超聲波測(cè)距汽車防撞系統(tǒng)解析

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20年 月基于51的超聲波測(cè)距汽車防撞系統(tǒng)【摘要】基于51的超聲波測(cè)距汽車防撞系統(tǒng)，介紹了超聲波測(cè)距的基本原理和系統(tǒng)框圖, 給出了超聲波發(fā)射和接收電路，通過(guò)盲區(qū)的消除，提高了測(cè)距的精確度。利用超聲波 傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，采用51單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)汁出了能精確測(cè) 量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要山超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器 電路、單片機(jī)控制電路、按鍵電路及顯示電路構(gòu)成。利用所設(shè)計(jì)出的超聲波測(cè)距汽車 防撞系統(tǒng)，對(duì)行駛中的車距進(jìn)行了測(cè)試，釆集當(dāng)時(shí)兩車距離過(guò)近系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光警報(bào) 提示司機(jī)作出相應(yīng)反應(yīng)動(dòng)作。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，可 實(shí)時(shí)

2、車距檢測(cè)?！娟P(guān)鍵詞】超聲波、MCU、LED、測(cè)距、傳感器51 car collision avoidanee system based onAbstract Ultrasonic ranging car anti-collision system based on 51, introduces the principle and system frame of ultrasonic distanee measurement, the ultrasonic transmitter and receiver circuit, the blind area elimination, to impro

3、ve the measurementaccuracy. The relation between ultrasonic transmission distance and time, using 51 single-chip microcomputer control and data processing, design the ultrasonic liquid level detection system for accurate measurement of distanee between two points The system is mainly composed of the

4、 ultrasonic transmitter circuit,ultrasonic receiver circuit, single-chip microcomputer control circuit, keyboard circuit and display circuit. The use of ultrasonic ranging automotive anti-collision system are designed, the running distanee between vehicles were tested, two carcollection was too clos

5、e to the system will send out sound and light alarm to warn the driver response action. This system has the advantages of easy control,reliable operation, high measuring precision, real-time vehicle distance detecting.Key Words Ultrasonic, MCU, LED, location, sensor1緒論51研究的背景51.2研究的主要內(nèi)容61.3應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題6

6、2電路方案論證72方案比較72.1.1激光測(cè)距72.1.2超聲波測(cè)距72.2 電路總體方案73單片機(jī)概述93.1 STC89C51 主要性能93.2 STC89C51外部結(jié)構(gòu)及特性93.3 STC89C51 內(nèi)部組成114超聲波測(cè)距模塊124.1超聲波傳感器介紹124.2 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊的性能特點(diǎn)134.3 HC-SR04的管腳排列和電氣參數(shù)144.3.1管腳簡(jiǎn)介144.3.2 HC-SR04的電氣參數(shù)144.4超聲波時(shí)序圖155系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)165單片機(jī)最小系統(tǒng)165.1.1 STC89C51 芯片165.1.2復(fù)位電路165.1.3晶振電路175.2驅(qū)動(dòng)顯示電路及報(bào)警電路1

7、85.2.1 LED數(shù)碼管顯示電路185.2.2蜂鳴器和LED報(bào)警185.3 HC-RS04超聲波測(cè)距原理195.4按鍵設(shè)置電路206系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)226主程序226.2顯示數(shù)據(jù)子程序226.3報(bào)警子程序236.4 按鍵子程序23結(jié)論25參考文獻(xiàn)26附錄（A） 27附錄（B） 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。致謝28281.1研究的背景汽車業(yè)與電子業(yè)是世界工業(yè)的兩大金字塔，隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā) 展，在現(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越來(lái)廣泛，汽車電子化的程度越來(lái)越高。汽 車電子技術(shù)是汽車技術(shù)與電子技術(shù)想結(jié)合的產(chǎn)物。汽車上的電器與電子控制系統(tǒng)在汽 車技術(shù)進(jìn)入機(jī)電一體化階段的今天，地位極為重要，正在汽車

