shè)計(jì)知識(shí)，完滿完成了該設(shè)計(jì)。建議該生 進(jìn)行并通過(guò)畢業(yè)論文答辯。 指導(dǎo)者(簽字)： 2013 年 5 月 14 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ) 評(píng)閱者評(píng)語(yǔ)： 評(píng)閱者(簽字)： 年 月 日 答辯委員會(huì)（小組）評(píng)語(yǔ)： 答辯委員會(huì)（小組）負(fù)責(zé)人(簽字)： 年 月 日 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）中中文文摘摘要要 超聲波技術(shù)是一門通用技術(shù)，它包括超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收

3、等物理過(guò)程。 目前超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于超聲波探測(cè)、超聲焊接、超聲檢測(cè)和超聲醫(yī)療方面。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用 stc89c52rc 單片機(jī)為主控芯片，利用單片機(jī)程序產(chǎn)生頻率為 40khz 方波信號(hào)，通過(guò)推挽放大驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器向外發(fā)射超聲波信號(hào)，同時(shí)開(kāi) 始計(jì)時(shí)，超聲波信號(hào)經(jīng)障礙物反射后被超聲波接收器接收，利用接收芯片接收并 將信號(hào)傳至單片機(jī)，停止計(jì)時(shí)，單片機(jī)計(jì)算超聲波發(fā)射與接收之間的時(shí)間差，即 可計(jì)算障礙物的距離。并通過(guò)利用四位數(shù)碼管將探測(cè)結(jié)果直觀顯示出來(lái)?；趩?片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)、成本低、精確度高，并且容易做到實(shí)時(shí)控制，具 備較強(qiáng)的實(shí)用性。 關(guān)鍵詞 單片機(jī) 超聲波 測(cè)距 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)

4、說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）外外文文摘摘要要 title the design of a silent wave measure distance abstract ultrasonic technology is a general technology have to be used, it comprises an ultrasonic generation, propagation and receiving physical process .currently, the ultrasonic technology is widely used in ultrasonic detectio

5、n, ultrasonic welding, ultrasonic testing and ultrasonic medical. this system is designed by using stc89c52rc as the main control chip. using the single chip microcomputer program to generate 40 khz square wave signals. through the push-pull amplifier drive ultrasonic emitter to the launch ultrasoni

6、c signal, at the same time start the timer. the ultrasonic signal reflected by an obstacle, receiving by ultrasonic receiver. the receiver receives and transmit signals to the microcontroller, stop the clock. single chip microcomputer calculate the time differences between the transmitter and receiv

7、er, can calculate the distance to the obstacle. and through four digital tube display detection results. microcontroller-based ultrasonic system is easy to implement, low cost, high accuracy and easy to do real-time control, with strong practicality. keywords microcontroller ultrasound ranging 目目 錄錄

8、 1 引言 .1 1.1 選題背景及研究意義 .1 1.2 超聲波的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 .1 1.3 超聲波的國(guó)外研究現(xiàn)狀 .2 1.4 超聲波測(cè)距的實(shí)現(xiàn)主要技術(shù) .3 1.5 研究步驟與方法 .5 2 超聲波測(cè)距原理 .6 2.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)分析 .6 2.2 壓電式超聲波發(fā)生器的基本原理 .6 2.3 超聲波測(cè)距誤差分析 .7 2.4 系統(tǒng)整體方案的論證 .8 2.5 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) .8 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .8 3.1 系統(tǒng)工作原理分析 .8 3.2 單片機(jī)簡(jiǎn)介 .10 3.3 時(shí)鐘電路 .12 3.4 復(fù)位電路 .13 3.5 電源電路 .13 3.6 單片機(jī)程序 isp 下載接口

9、 .14 3.7 超聲波發(fā)射電路 .14 3.8 超聲波接收電路 .15 3.9 hc-sr04 超聲波傳感器.16 3.10 顯示電路 .17 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .18 4.1 軟件設(shè)計(jì)的整體方案分析 .18 4.2 主程序 .19 4.3 中斷服務(wù)程序 .20 4.4 距離計(jì)算子程序 .21 4.5 顯示子程序 .22 5 調(diào)試與結(jié)果分析 .24 5.1 軟件調(diào)試 .24 5.2 遇到的問(wèn)題與解決方法 .24 5.3 測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析 .24 6 制作的實(shí)物 .25 結(jié) 論 .27 致 謝 .28 參 考 文 獻(xiàn) .29 附錄 a：程序.30 1 1 引言引言 隨著科學(xué)技術(shù)廣泛地使用及科

10、技成果的迅速發(fā)展，給人民的日常生活增添許多 方便。本著這個(gè)宗旨，超聲波測(cè)距儀就是利用超聲波功能為我們測(cè)距服務(wù)。只有在 20hz - 20khz 頻率范圍的聲音人耳才能聽(tīng)見(jiàn)，人類聽(tīng)不見(jiàn)的聲音可分為高于頻率 20khz 的超聲波和低于頻率 20hz 的次聲波。超聲波頻率在幾千赫茲到幾十兆赫茲不 等。超聲波這些性能特點(diǎn)往往用于距離測(cè)量。由于超聲波具有波長(zhǎng)短，方向性好以 及能穿透物體等特點(diǎn)，所以在超聲波檢測(cè)和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛地運(yùn)用。該設(shè) 計(jì)利用提供了 led 數(shù)碼管顯示電路的小型單片機(jī)開(kāi)發(fā)板以及配合獨(dú)立的 hc-sr04 超 聲波傳感器模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。超聲波傳感器模塊上面具有發(fā)送和接收端口，工

11、作 時(shí)發(fā)送端口發(fā)送超聲波脈沖，脈沖在空氣中傳輸直至遇到障礙物反射回接收端口。 以超聲波傳播的速度和傳播的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算出距離?？紤]到該電路的硬件系統(tǒng)易 于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，能夠穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)基本功能，在此基礎(chǔ)上可以做出適當(dāng)?shù)耐?展。數(shù)碼管顯示值能夠根據(jù)超聲波傳感器的測(cè)得距離的變化作出相應(yīng)的改變。利用 超聲波技術(shù)能夠準(zhǔn)確、方便、快捷地測(cè)得測(cè)距儀到被測(cè)物體間的距離。測(cè)距儀在日 常的生活和生產(chǎn)中也有廣泛的應(yīng)用，本文是將超聲波測(cè)距技術(shù)運(yùn)用到倒車報(bào)警系統(tǒng) 中，減小因人眼盲區(qū)給用戶帶來(lái)的不必要損失。 1.11.1 選題背景及研究意義選題背景及研究意義 由于超聲波具有能耗慢，波長(zhǎng)短，方向性好以及能穿透物體等特