8、技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展成為一門(mén) 獨(dú)立的分支學(xué)科，其性能的優(yōu)劣直接影響到汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性、 排放干凈、及舒適性等。電子控制技術(shù)在汽車上，首先應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗控制與 排放進(jìn)化與排放控制，接著被應(yīng)用于底盤(pán)部分的控制，以提高行駛的穩(wěn)定性、安全性、 與舒適性等。隨著交通運(yùn)輸向高密度發(fā)展，電子控制技術(shù)乂進(jìn)一步應(yīng)用于汽車的乘坐 安全性和導(dǎo)航等方面。電子技術(shù)在汽車安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了增強(qiáng)汽車的安全、舒適和方便。 應(yīng)用的電子技術(shù)主要有：電子控制安全氣糞，智能記錄儀，靂達(dá)式距離報(bào)警器，中央 控制門(mén)鎖，自動(dòng)空調(diào)，自動(dòng)車窗、車門(mén)、座椅、刮水器，車燈控制，電源控制以及充 電器等。近年來(lái)汽車的自動(dòng)調(diào)

9、速系統(tǒng)，主動(dòng)式汽車防撞系統(tǒng)，汽車監(jiān)測(cè)和自診斷系統(tǒng) 以及汽車導(dǎo)航系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。在過(guò)去2030年中，人們主要把精力集中于汽車的被動(dòng)安全性方面，例如，在汽 車的前部或后部安裝保險(xiǎn)杠、在汽車外殼四周安裝某種彈性材料、在車內(nèi)相關(guān)部位安 裝各種形式的安全帶及安全氣囊等等，以減輕汽車碰撞帶來(lái)的危害。安裝防撞保險(xiǎn)杠 固然能在某種程度上減輕碰撞給本車造成損壞，卻無(wú)法消除對(duì)被撞物體的傷害；此外, 車上安裝的安全氣囊系統(tǒng)，在發(fā)生車禍時(shí)不一定能有效地保護(hù)車內(nèi)乘務(wù)員的安全。所 有這些被動(dòng)安全措施都不能從根本上解決汽車在行駛中發(fā)生碰撞造成的問(wèn)題。如果從 預(yù)防撞車事故的發(fā)生的角度著眼，在提高汽車主動(dòng)安全性方面下功

10、夫，則可在汽車安 全性領(lǐng)域有較大的突破。汽車發(fā)生碰撞的主要原因是III于汽車距其前方物體（如汽車、行人或其他障礙物） 的距離與汽車本身的車速不相稱造成的，即距離近而相對(duì)速度乂太高。為了防止汽車 與前方物體發(fā)生碰撞，汽車的車速就要根據(jù)與前方物體的距離變化山執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控 制，使汽車始終在安全車速下行駛。這樣就會(huì)大大提高汽車行駛的安全性，減少車禍 的發(fā)生。發(fā)展汽車防撞技術(shù)，對(duì)提高汽車智能化水平有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，危險(xiǎn)境況時(shí)， 如果能給駕駛員半秒鐘的預(yù)處理時(shí)間，則可分別減少追尾事故的30%,路面相關(guān)事故 的50%,迎面撞車事故的60%; 1秒鐘的預(yù)警時(shí)間可防止90%的追尾碰撞和60%的迎頭 碰撞。汽

11、車要避撞就必須憑借一定的裝備測(cè)量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車， 以在危急的情況下，通過(guò)報(bào)警或自動(dòng)進(jìn)行某項(xiàng)預(yù)設(shè)定操作如緊急制動(dòng)等，來(lái)避免山于 駕駛員疲勞、疏忽、錯(cuò)誤判斷所造成的交通事故。LI前，大家都將防撞技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn) 著眼于車輛測(cè)距技術(shù)。1.2研究的主要內(nèi)容課題基于51的超聲波測(cè)距汽車防撞系統(tǒng)由51單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波測(cè)距 模塊、驅(qū)動(dòng)顯示電路、報(bào)警電路和按鍵電路等組成。利用超聲波測(cè)距模塊HC-SR04 測(cè)量距離，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，傳給51單片機(jī)，再通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)， 可以通過(guò)按鍵調(diào)整報(bào)警距離，同時(shí)電源部分采用5V穩(wěn)壓直流電源。1.3應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題1、對(duì)主要硬件電路設(shè)計(jì)、制