12、點(diǎn)，因此在測(cè) 距儀和液位測(cè)量等中得到廣泛地使用。在生活，軍事以及其他領(lǐng)域超聲波測(cè)距儀都 具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用，如日常交通中的超聲波倒車報(bào)警系統(tǒng)。由于該設(shè)計(jì)是超聲波 倒車報(bào)警系統(tǒng)，因此這種測(cè)距必須是非接觸式的。設(shè)計(jì)者需要擁有扎實(shí)的數(shù)、模電 知識(shí)，單片機(jī)編程能力，超聲波發(fā)射與接收知識(shí)，以及能將這幾方面的知識(shí)進(jìn)行有 機(jī)結(jié)合的能力。通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算和處理，最后將被測(cè)物體的距離結(jié)果能夠清晰的， 穩(wěn)定的顯示在 led 數(shù)碼管上。感應(yīng)角度：不大于 15 度；測(cè)量范圍：2cm 450cm；精度 0.2cm。 1.21.2 超聲波的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀超聲波的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研人員進(jìn)行了大量理論分析與研究主

13、要包括：超聲波回波信 號(hào)處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)和超聲波發(fā)射脈沖選取等方面，同時(shí)提出溫度 補(bǔ)償、接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測(cè)距精度的措施來(lái)減少實(shí)際的 誤差。 超聲波測(cè)距中，超聲波回波處理方法的優(yōu)劣主要受到回波前沿的定位精度和渡 越時(shí)間的測(cè)量精度的影響，同時(shí)超聲波探測(cè)定位系統(tǒng)的精度和反應(yīng)速度也受此影響。 消除由于回波信號(hào)強(qiáng)弱變化而造成的測(cè)量時(shí)間的誤差主要是通過(guò)雙比較器整形結(jié)合 軟件確定回波前沿的測(cè)量方法，從而能夠使測(cè)量精度得到進(jìn)一步提高，將超聲波在 空氣中近距離測(cè)量達(dá)到厘米級(jí)的精度。 目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)超聲波回波信號(hào)處理算法的研究已經(jīng)日漸成熟，超聲波探測(cè) 定位的關(guān)鍵技術(shù)仍將是作

14、為一個(gè)重要的研究方向。 隨著超聲波發(fā)射和回波信號(hào)的處理方法不斷完善，為了進(jìn)一步拓寬超聲波測(cè)距 的應(yīng)用空間，當(dāng)前主要集中在如何研發(fā)新型、高性能超聲波換能器兩個(gè)問(wèn)題上。 同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些科研人員在超聲波發(fā)射電路的簡(jiǎn)化、發(fā)射功率和頻率的控制、 最大探測(cè)距離的提高等方面對(duì)新型超聲波換能器進(jìn)行研究并取得了一定成果，但對(duì) 新型超聲換能器制作材料、超聲波發(fā)生機(jī)理創(chuàng)新等方面的研究尚有不足。 現(xiàn)金市場(chǎng)上所銷售的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，大都采用發(fā)射單超聲脈沖的方法，但是 當(dāng)它采用較高頻率超聲波時(shí)，有效測(cè)量距離會(huì)因空氣吸收而較快衰減從而導(dǎo)致精度 降低；在通過(guò)降低頻率以增大測(cè)距范圍時(shí)，測(cè)距的絕對(duì)誤差又會(huì)增大。因而該方法 存在測(cè)

15、量分辨力和有效作用距離的矛盾，極大制約了超聲波傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬1。 1.31.3 超聲波的國(guó)外研究現(xiàn)狀超聲波的國(guó)外研究現(xiàn)狀 一般認(rèn)為，人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波即超聲波的研究最初起始于 1876 年 f.galton 的氣哨實(shí)驗(yàn)。在之后的三十年中，超聲波始終是一個(gè)鮮為人知的東西，對(duì) 超聲波的研究主要受到了當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展緩慢一定程度的影響2。 1925 年，pierce 使用石英傳感器和鎳傳感器來(lái)產(chǎn)生和探測(cè)超聲波，而且頻率擴(kuò) 展到兆赫級(jí)；至此，debye,sears,lcas 分別發(fā)現(xiàn)了超聲波的衍射光柵，用超聲波來(lái) 研究液體和氣體的聲學(xué)特性方法得到穩(wěn)定發(fā)展。 1927 年 hantalnn

16、n 和 tro11e 解決了超聲汽笛的許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，這些汽笛被證明 在流體中最高功率可達(dá) 50w。 1929 年，用超聲波探查金屬物內(nèi)部缺陷的建議由 sokolov 首先提出。 1931 年，mulhauser 獲得關(guān)于檢測(cè)超聲方法的一項(xiàng)專利。 sokolov 在 1934 年，首次發(fā)表關(guān)于在液體槽子里利用穿透法作實(shí)物試驗(yàn)的參數(shù) 結(jié)果，他嘗試各種方法做了這方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)穿過(guò)試驗(yàn)物體的超聲波能量， 其中就有利用光學(xué)法觀察由超聲波在液體表面形成波紋的實(shí)驗(yàn)。德國(guó) bergrnann 在 著作ultrasonic中，闡述了大量早期關(guān)于超聲波的詳盡的資料，該論著一直被 認(rèn)為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作3。

17、繼 1950 年后，雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了超聲波探傷技術(shù)發(fā)展，由于電子計(jì)算 機(jī)、激光技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，不僅加速了雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也加速了超 聲波技術(shù)的發(fā)展。超聲波的脈沖調(diào)制技術(shù)在無(wú)損探測(cè)、醫(yī)療診斷及各種工業(yè)控制也 得到了廣泛地應(yīng)用。 1965 年，在深入研究了新材料、新技術(shù)以及微波傳播的相關(guān)理論之后，可以產(chǎn) 生頻率超過(guò) 100ghz 的超聲波。繼此之后，超高頻的超聲波開(kāi)始應(yīng)用于物理學(xué)基礎(chǔ)研 究、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域中。 1980 年，美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(nationalinstruments)研發(fā)出豐富的軟件技術(shù) 來(lái)進(jìn)行超聲波相關(guān)參數(shù)方面的測(cè)試及測(cè)量。 1992 年由 fign