12、作實(shí)物時(shí)擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題是：聲音的發(fā)射和接受 時(shí)間的計(jì)算。2、超聲波測(cè)距采用軟件編程實(shí)現(xiàn)。3、超聲波測(cè)距的死區(qū)解決。4、按鍵對(duì)報(bào)警值的設(shè)置。2電路方案論證2.1方案比較2.1.1激光測(cè)距激光測(cè)距一般采用兩種方式來(lái)測(cè)量距離：脈沖法和相位法。脈沖法測(cè)距的過(guò)程： 測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后乂被測(cè)距儀接收，測(cè)距儀同時(shí)記錄激光往 返的時(shí)間，光速和往返時(shí)間的乘積的一半，就是測(cè)距儀和被測(cè)量物體之間的距離。相 位法測(cè)距的過(guò)程：用無(wú)線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè) 線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離，即 用間接方法測(cè)定出光經(jīng)過(guò)往返測(cè)線所需的時(shí)

13、間。2.1.2超聲波測(cè)距汽車防撞系統(tǒng)的基本超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已 知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出 發(fā)射電到障礙物的實(shí)際距離，可見(jiàn)這與雷達(dá)測(cè)距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向 發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始訃時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就 立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn) 單，故采用了方案二。2.2電路總體方案圖2.1是電路總體框圖，包括51單片機(jī)最小系統(tǒng)，HC-SR04超聲波測(cè)距模塊， LED數(shù)碼管顯示電路，蜂鳴器報(bào)警電路和

14、按鍵電路。圖2.1電路基本框圖3單片機(jī)概述3STC89C51主要性能STC89C51是STC公司推出的一款超強(qiáng)抗干擾，加密性強(qiáng)，在線可編程，高速， 低功耗CMOS 8位單片機(jī)。片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)Flash只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技 術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理 器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的STC89C51單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控 制應(yīng)用場(chǎng)合。3.2 STC89C51外部結(jié)構(gòu)及特性其外形封裝有兩種方式：雙列直插式40腳封裝（DIP）

15、和方形44腳封裝（PLCC）, 直插式40腳封裝（DIP）和外部總線結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示：匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚Oi丿401 VCC591 f-O.O(ADO)33R二P0.KADI )437二(M.2(ADJ)S361 1-0 J(AD3)63SP04AD4)754二K>(ADS)S33ZZ) IX).6<AD6)q321 M.7(AD7)1031= EA/VppH30 ALE/PRCXi12的1 P&RN132K二P2.?(ADIS)1427二P2.6(ADI4)1526二P2.5 (ADI 3)1625 P2.4(ADI2)17241 P2.3(Ar

16、>l 1)1823二|22(ALM0)1922二P2.!(AD)21二P2.O(ADft)OPIPl/o(CBPl.0P2.7Pl.lP26Pl.2Pl .3PI .4Pl .5Pl.6Pl.7P3.0P3.1P3 2 A1K9S52P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7ISEN云ALERESET(RST)vcc1*2.5 P2.4 P2 3I>2.21 o E 7 6 5 4 37 O 怛匚仏皿g m g ggg g1>7比1>51)41>3|>21>100地址總越AB)(敷堀s域DR>1 (圖3.1 STC89C51引腳排列圖3.2外部總線

17、STC89C51的4個(gè)8位I/O 口的功能說(shuō)明如下：（1） P0 口： P0 口是一個(gè)8位漏極開(kāi)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。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)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(lái)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。（2）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，pl輸出緩沖器 能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫(xiě)“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

18、。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳山于內(nèi)部電阻的原因，將 輸出電流（IIL）o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）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（Pl. 1/T2EX）。在flash編程和校驗(yàn)時(shí), P1 口接收低8位地址字節(jié)。（3）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(xiě)“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）o在訪問(wèn)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

19、©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lo在使用8位地址（如MOVXRI）訪問(wèn)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)。（4）P3 口： P3 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)P3端口寫(xiě)“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)，被外部拉低的引腳山于內(nèi)部電阻的原因，將輸出 電流（IIL）o在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3 口也接收一些控制信號(hào)。P3 口亦作為 AT89C5

20、2特殊功能（第二功能）使用,如下所示：P3. 0 RXD（$ 行輸入口）P3. 1 TXD（串行輸出口）P3.2 IXT0（外部中斷0輸入口）P3. 3 IXT1（外部中斷1輸入口）P3.4 TO（定時(shí)器0外部輸入）P3.5 TI （定時(shí)器1外部輸入）P3.6 WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)）3.3 STC89C51內(nèi)部組成STC89C51單片機(jī)在一塊芯片中集成了 CPU、RAM、ROM.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗 和多種功能的I/O 口設(shè)備的等，相當(dāng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件。STC89C51單片機(jī)內(nèi)包含的具體部分如下：一個(gè)8位CPUo一個(gè)片內(nèi)振蕩器及

21、時(shí)鐘電路。4KB Flash程序存儲(chǔ)器。128 B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?？蓪ぶ?4KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64KB的外部程序存儲(chǔ)器空間的控制電路。32條可編程的I/O線（4組8位并行I/O端口）。一個(gè)可編程全雙工串口通信。8個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。STC89C52單片機(jī)的框圖如圖3. 3所示，各功能部件山內(nèi)部總線連接在一起。頻率基 準(zhǔn)源計(jì)數(shù)器圖3.3STC89C51單片機(jī)框圖4超聲波測(cè)距模塊4.1超聲波傳感器介紹超聲波是一種頻率比較高的聲音，山于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較 遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)超聲波來(lái)實(shí) 現(xiàn)。

22、超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車靂達(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如液位、 井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。超聲波測(cè)距的利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn) 單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在測(cè)控系 統(tǒng)的研制上得到了廣泛應(yīng)用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變 為同頻率的其他形式的能的器件。H前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體 動(dòng)力型。電聲型主要有：1壓電傳感器；2磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。流體動(dòng) 力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。山于工作頻率與應(yīng)用LI的不同，超聲傳感 器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在

23、超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都 把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭山壓電晶片、楔塊、接頭等組 成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè) 裝置的重要組成部分。圧電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，規(guī)酸 鋰等，屬于壓電陶瓷的有錯(cuò)鈦酸鉛，鈦酸鈔!等。其具有下列的特性：把這種材料置于 電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就 會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生 交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可

24、以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)， 即可發(fā)射聲脈沖，是逆圧電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變 可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的 接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料 較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不 斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械 變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說(shuō)，在 壓電陶瓷晶片上加有頻率為fO交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率

25、的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械 振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用， 這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶 瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。圖4壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用圧電晶體的諧振來(lái)丄作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部 結(jié)構(gòu)如圖2.1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 頻率等于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)， 便產(chǎn)生超聲波。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)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波

26、傳感器。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率fO。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其 上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈 敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的兒何尺寸，就可非常方便的改變 其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)山壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼 及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超 聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片 及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。4.2 HC-S

27、R04超聲波測(cè)距模塊的性能特點(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 度可高達(dá)3mm,模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理：（1）采用IO 口 TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；（2）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；（3）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)試距離二（高電平時(shí)間*聲速/340M/S） /2；（4）當(dāng)TRIG從0->1時(shí)，主控制板啟動(dòng)，當(dāng)超時(shí)10ms時(shí)ECHO仍然沒(méi)有出現(xiàn) 150us的0信號(hào)，表示沒(méi)有障礙。本模塊

28、性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，其主要特點(diǎn)：（1）超微型，只相當(dāng)于兩個(gè)發(fā)射，接收頭的面積已經(jīng)沒(méi)法再小了；（2）無(wú)盲區(qū)（10mm內(nèi)成三角形誤差較大，簡(jiǎn)單可以當(dāng)做0處理）；（3）反應(yīng)速度快，10ms的測(cè)量周期，不容易丟失高速目標(biāo)；（4）發(fā)射頭，接收頭緊靠，和被測(cè)目標(biāo)基本成直線關(guān)系；（5）模塊上有LED指示，方便觀察和測(cè)試。4.3 HC-SR04的管腳排列和電氣參數(shù)4.3.1管腳簡(jiǎn)介HC-SR04的外形及管腳排列如圖4.2所示。（1）VCC為5V電源;（2）GND為地線；（3）TRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入;（4）ECHO回響信號(hào)輸出。HC-SR04圖4.2外形及管腳排列圖4.3.2 HC-SR04的電氣參數(shù)電氣