18、eroaj.f 提出一種新型超聲波回波計(jì)時(shí)法，該方法得到的回波時(shí) 延是利用峰值和相位相加；這種方法能達(dá)到的精度指標(biāo)為：18 一 34 米，誤差精度 2%。 kimiyuki 等人于 1997 年提出一種新的超聲波傳感器，并證明出它的可行性，該 傳感器是基于像散焦點(diǎn)差的探測(cè)理論。 hanneselmer 于 2007 年提出實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的高分辨率的方法,并且利用編碼信 號(hào)對(duì)高精度的超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探索。 2008 年，美國(guó)普力塞思測(cè)距儀公司在基于超聲波測(cè)距原理的前提下推出了一系 列的，體積相對(duì)較小、更加易于攜帶，可以用于不同程度的測(cè)高檢測(cè)3。 近些年，伴隨著壓電陶瓷材料的迅速發(fā)展以及

19、電子技術(shù)的進(jìn)一步普及，超聲波 相關(guān)方面的檢測(cè)技術(shù)也得到進(jìn)一步的發(fā)展。美國(guó) apresys 測(cè)距儀公司已經(jīng)研制出一 系列的能夠滿足各種不同要求的超聲波測(cè)距儀，實(shí)現(xiàn)了更加高速和精確的長(zhǎng)寬高等 單一元素的測(cè)量及面積等符合元素的測(cè)量。新型超聲檢測(cè)儀接連不斷的出現(xiàn)，使該 技術(shù)在無(wú)損探傷、測(cè)溫、測(cè)距、流量測(cè)量、液體成分測(cè)量等方面的應(yīng)用領(lǐng)域得到不 斷的擴(kuò)大。 1.41.4 超聲波測(cè)距的實(shí)現(xiàn)主要技術(shù)超聲波測(cè)距的實(shí)現(xiàn)主要技術(shù) 超聲波測(cè)距實(shí)現(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字信號(hào)處理 dsp（digital signal processing ）技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 fpga（fieldprogrammable gate

20、array ）技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等。 數(shù)字信號(hào)處理（dsp）是將電子信號(hào)通過(guò)處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字方式表示并處理的理論 和技術(shù)。其中主要包括數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理。 數(shù)字信號(hào)處理主要是對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波處理或者精確測(cè)量。所以需要 將所要處理的信號(hào)在模擬域和數(shù)字域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能對(duì)其進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，這 通常是需要通過(guò) a/d 轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是最終還是將經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理過(guò)的輸出 結(jié)果變換到模擬域，這就需要通過(guò) d/a 轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 數(shù)字信號(hào)處理的算法往往需要利用計(jì)算機(jī)方面的設(shè)備或者專門用于處理 dps 的 設(shè)備，如數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）和專用集成電路（asic）等。數(shù)字信號(hào)處理

21、技術(shù)及 設(shè)備具有靈活性強(qiáng)、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等突 出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)與設(shè)備所無(wú)法比擬的。 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（fpga）是將可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的 i/o 單元陣列集成化的技術(shù)，一片 fpga 包含豐富的邏輯門功能、寄存器和 i/o 資源。單 片 fpga 芯片就足以實(shí)現(xiàn)數(shù)百片甚至成千上萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。 fpga 內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于具有相當(dāng)高的靈活性，因此用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)邏輯 單元、可編程內(nèi)部連線和 i/o 單元進(jìn)行編輯，而且可以實(shí)現(xiàn)的邏輯功能更加廣泛， 基本上可以滿足用戶的各種設(shè)計(jì)需求。其速度快，功耗低，通用性強(qiáng)

22、，在復(fù)雜的系 統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛地使用。fpga 還可以實(shí)現(xiàn)在線系統(tǒng)、重構(gòu)動(dòng)態(tài)的配置及硬件通過(guò) 程序軟化、軟件通過(guò)硬件進(jìn)行硬件化等功能。 我們?cè)诨趥鹘y(tǒng)試驗(yàn)及控制器的研制過(guò)程中，把微機(jī)技術(shù)和 fpga 技術(shù)兩者做了 有機(jī)的集合，全方位的提升控制器系統(tǒng)的性能，使整體的工作的效率、電氣系統(tǒng)的 可靠性以及控制精度參數(shù)方面都得到了很大的提高，并且達(dá)到了操作簡(jiǎn)便而又不缺 乏先進(jìn)的技術(shù)性，從而避免了由于高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制器控制規(guī)模上的龐大，功能 復(fù)雜等缺點(diǎn)4。 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī) ，單片機(jī)的電路芯片大部分采用超大規(guī)模集成技術(shù)， 它把中央處理器 cpu、只讀存儲(chǔ)器 rom、隨機(jī)存儲(chǔ)器 ram、定時(shí)器/計(jì)

23、時(shí)器等功能 （可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、多路模擬轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制電路、a/d 轉(zhuǎn)換器等電路 ） 、 多種 i/o 口和中斷系統(tǒng)集成到一塊小硅片上而構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系 統(tǒng) ，尤其是在工業(yè)控制領(lǐng)域的得到了相當(dāng)廣泛地應(yīng)用。在軟件的控制下，這些電路 能夠準(zhǔn)確地、快速地、高效地完成程序設(shè)計(jì)者預(yù)先規(guī)定好的任務(wù)6。 因此，單片機(jī)的最大的特征就是它可以單獨(dú)地現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)控制中所要求的 智能化的控制功能，而這些能力恰恰是普通的微處理器所不能及的。 由于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及其所采取的半導(dǎo)體工藝，使之具有很多顯著的特點(diǎn)， 因而在各個(gè)領(lǐng)域都得到了迅猛的發(fā)展。其主要特點(diǎn)可歸納如下：高性價(jià)格比。高集 成度、所

24、占空間小、高可靠性，由于單片機(jī)把各個(gè)功能模塊集成在單片芯片上，且 其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，大大的減少了各芯片之間的連線，極大的提高了單片機(jī)工作 的的可靠性與抗干擾能力；另外，由于單片機(jī)體積小的優(yōu)點(diǎn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下容易 于采取屏蔽干擾措施，在環(huán)境惡劣的情況下也能較好的工作?？刂颇芰?qiáng)，單片機(jī) 上的指令系統(tǒng)均含有豐富的轉(zhuǎn)移操作指令、i/o 口的邏輯操作指令以及位處理功能的 能力；為了能滿足更高要求的邏輯控制功能以及運(yùn)行速度，單片機(jī)對(duì)二者的要求是 均高于同檔次的微機(jī)。能耗低、工作電壓低，便于公司大規(guī)模的生產(chǎn)便攜式的產(chǎn)品。 外部總線增設(shè) spi 及 i2c 等串行總線的工作方式，從而縮小單片機(jī)的體積及結(jié)構(gòu)