29、參數(shù)如表4所示：表4.1電氣參數(shù)表電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC 5V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測(cè)量角度15度輸入觸發(fā)信號(hào)10us的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸岀TTL電平信號(hào)，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20* 15mm4.4超聲波時(shí)序圖10uS 的 TTL觸發(fā)信號(hào)循環(huán)發(fā)出8個(gè)4OKHZ脈沖模塊內(nèi)部 發(fā)岀信號(hào)楡岀回響信號(hào)回響電平輔出與檢測(cè)距離成比例圖4.3超聲波時(shí)序圖此時(shí)序圖表明只需提供一個(gè)lOus 上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè) 40kHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到右回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈 沖寬度與所測(cè)的距離成正比。山此通過(guò)發(fā)

30、射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以訃算 得到距離。公式：uS/58二厘米或者uS/148=英寸；或是：距離二高電平時(shí)間*聲速 (340M/S) /2；建議測(cè)量周期為60ms上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。5系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)5.1單片機(jī)最小系統(tǒng)5.1.1 STC89C51 芯片本次設(shè)計(jì)我們所采用的是STC89C51單片機(jī)，是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦 除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能COMOS8的微處理器，該器件有40引腳，速度較快, 價(jià)格便宜，燒錄方便，通過(guò)串口即可下載，還可以實(shí)現(xiàn)在線編程，采用ATMEL高密 度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。5.1

31、.2復(fù)位電路為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路 的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為 可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延遲才撤銷復(fù)位，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分- 合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引腳出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電 平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀 態(tài)。所以復(fù)位引腳的電容大一點(diǎn)沒(méi)多大關(guān)系，頂多是復(fù)位時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)；但如果電容太 小，高電平持續(xù)時(shí)間太短，則單片機(jī)無(wú)法正常復(fù)位，就不能工作，電容通常取10UF 或22UF,鋁電解電容即可。單片機(jī)的復(fù)位電路在剛接通電時(shí)，

32、剛開(kāi)始電容是沒(méi)有電的，電容內(nèi)的電阻很低， 通電后，5V的電源通過(guò)電阻給電解電容進(jìn)行充電，電容兩端的電會(huì)由0V慢慢的升 到4V左右（此時(shí)間很短一般小于0.3秒），正因?yàn)檫@樣，復(fù)位腳山低電位升到高電位, 引起了內(nèi)部電路的復(fù)位工作；當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，電容兩端放電，電容乂回到0V 了， 于是又進(jìn)行了一次復(fù)位工作。電路圖如圖5.1。圖5.1復(fù)位電路5.1.3晶振電路它是單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統(tǒng)將會(huì)不能工作。假如 振蕩器運(yùn)行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行程序的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)時(shí)間上的誤差，這在通信中會(huì)體現(xiàn) 的很明顯：電路將無(wú)法通信。它是III一個(gè)晶振和兩個(gè)瓷片電容組成的，晶振和瓷片電 容是沒(méi)有正負(fù)的，

33、兩個(gè)瓷片電容相連的那端一定要接地，如圖5. 2所示。Y1411r1112MHZ30pC230pGND圖5.2晶振電路一般單片機(jī)的晶振工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容的一部分。它是 根據(jù)晶振廠家提供的晶振要求負(fù)載電容選值的，換句話說(shuō)，晶振的頻率就是在它提供 的負(fù)載電容下測(cè)得的，能最大限度的保證頻率值的誤差，也能保證溫漂等誤差。機(jī)器周期：通常從內(nèi)存中讀取一個(gè)指令字的最短時(shí)間來(lái)規(guī)定CPU周期，(也就 是汁算機(jī)通過(guò)內(nèi)部或外部總線進(jìn)行一次信息傳輸從而完成一個(gè)或兒個(gè)微操作所 需要的時(shí)間)，它一般由12個(gè)時(shí)鐘周期組成。而時(shí)鐘周期二1秒/晶振頻率，因此 單片機(jī)的機(jī)器周期二12秒/晶振頻率，補(bǔ)充其他兒個(gè)

34、周期：指令周期(Instruction Cycle):取出并執(zhí)行一條指令的時(shí)間?？偩€周期(BUS Cycle):也就是一個(gè)訪存儲(chǔ)器或I/O端口操作所用的時(shí)間。時(shí)鐘周期(Clock Cycle) : 乂稱節(jié)拍周期，是處理操作的最基本單位。(晶 振頻率的倒數(shù)，也稱T狀態(tài))指令周期、總線周期和時(shí)鐘周期之間的關(guān)系：一個(gè)指令周期由若干個(gè)總線 周期組成，而一個(gè)總線周期時(shí)間又包含有若干個(gè)時(shí)鐘周期。一般處理器的一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)時(shí)鐘周期所組成。所以單片機(jī)用12M晶振， 運(yùn)行速度為1MC負(fù)載電容=(Cd<g)/(Cd+Cg) +Cic+Ad6>,跟晶振特性、單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘電路等 效電容有關(guān)。兩個(gè)電

35、容的取值都是相同的，或者說(shuō)相差不大，如果相差太大，容易造成諧振的 不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。其起到一個(gè)并聯(lián)協(xié)振的作用，這樣可以讓它 的脈沖更平穩(wěn)與協(xié)調(diào)。5.2驅(qū)動(dòng)顯示電路及報(bào)警電路顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，當(dāng)超過(guò)已設(shè)定的距離時(shí)，蜂鳴器和LED可實(shí)現(xiàn) 報(bào)警功能并可通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)有限距離的調(diào)整。5.2.1 LED數(shù)碼管顯示電路本電路的顯示模塊主要山一個(gè)4位一體的7段LED數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示測(cè)量到 的電壓值。它是一個(gè)共陽(yáng)極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的a, b, c, d, e, f, g和dp端都各 自連接在一起，用于接收單片機(jī)的Pl 口產(chǎn)生的顯示段碼。SI, S2, S3, S4引腳端為

36、 其位選端，用于接收單片機(jī)的P2 口產(chǎn)生的位選碼。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描方式。掃描 方式是用其接口電路把所有數(shù)碼管的8個(gè)比劃段ag和dp同名端連在一起，而每一 個(gè)數(shù)碼管的公共極COM各自獨(dú)立地受I/O線控制。CUP從字段輸出口送出字型碼時(shí)， 所有數(shù)碼管接收到相同的字型碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管亮，則取決于COM端。COM端 與單片機(jī)的I/O接口相連接，山單片機(jī)輸出位位選碼到I/O接口，控制何時(shí)哪一位數(shù) 碼管被點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮數(shù)碼管的位掃描過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫。 但山于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，給人的印象就是一組穩(wěn)定顯示的數(shù)碼。動(dòng)態(tài)方式的優(yōu)點(diǎn)是 十分明顯的，即耗電省，在動(dòng)態(tài)掃描過(guò)程中，任何時(shí)刻只

37、有一個(gè)數(shù)碼管是處于工作狀 態(tài)的。具體原理圖如圖5. 32202901圖5.3賽電路5.2.2蜂鳴器和LED報(bào)警蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，釆用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中 作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。壓電式蜂鳴器 主要山多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器山 晶體管或集成電路構(gòu)成，當(dāng)接通電源后（1.5"15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振, 唇促1 .外2. 3kHz的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。電磁式蜂鳴器山振 蕩器、電磁

38、線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào) 電流通過(guò)電磁線圈，是電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下, 周期性地振動(dòng)發(fā)聲。本設(shè)計(jì)采用電磁式蜂鳴器，當(dāng)距離超出預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā) 出報(bào)警生硬。電磁式蜂鳴器的發(fā)聲原理是電流通過(guò)電磁線圈，是電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng) 膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)它，單片機(jī)10引腳輸出的電流較小，單片 機(jī)輸出的TTL電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)電流放大的電路，即通 過(guò)一個(gè)PNP型三極管8550來(lái)放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。原理圖見(jiàn)圖5. 3。而LED電路是由一個(gè)發(fā)光二極管和電阻組成，因?yàn)長(zhǎng)ED 一般工作在5ma到20

39、ma, 所以選擇1K電阻進(jìn)行限流。如圖5. 4所示。LS1D+5TSPEAKER9012V GND圖5.4蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路5.3 HC-RS04超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)超聲波脈沖山傳感器 發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t,超聲波在空氣中的傳播速度為c,則從傳感器到U標(biāo) 物體的距離D可用下式求出：D=ct/2o其系統(tǒng)框圖如圖5.5所示。圖5.5系統(tǒng)框圖基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長(zhǎng)約6mm,頻率為40khz的超聲波信號(hào)。此信號(hào)被 物體反射回來(lái)山接收頭接收，接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號(hào) 后產(chǎn)生mV級(jí)的微弱電壓信號(hào)。5.4按鍵設(shè)置電路單片機(jī)鍵盤(pán)有獨(dú)立