25、的 簡(jiǎn)化。單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 綜上所述，局限于開(kāi)發(fā)環(huán)境并且切合于畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)際條件情況的多方面考慮 因素，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 1.51.5 研究步驟與方法研究步驟與方法 1.5.1 硬件電路的設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距的硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)硬件系統(tǒng)、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收 模塊及數(shù)碼管顯示電路組成。超聲波傳感器分為集成與獨(dú)立的發(fā)送和接收到兩種。 本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器發(fā)射接受分離式。單片機(jī)的應(yīng)用及語(yǔ)言：比較常用的單片 機(jī)有 intel 公司的 mcs-51 系列單片機(jī)，有兩大系列 mcs-51 子系列和 mcs-52 子 系列及 atm

26、el 公司 at89c 系列單片機(jī)。軟件的實(shí)現(xiàn)何以用 c 語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí) 現(xiàn)。本設(shè)計(jì)考慮到功能和成本選取了 stc89c52rc 單片機(jī)做控制器。顯示器：液晶顯 示我們可以使用北京精電蓬遠(yuǎn)顯示技術(shù)有限公司的 mdls16265b 液晶 lcd 顯示器或 者八段數(shù)碼管 led。本設(shè)計(jì)選用八段數(shù)碼管 led 做顯示器件。超聲波測(cè)距的范圍和 精度：由于實(shí)際需要和傳感器的性能限制，測(cè)距都要有一定的范圍和精度，所以在 設(shè)計(jì)測(cè)距儀時(shí)應(yīng)該考慮這兩方面的技術(shù)要求。本設(shè)計(jì)選取的傳感器要能達(dá)到要求的 測(cè)量范圍和精度。 1.5.2 軟件的設(shè)計(jì) 由主程序，超聲波發(fā)射子程序，接收中斷子程序以及顯示子程序四個(gè)主要部分

27、 組成超聲波測(cè)距儀的軟件系統(tǒng)。我們知道，c 語(yǔ)言程序有利于更復(fù)雜的算法，匯編 語(yǔ)言編程效率高，精確計(jì)算運(yùn)行時(shí)間，匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 2 2 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距原理 2.12.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)分析超聲波測(cè)距系統(tǒng)分析 在超聲波探測(cè)電路中，由于輸出脈沖的個(gè)數(shù)與被測(cè)的距離成正比，即被測(cè)量的 距離越大，那么它的脈沖寬度就越寬，這個(gè)脈沖寬度就是發(fā)射超聲波的時(shí)間間隔。 超聲波測(cè)距主要有以下兩種方法：一種是根據(jù)輸出脈沖的寬度，就是發(fā)射超聲波與 接收超聲波的時(shí)間間隔 t；另一種就是根據(jù)輸出脈沖的平均值電壓與測(cè)量的距離成正 比的關(guān)系得到測(cè)量結(jié)果。 本系統(tǒng)的測(cè)量采用第一種方案。由于超聲波的傳播速度與傳播

28、媒介的溫度有關(guān)， 當(dāng)然如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通 過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌?波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 331.45 米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 12.0mhz 晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)5。 假定 s 為超聲波測(cè)距模塊到被測(cè)物體之間的距離，被測(cè)時(shí)間為 t（s） ，超聲波的 傳播速度為 v（m/s）表示，則有關(guān)系式(2.1) s=vt2 (2.1) 在考慮到溫度在精度要求較高的情況下的影響，按式(2.2)為了減小誤差，在此 對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度加以修正。溫度與聲速的關(guān)系

29、參照表 2.1。 v=3314+0607t (2.2) 式中：t 為實(shí)際溫度，單位為； v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 ms。 考慮到實(shí)際環(huán)境的溫度變化不是很大，以及技術(shù)有限，所以本設(shè)計(jì)使用關(guān)系式 （2.1）作為參考公式。 表 2.1 一些溫度下的聲速 溫度與聲速參照表 溫度 t （） -30-20-100102030 聲速 v （m/s) 313319322332337344350 2.22.2 壓電式超聲波發(fā)生器的基本原理壓電式超聲波發(fā)生器的基本原理 壓電式超聲波發(fā)生器由兩個(gè)壓電晶片以及一個(gè)共振板組成，并且它是利用壓電 晶體的諧振方式來(lái)進(jìn)行工作的。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。 圖

30、2.1 超聲波發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 施加在壓電晶體兩端的電壓為交流電時(shí)，當(dāng)交流電的頻率與諧振頻率相等的情況 下，壓電晶體就會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)，繼而產(chǎn)生超聲波。若沒(méi)有電壓施加在壓電晶體的 兩極，且壓電晶體能感受到空氣中有聲壓，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓輸出，這個(gè)就是壓電 效應(yīng)。所以此時(shí)只能做超聲波接收器了。 2.32.3 超聲波測(cè)距誤差分析超聲波測(cè)距誤差分析 根據(jù)超聲波測(cè)距公式 s=vt (2.3) 可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 2.3.1 時(shí)間誤差 當(dāng)要求測(cè)量誤差小于 1mm 時(shí)，現(xiàn)在假設(shè)超聲波的傳播速度為 c=344m/s (20室 溫)，忽略聲速的在空氣中的傳播誤差

31、。在測(cè)距上的誤差為：st(0.001/344) 0.000002907s 即 2.907s 若想將超聲波測(cè)距的結(jié)果誤差控制在 1mm 以內(nèi)，就必須將超聲波往返的時(shí)間差值 精度控制在微秒級(jí)，當(dāng)然要達(dá)到這一要求的前期必須是在空氣中超聲波的相對(duì)傳播 速度非常準(zhǔn)確的情況下。89c51 單片機(jī)是采用 12mhz 晶振作為時(shí)鐘基準(zhǔn)的，所以能很 方便的達(dá)到 1s 的精度。該系統(tǒng)采用的是以 51 為內(nèi)核的定時(shí)器的 stc89c52rc 單片 機(jī)，以此確保它的距離誤差在 1mm 的測(cè)量范圍以內(nèi)8。 2.3.2 超聲波傳播速度誤差 超聲波的傳播速度與空氣的密度息息相關(guān)，空氣的密度與超聲波的傳播速度成正 比，即空氣

32、的密度越高超聲波的傳播速度就越快。 要想使超聲波測(cè)距的精度控制在 1mm 以內(nèi)，就必須考慮到超聲波傳播的介質(zhì)的溫 度。例如當(dāng)溫度 0時(shí)超聲波速度是 332m/s,30時(shí)是 350m/s，溫度變化引起的超聲 波速度變化為 18m/s。若超聲波在 30的環(huán)境下以 0的聲速測(cè)量 100m 距離所引起 的測(cè)量誤差將達(dá)到 5m，測(cè)量 1m 誤差將達(dá)到 5mm。 2.42.4 系統(tǒng)整體方案的論證系統(tǒng)整體方案的論證 根據(jù)超聲波測(cè)距的原理，目前較簡(jiǎn)單實(shí)用的測(cè)距方法有兩種：一種是適用于身 高計(jì)的，在被測(cè)距離的兩端設(shè)置一端為發(fā)射端，另一端則為接收的直接波方式；另 一種是適用于測(cè)距儀的，它是利用發(fā)射波被被測(cè)物體反射

33、回來(lái)之后接收反射波的方 式達(dá)到測(cè)距的目的。本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是采用第二種。 超聲波傳感器是種采用壓電陶瓷作為材料的壓電效應(yīng)的傳感器。超聲波雖然具 有低能耗，但是它在傳播的過(guò)程還是會(huì)遇到不同頻率帶來(lái)的不同程度的衰減，所以 超聲波傳感器的選擇決定了測(cè)距儀的分辨率；短距離測(cè)量的時(shí)候應(yīng)該選擇高頻率的 傳感器，因?yàn)楦哳l率則高分辨率。反之，長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)就應(yīng)該選用低頻率的傳感 器9。 2.52.5 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 超聲波常用于距離的測(cè)量是因?yàn)槌暡ň哂心芎穆?，波長(zhǎng)短，方向性好以及能 穿透物體等特點(diǎn)。由于超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)的軟、硬件系統(tǒng)都比較容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算和處 理的過(guò)程也不會(huì)太復(fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)

34、化生產(chǎn)以及其他領(lǐng)域的使用測(cè)量精度要求。 考慮到各方面的綜合因素以及設(shè)計(jì)的要求，本文最終決定選取 stc89c52rc 單片 機(jī)作為控制器，配合 led 數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描方式實(shí)現(xiàn)顯示功能，利用單片機(jī)的定時(shí) 器驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器 hc-sr04 模塊發(fā)射信號(hào)，再利用蜂鳴器配合紅、綠色 led 各一 枚判斷距離是否能實(shí)現(xiàn)倒車報(bào)警功能。 3 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3.13.1 系統(tǒng)工作原理分析系統(tǒng)工作原理分析 （1）設(shè)計(jì)控制電路技術(shù)、實(shí)現(xiàn)方式，使用單片機(jī)控制。 （2）采用超聲波測(cè)距方式實(shí)現(xiàn)。 （3）采用 led 數(shù)碼管顯示結(jié)果。 以上的設(shè)計(jì)目的、要求、功能實(shí)現(xiàn)、分析是超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)的依

35、據(jù)。 障 礙 物 圖 3.1 超聲波測(cè)距儀原理圖框圖 由圖 3.1 可以看出，硬件電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)，超聲波發(fā)射器和超聲 波接收器，顯示電路四部分組成?；蛘哂?stc89c52rc 單片機(jī)微控制器系列兼容系 列代替。單片機(jī)對(duì)超聲波發(fā)射器進(jìn)行控制，超聲波接受器把檢測(cè)的信號(hào)輸入到單片 機(jī)中，然后通過(guò)內(nèi)部程序傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行分析，計(jì)算和處理，由 led 數(shù)碼管顯示測(cè) 量距離的最終值。 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要利用 stc89c52rc 為主控芯片，通過(guò)其配合發(fā)射電路，接收電路 以及顯示電路的協(xié)調(diào)工作，最終實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的目的，系統(tǒng)的組成框圖如圖 3.2 所示。 超聲 波發(fā) 生 器 超聲 波接 收 器 單

36、片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 數(shù)碼管 led 顯示 發(fā)射電路 接收電路 mcu stc89c52rc 單片機(jī)外圍電路 顯 示 電 路 圖 3.2 系統(tǒng)組成框圖 3.23.2 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)，亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer） 。 它是中央處理單元（cpu） ，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ram 或 eprom，eeprom）中，只讀存 儲(chǔ)器（rom） ，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，輸入/輸出端口（i/ 0）和其他主要功能集成到在一 個(gè)集成電路計(jì)算機(jī)芯片的微型計(jì)算機(jī)。目前，有一種微控制器 a/ d 和 d/ a 轉(zhuǎn)換器， 高速輸入/輸出單元，dma 通道，浮點(diǎn)運(yùn)算和其他

37、特殊功能的新類型7。 本設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)型號(hào)是宏晶科技的 stc89c52rc，它是一種與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型 80c51 單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容的單片機(jī)，具有功耗低、性能高、且采用的 8 位微處理器是 cmos 工藝的?？稍诰€重新編程的片內(nèi) 8k flash 存儲(chǔ)器，或者采用的 存儲(chǔ)器編程器是通用的非易失性的。在一般的距離測(cè)量中，距離的變化速度不會(huì)太 快，而且單片機(jī)可達(dá)到 s 級(jí)別的機(jī)器周期，即其計(jì)時(shí)精度能達(dá)到 s 級(jí)別，因此 完全可以達(dá)到系統(tǒng)測(cè)量的要求，并且較低的成本，所以本設(shè)計(jì)中選用 stc89c52rc 型 號(hào)的單片機(jī)。 stc89c52rc 單片機(jī),基于 stc89c51 內(nèi)核,是新

38、一代增強(qiáng)型單片機(jī),指令代碼完全 兼容傳統(tǒng) stc89c51,速度快 812 倍,帶 adc,4 路 pwm,雙串口,有全球唯一 id 號(hào),加 密性好，抗干擾強(qiáng)。 主要特性如下：增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)，6 時(shí)鐘/機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘/機(jī)器周期可以 任意選擇，完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)指令代碼；工作電壓： 5.5v3.3v/3.8v2.0v；工作頻率范圍：040mhz，相當(dāng)于普通 8051 的 080mhz，實(shí)際工作頻率可高達(dá) 48mhz；8k 字節(jié)的用戶應(yīng)用程序空間；單片機(jī)內(nèi)部 集成了 512 字節(jié) ram；通用 i/o 口，復(fù)位后為：p1/p2/p3 是準(zhǔn)雙向口，p0 口是漏極 開(kāi)路輸

39、出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 i/o 口用時(shí)，需加上拉電阻； 共 3 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器 t0、t1、t2；外部中斷 4 路，采用下降沿中 斷或低電平觸發(fā)電路，外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式可喚醒 power down 模式；可用 定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)的多個(gè)通用異步串行口（uart） 。 stc89c52rc 單片機(jī)的工作模式：掉電模式，典型功耗0.1a,可由外部中斷喚 醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序?？臻e模式，典型功耗 2ma。正常工作模式，典型 功耗 4ma7ma。掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備。 stc89c52rc 引腳結(jié)構(gòu)： 圖 3.3