40、鍵盤(pán)和矩陣式鍵盤(pán)兩種：獨(dú)立鍵盤(pán)每一個(gè)I/O 口上只接一個(gè)按 鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡(jiǎn)單且系統(tǒng)更加穩(wěn) 定；而矩陣式鍵盤(pán)式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要這里 選用了獨(dú)立式鍵盤(pán)接法。獨(dú)立式鍵盤(pán)的實(shí)現(xiàn)方法是利用單片機(jī)I/O 口讀取口的電平高 低來(lái)判斷是否有鍵按下。將常開(kāi)按鍵的一端接地，另一端接一個(gè)I/O 口，程序開(kāi)始時(shí) 將此I/O 口置于高電平，平時(shí)無(wú)鍵按下時(shí)I/O 口保護(hù)高電平。當(dāng)有鍵按下時(shí)，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機(jī)內(nèi)部的上拉電阻使I/O 口仍然 保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O 口的電

41、平狀態(tài)就可以了解我們是 否有按鍵動(dòng)作了。在用單片機(jī)對(duì)鍵盤(pán)處理的時(shí)候涉及到了一個(gè)重要的過(guò)程，那就是鍵 盤(pán)的去抖動(dòng)。這里說(shuō)的抖動(dòng)是機(jī)械的抖動(dòng)，是當(dāng)鍵盤(pán)在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電 平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象，并不是我們?cè)诎存I時(shí)通過(guò)注意可以避免的。這種抖動(dòng)一般10200 毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動(dòng)時(shí)間對(duì)于人來(lái)說(shuō)太快了，而對(duì)于時(shí)鐘是微秒的單片 機(jī)而言則是慢長(zhǎng)的。碩件去抖動(dòng)就是用部分電路對(duì)抖動(dòng)部分加之處理，軟件去抖動(dòng)不 是去掉抖動(dòng)，而是避抖動(dòng)部分的時(shí)間，等鍵盤(pán)穩(wěn)定了再對(duì)其處理。所以這里選擇了軟 件去抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)法是先査尋按鍵當(dāng)有低電平出現(xiàn)時(shí)立即延時(shí)10200毫秒以避開(kāi)抖動(dòng) （經(jīng)典值為20毫秒），延時(shí)結(jié)束后再讀一

42、次I/O 口的值，這一次的值如果為1表示低 電平的時(shí)間不到10200毫秒，視為干擾信號(hào)。當(dāng)讀出的值是0時(shí)則表示有按鍵按下, 調(diào)用相應(yīng)的處理程序。硬件電路如圖5. 6所示：GND圖36按鍵電路圖6系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序主要包括主程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、報(bào)警子程序和按鍵子程序等。6.1主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)距離的顯示、讀出并處理HC-RS04的測(cè)量距離值，按 鍵控制有效距離限制，當(dāng)測(cè)量的值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。主程序流程圖如圖6.1所示。6.2顯示數(shù)據(jù)子程序顯示數(shù)據(jù)子程序的主要功能就是把超聲波模塊測(cè)量后的結(jié)果經(jīng)單片機(jī)處理完畢 的距離顯示在數(shù)碼管上。顯示數(shù)據(jù)子程序流程圖如圖6.2所示。開(kāi)始r賦型和位/結(jié)朿圖6.2顯示數(shù)據(jù)子流程圖6.3報(bào)警子程序報(bào)警子程序的主要功能是在距離值超過(guò)預(yù)警值時(shí)，能夠使蜂鳴器發(fā)聲從而達(dá)到報(bào) 警的目的。報(bào)警子程序流程圖如圖6.3所示。圖6.3報(bào)警子流程圖6.4按鍵子程序按鍵子程序的主要功能是有效距離可調(diào)，功能鍵調(diào)整上限，再次功能鍵調(diào)整下限, 再次按功能退出。按鍵子程序流程圖如圖6.4所示。圖6.4按鍵子流程圖本論文中雖然對(duì)安全距離模型進(jìn)行了改