40、stc89c52rc 引腳結(jié)構(gòu) 功能特性描述: 兼容 mcs-51 單片機(jī)產(chǎn)品、系統(tǒng)有可編程 flash 存儲(chǔ)器 8k 字節(jié)空間、可擦寫 1000 次周期、全靜態(tài)的操作：0hz33hz、具有三級(jí)加密功能的程序存儲(chǔ)器、32 個(gè) 可編程 i/o 口線、3 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、8 個(gè)中斷源、全雙工的 uart 串行通道、 低功耗空閑和掉電保護(hù)模式、中斷在掉電后依然可喚醒、看門狗定時(shí)器。 stc89c52rc 引腳功能描述。p0 口：p0 口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 i/o 口。用每 位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) ttl 邏輯電平作為輸出口。當(dāng)需要訪問(wèn)外部程序和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器時(shí)，p0 口的功能

41、可以用作低 8 位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。p0 口在這種模式下不需要外 接上拉電阻。p0 口在 flash 編程時(shí)的功能是接收指令字節(jié)；與前面的情況不同的是， 在進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)必須外接上拉電阻，才能輸出指令字節(jié)。p1 口：p1 口是 8 位雙 向 i/o 口，內(nèi)部具有上拉電阻，具有能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) ttl 邏輯電平的輸出緩沖器。p2 口：p2 口是 8 位雙向 i/o 口，內(nèi)部具有上拉電阻，具有能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) ttl 邏輯電平 的輸出緩沖器。p3 口：p3 口是 8 位雙向 i/o 口，內(nèi)部具有上拉電阻，具有能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) ttl 邏輯電平的輸出緩沖器。p3 口亦作為 stc89c52rc 特殊功能（第

42、二功能） 使用15。 stc89c52rc 有 5 個(gè)中斷源。中斷是指計(jì)算機(jī)暫停正在執(zhí)行的程序，保留現(xiàn)場(chǎng)后自 動(dòng)轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的事件，處理完該事件后，到適當(dāng)?shù)臅r(shí)候返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)完成被打 斷的程序。 由于計(jì)算機(jī)需要在工作時(shí)可以及時(shí)的處理系統(tǒng)中許多隨機(jī)的參數(shù)和信息，所以 需要計(jì)算機(jī)解決 cpu 域外設(shè)置減速度匹配的問(wèn)題，而中斷技術(shù)能很好的解決這個(gè)問(wèn) 題，與此同時(shí)也大大的提高了計(jì)算機(jī)處理故障與應(yīng)變的能力。5 個(gè)中斷源分別為：外 部中斷 int0、外部中斷 int1、定時(shí)器中斷 0、一個(gè)定時(shí)器中斷 1 和一個(gè)串行口中斷。 中斷源內(nèi)部都有個(gè)特殊功能寄存器 ie，用戶可以通過(guò)清除或置位 ie 中的中斷允許控

43、 制位使得中斷源有效或者無(wú)效。ie 內(nèi)部還包含了一次能禁止所有中斷的中斷允許總 控制位 ea，使用時(shí)需要將 ea 置 1。 中斷源是在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)中斷請(qǐng)求的來(lái)源，中斷可以人為設(shè)定，它可以在 應(yīng)對(duì)突發(fā)隨機(jī)事件設(shè)置。通常的 i / o 設(shè)備，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的故障隨機(jī)參數(shù)和信息 源等。 較高優(yōu)先級(jí)的中斷，那么到更高的優(yōu)先級(jí)響應(yīng)。當(dāng)運(yùn)行時(shí)，中斷服務(wù)程序，另 一個(gè)中斷高優(yōu)先級(jí)中斷請(qǐng)求產(chǎn)生，當(dāng)電流 cpu 中斷服務(wù)將暫停高級(jí)別中斷處理應(yīng)用， 可完成先進(jìn)的中斷處理程序中斷程序關(guān)閉，然后再返回到 cpu 原始點(diǎn)繼續(xù)這一過(guò)程。 3.33.3 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路 本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路如圖 3.4 所示，時(shí)鐘電路主要結(jié)

44、合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片 機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快， 單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。 y1 為 12mhz 晶體振蕩器，單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)，c3 與 c5 為負(fù)載電容。單片機(jī)的振蕩電路由晶振和單片機(jī)的 xtal0 和 xtal1 端組成，振 蕩電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波從而降低時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性，但是對(duì)整個(gè)電路的工作影 響不大。atmel 公司提出采用兩個(gè) 10pf-50pf 的瓷片電容，使其一端接入晶振的兩個(gè) 引腳，另一端接地來(lái)消減諧波對(duì)時(shí)鐘電路穩(wěn)定性的影響，本設(shè)計(jì) c3、c5 采用 22pf10。

45、 圖 3.4 振蕩電路連接圖 3.43.4 復(fù)位電路復(fù)位電路 本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路如圖 3.5 所示，具有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種功能，上電復(fù) 位電路是由電容 c11 與電阻 r22 串聯(lián)組成，電容接 vcc，電阻接地，reset 腳接在它 們中間，當(dāng)上電時(shí)，電容相當(dāng)于短路，此時(shí)電阻上的電壓等于 vcc，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后 電阻電壓逐漸變小直至為 0，以達(dá)到上電復(fù)位的目的。同時(shí)只要按下 s1 按鍵，同樣 可以達(dá)到復(fù)位的目的。 圖 3.5 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位方法是讓 vcc 上電，從而電容 c11 有交流電流通過(guò)，使得電阻 r22 上有電壓；在僅僅很短時(shí)間內(nèi)，c11 就被充滿了，此時(shí) r22 開(kāi)

46、路，從而使單片機(jī)進(jìn)行 工作。在工作期間內(nèi)，c11 通過(guò)按下 s18 進(jìn)行放電。 根據(jù)公式：=r*c 可知，最小的單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位時(shí)間受到復(fù)位電路的極性電 容 c9 的大小的影響，c9 的一般取值范圍為 1030uf，復(fù)位時(shí)間隨 51 單片機(jī)最小系 統(tǒng)電容值變大而變短。 3.53.5 電源電路電源電路 本設(shè)計(jì)使用穩(wěn)壓電路確保單片機(jī)的工作電壓穩(wěn)定在 5v，電源電路如圖 3.6 所示。 本設(shè)計(jì)采用三端穩(wěn)壓集成電路 lm7805 作為穩(wěn)壓芯片。二極管 d1 起到保護(hù)作用，c1 與 c3 為輸入濾波電容，c2 與 c4 為輸出濾波電容，由于本設(shè)計(jì)的功率很小，在電路 實(shí)際測(cè)量中，lm7805 的輸出電流為

47、 0.4a，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到額定的最大輸出電流 1.5a。所 以，不需要為 lm7805 加散熱器。 圖 3.6 穩(wěn)壓電源電路 3.63.6 單片機(jī)程序單片機(jī)程序 ispisp 下載接口下載接口 圖 3.7 單片機(jī) isp 下載接口電路 為方便單片機(jī)的程序下載以及調(diào)試，不需每次燒寫程序時(shí)將單片機(jī)從電路板上 取下來(lái)，本設(shè)計(jì)為單片機(jī)提供了 isp 程序下載接口，如圖 3.7 所示。通過(guò) isp 下載 線將電腦和電路板連接，打開(kāi) isp 下載軟件，軟件會(huì)自動(dòng)搜索到硬件設(shè)備，搜索完 成后，可對(duì)單片機(jī)進(jìn)行配置和下載程序。 3.73.7 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射模塊主要由超聲波發(fā)射換能器 t 和

48、反相器 74ls04 組成，單片機(jī) p1.0 端口輸出高電平驅(qū)動(dòng)振蕩電路產(chǎn)生的 40khz 方波信號(hào)一端經(jīng)過(guò)反相器送達(dá)至超 聲波換能器一端，方波信號(hào)的另一端經(jīng)過(guò)兩極反相器送達(dá)至超聲波換能器另一端。 方波信號(hào)經(jīng)過(guò)推挽形式的變換再加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射 強(qiáng)度。為了進(jìn)一步增強(qiáng)單片機(jī)的工作驅(qū)動(dòng)能力，采用兩個(gè)反相器并聯(lián)在輸出端。上 拉電阻 r10、r11 不僅縮短其自由振蕩的時(shí)間，而且可以增強(qiáng)反相器的驅(qū)動(dòng)能力和改 善它的阻尼效果11。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 3.8 所示。 圖 3.8 超聲波發(fā)射電路原理圖 3.83.8 超聲波接收電路超聲波接收電路 下圖 3.9 是超聲波通過(guò)超聲

49、波發(fā)射換能器發(fā)射并在空氣中進(jìn)行傳播，遇到障礙 物就會(huì)返回，為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信 號(hào)這就需要超聲波的接收部分，其功能就是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理， 本設(shè)計(jì)采用的集成芯片 cx20106 是由索尼公司生產(chǎn)的，中斷信號(hào)靠單片機(jī)的 p3.2(int0)引腳得到一個(gè)負(fù)脈沖。接收電路的電路圖如圖 3.9 所示。聯(lián)系實(shí)際可以 發(fā)現(xiàn)，在接收部分電路中集成芯片 cx20106 起了很大的作用。cx20106 是一款專用于 紅外線檢波接收的芯片，其功能較強(qiáng)、性能相對(duì)優(yōu)越、外圍接口比較簡(jiǎn)單、成本相 對(duì)較低。由于紅外遙控常用的載波頻率 38khz 比較接近于測(cè)距的超

50、聲波頻率 40khz， 并且其 5 腳外接電阻可調(diào)節(jié) cx20106 內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率 f0，阻值與中心頻 率成反比，變化范圍為 3060khz。因此它比較適合用來(lái)做接收電路。 cx20106 內(nèi)部構(gòu)成包括前置放大器、檢波器、帶通濾波器、限幅放大器、積分 器及整形電路。具體的工作步驟如下：接收到的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置限幅放大器， 將信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的矩形脈沖，其頻率在經(jīng)由濾波器進(jìn)行選擇后，可以濾除干擾噪 聲信號(hào)，整形后送給輸出端 7 腳。輸出端 7 腳輸出低電平只有當(dāng)其接收到與 cx20106 濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，并且輸出端 7 腳直接接到 stc89c52rc 的 int0

51、引腳上，以觸發(fā)中斷12。 圖 3.9 超聲波檢測(cè)接收電路 1腳：超聲信號(hào)阻抗約為40k的輸入端。 2腳：該腳與地之間能夠構(gòu)成rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們能夠組成負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，前置 放大器的增益和頻率特性通過(guò)控制改變它們的數(shù)值。在實(shí)際使用中常常選用 r14=4.7，c5=1f。 3腳：檢波電容連接于該腳，當(dāng)電容量小于平均值檢波值時(shí)，其靈敏度會(huì)相應(yīng)將 低；假使容量小，峰值檢波會(huì)使其靈敏度瞬間會(huì)相應(yīng)變高，但為了防止其檢波輸出 的脈沖寬度變動(dòng)大造成較大的誤差，推薦參數(shù)為c6=3.3f。 4腳：接地端。 5腳：該腳通過(guò)一個(gè)用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0的電阻接入電源間，中心 頻率會(huì)隨著其阻值變化。 6腳：利用

52、標(biāo)稱值c7=330pf積分電容并接在該腳與地之間，探測(cè)距離的精度受電 容值影響。 7腳：該引腳外接一般阻值為r13=22k的上拉電阻到電源端，以此達(dá)到集電極 開(kāi)路輸出方式可以遙控命令輸出端的目的。 8腳：電源+4.5+5v7。 3.93.9 hc-sr04hc-sr04 超聲波傳感器超聲波傳感器 綜上所述，將超聲波發(fā)射模塊及接收模塊集成為一個(gè)模塊，所以本設(shè)計(jì)采用 hc- sr04 超聲波傳感器模塊實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收。 3.9.1 產(chǎn)品特點(diǎn) hc-sr04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度 可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 基本工作

53、原理：采用io口trig觸發(fā)測(cè)距，給最少10us的高電平信呈。模塊自動(dòng) 發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過(guò)io口echo輸出 一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電 平時(shí)間*聲速(340m/s)/213。 3.9.2 管腳及功能簡(jiǎn)介 圖 3.10 hc-sr04 超聲波測(cè)距模塊 +5v 供電電源，gnd 接地，trig 觸發(fā)控制信號(hào)輸入，echo 回響信號(hào)輸出。 3.103.10 顯示電路顯示電路 圖 3.11（a）圖為數(shù)碼管的引腳圖 a b c d e g gnd f dp gnd a b c e f g d dp a b

54、c d e f g dp dp g f e d c b a 5v （a）（b） 共陰極 共陽(yáng)極 (c) 圖 3.12 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描 每位的段碼線（a、b、c、d、e、f、g、dp）分別與 1 個(gè) 8 位的鎖存器輸出相連， 由 stc89c52rc 控制組合 09 十個(gè)數(shù)據(jù)，如令共陰極數(shù)碼管顯示 1 則 b、c 引腳（即 2、3 引腳）送高電平，此時(shí)數(shù)碼管顯示 1。由于各位的段碼線并聯(lián)，8 位 i/o 口輸出 段碼對(duì)各個(gè)顯示位來(lái)說(shuō)都是相同的。 當(dāng)數(shù)碼管正常工作時(shí)必須接上拉電阻，數(shù)碼管點(diǎn)亮一般要 510ma 的電流，p0 輸 出電流不到 1ma，同時(shí)上拉電阻起到一個(gè)限流的作用。 將四位八段數(shù)碼管

55、位選端通過(guò)并聯(lián)的方式在一起顯示，由 p0 控制。p0 端口并行 輸出口控制所有 led 的段選碼，因此，四位數(shù)碼管只能四位同時(shí)顯示相同的字符。 若想顯示不同的字符，最常用的方法就是掃描法。在不同的時(shí)間段，p0 并行輸出口 與位選輸出控制相應(yīng)字符段選碼，以保證該位顯示相應(yīng)的字符。這樣就能保證每位 在不同的時(shí)間段顯示該位應(yīng)顯示字符。由于人眼的相關(guān)特性以及二極管斷電后的余 輝的效應(yīng)，必須采用延時(shí)程序使數(shù)字看起來(lái)很連續(xù)14。 4 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.14.1 軟件設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)的整體方案分析整體方案分析 本系統(tǒng)采用單片機(jī)內(nèi)部自帶的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 t1 的中斷，記錄精確的超聲波的 往返

56、時(shí)間。本系統(tǒng)采用方波輸出程序控制單片機(jī)管腳 p1.2 輸出 40khz 方波信號(hào)。定 時(shí)器中斷 1 口負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)超聲波傳感器有無(wú)接收到回波信號(hào),然后單片機(jī)不停的檢測(cè) p1.1 引腳，如果超聲波已經(jīng)返回，p1.1 引腳的電平則會(huì)由高電平變跳變?yōu)榈碗娖?。?jì)數(shù) 器記錄的則是超聲波在介質(zhì)中傳播的往返時(shí)間，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得到要測(cè)的 距離。 4.1.1 超聲波時(shí)序圖 超聲波測(cè)距模塊工作的時(shí)候通過(guò)給 p1.2 端口發(fā)送脈寬為 12s，頻率為 40khz 的方波信號(hào)，并且打開(kāi)計(jì)數(shù)器 t0 進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距儀主程序利用單片機(jī)的 p1.1 端口檢測(cè)回波信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)（p1.1 引腳出現(xiàn)高電平)，立

57、即進(jìn)入中斷程序 并且立即停止計(jì)時(shí)器 t0 計(jì)時(shí)。并且同時(shí)讀取計(jì)數(shù)值，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，然后顯 示測(cè)量結(jié)果。本設(shè)計(jì)采用的是周期 800ms。下圖 4.1 為 hc-sr04 的超聲波產(chǎn)生的時(shí)序 圖。 圖 4.1 超聲波時(shí)序圖 4.24.2 主程序主程序 本設(shè)計(jì)采用的晶振的中心頻率為 12mhz,計(jì)數(shù)器 t0 中的 time 值（即超聲波往返 時(shí)間）在主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位之后按式（4.1）計(jì)算即可測(cè)得兩者之間的 距離8,假設(shè)空氣中的聲速為 340 m/s 則有： s=(v*time)/2 =time*1.7/10mm (4.1) 其中 time 為計(jì)數(shù)器 t0 的計(jì)數(shù)值，超聲波脈沖重復(fù)測(cè)

58、量過(guò)程，然后經(jīng)過(guò)編碼轉(zhuǎn) 換由四位 led 數(shù)碼管顯示測(cè)出的距離結(jié)果。主程序流程圖如圖 4.2 所示。 開(kāi)始 初始化定時(shí)器 啟動(dòng)定時(shí)器 t0 發(fā)射超聲波脈沖 延時(shí)一段時(shí)間 有無(wú)回波 信號(hào) 關(guān)閉定時(shí)器 t0 讀取數(shù)值 time 計(jì)算距離 s 顯示測(cè)量結(jié)果 y n 回波端口準(zhǔn)備接收回 波 圖 4.2 主程序流程圖 4.34.3 中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 中斷響應(yīng)的過(guò)程： （1） 在每個(gè)指令結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)指令中是否含有中斷請(qǐng)求，當(dāng) cpu 遇 到中斷請(qǐng)求信號(hào)，那么進(jìn)入響應(yīng)中斷狀態(tài)。 （2） 保護(hù)之前，在一般保護(hù)，禁止中斷，以防止現(xiàn)場(chǎng)銷毀現(xiàn)場(chǎng)的一幕。保護(hù) 現(xiàn)場(chǎng)的指令一般用于堆疊在原程序中使用到堆棧

59、中的寄存器。 （3） 中斷服務(wù)的相應(yīng)的中斷源是服務(wù)。 （4） 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，禁止中斷現(xiàn)場(chǎng)，以防止破壞現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)，開(kāi)放中斷。 （5） 返回時(shí)，cpu 繼續(xù)執(zhí)行被斷點(diǎn)前被中斷的程序。 超聲波測(cè)距模塊工作的時(shí)候通過(guò)給 p1.2 端口發(fā)送脈寬為 12s，頻率為 40khz 的方波信號(hào)，并且打開(kāi)計(jì)數(shù)器 t0 進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距儀主程序利用單片機(jī)的 p1.1 端口檢測(cè)回波信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)（p1.1 引腳出現(xiàn)高電平)，立即進(jìn)入中斷程序 并且立即停止計(jì)時(shí)器 t0 計(jì)時(shí)。單片機(jī)中斷響應(yīng)程序流程圖如圖 4.3 所示。 開(kāi)始 初始化 向 trig 發(fā)送大于 10us 的高電平 等待 echo 有高電平， 將

60、 th0、tl0 計(jì)數(shù)次數(shù) 置 0 等待 echo 變?yōu)榈碗?平，讀 th0、tl0 值 處理數(shù)據(jù) 數(shù)碼管顯示 rx=0 計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù) 計(jì)數(shù)器中斷 計(jì)數(shù)次數(shù)變量加 1 圖 4.3 單片機(jī)中斷響應(yīng)程序流程圖 4.44.4 距離計(jì)算子程序距離計(jì)算子程序 超聲波測(cè)量距離的計(jì)算公式為： s=(v*time)/2 =time*1.7/10mm (4.1) （其中 time 為計(jì)數(shù)器 t0 的計(jì)數(shù)值）。距離計(jì)算程序的流程圖如圖 4.4 所示。 超聲波距離計(jì)算方法設(shè)計(jì)原理是當(dāng)超聲波發(fā)生器 t 發(fā)射超聲波信號(hào)，直至遇到 障礙物反射回來(lái)被超聲波接收器 r 接收到。只要計(jì)算出超聲波聲波在介質(zhì)中傳播的 往返時(shí)間，