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

1、南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 作作 者者: 學(xué)學(xué) 號：號： 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:超聲波倒車報警系統(tǒng)設(shè)計 指導(dǎo)者：指導(dǎo)者： 高級硬件研發(fā)工程師 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 評閱者：評閱者： (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（論文）評語 學(xué)生姓名： 班級、學(xué)號： 題 目： 超聲波倒車報警系統(tǒng)設(shè)計 綜合成績： 指導(dǎo)者評語： 超聲波倒車報警系統(tǒng)是滿足在倒車時測定障礙物與車輛的安全距 離,防止倒車時對距離判斷不清導(dǎo)致的車輛受損。該生能夠充分利用 超聲這一方式設(shè)計倒車報警系

2、統(tǒng)，思路比較清晰， 設(shè)計比較嚴謹。 同時論文對相應(yīng)的理論和相應(yīng)的設(shè)計邏輯清晰合理。對相應(yīng)的設(shè)計電 路與軟件能夠進行嚴格的驗證，并能夠做出相應(yīng)的實物。 該生能夠充分理解電子工程的相關(guān)基礎(chǔ)理論，同時在設(shè)計過程中 學(xué)習(xí)和補充其它的高級電子設(shè)計知識，完滿完成了該設(shè)計。建議該生 進行并通過畢業(yè)論文答辯。 指導(dǎo)者(簽字)： 2013 年 5 月 14 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語 評閱者評語： 評閱者(簽字)： 年 月 日 答辯委員會（小組）評語： 答辯委員會（小組）負責(zé)人(簽字)： 年 月 日 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計說說明明書書（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、等物理過程。 目前超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于超聲波探測、超聲焊接、超聲檢測和超聲醫(yī)療方面。 本系統(tǒng)設(shè)計利用 stc89c52rc 單片機為主控芯片，利用單片機程序產(chǎn)生頻率為 40khz 方波信號，通過推挽放大驅(qū)動超聲波發(fā)射器向外發(fā)射超聲波信號，同時開 始計時，超聲波信號經(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 將信號傳至單片機，停止計時，單片機計算超聲波發(fā)射與接收之間的時間差，即 可計算障礙物的距離。并通過利用四位數(shù)碼管將探測結(jié)果直觀顯示出來。基于單 片機的超聲波測距系統(tǒng)易實現(xiàn)、成本低、精確度高，并且容易做到實時控制，具 備較強的實用性。 關(guān)鍵詞 單片機 超聲波 測距 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計說

4、說明明書書（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 超聲波的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .1 1.3 超聲波的國外研究現(xiàn)狀 .2 1.4 超聲波測距的實現(xiàn)主要技術(shù) .3 1.5 研究步驟與方法 .5 2 超聲波測距原理 .6 2.1 超聲波測距系統(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 .8 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 .8 3.1 系統(tǒng)工作原理分析 .8 3.2 單片機簡介 .10 3.3 時鐘電路 .12 3.4 復(fù)位電路 .13 3.5 電源電路 .13 3.6 單片機程序 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 .18 4.1 軟件設(shè)計的整體方案分析 .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 遇到的問題與解決方法 .24 5.3 測量結(jié)果對比分析 .24 6 制作的實物 .25 結(jié) 論 .27 致 謝 .28 參 考 文 獻 .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。本著這個宗旨，超聲波測距儀就是利用超聲波功能為我們測距服務(wù)。只有在 20hz - 20khz 頻率范圍的聲音人耳才能聽見，人類聽不見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往往用于距離測量。由于超聲波具有波長短，方向性好以 及能穿透物體等特點，所以在超聲波檢測和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛地運用。該設(shè) 計利用提供了 led 數(shù)碼管顯示電路的小型單片機開發(fā)板以及配合獨立的 hc-sr04 超 聲波傳感器模塊實現(xiàn)測距功能。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間間隔來計算出距離?？紤]到該電路的硬件系統(tǒng)易 于實現(xiàn)，成本低廉，能夠穩(wěn)定可靠的實現(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)能夠準確、方便、快捷地測得測距儀到被測物體間的距離。測距儀在日 常的生活和生產(chǎn)中也有廣泛的應(yīng)用，本文是將超聲波測距技術(shù)運用到倒車報警系統(tǒng) 中，減小因人眼盲區(qū)給用戶帶來的不必要損失。 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，波長短，方向性好以及能穿透物體等特

12、點，因此在測 距儀和液位測量等中得到廣泛地使用。在生活，軍事以及其他領(lǐng)域超聲波測距儀都 具有廣泛的實際應(yīng)用，如日常交通中的超聲波倒車報警系統(tǒng)。由于該設(shè)計是超聲波 倒車報警系統(tǒng)，因此這種測距必須是非接觸式的。設(shè)計者需要擁有扎實的數(shù)、模電 知識，單片機編程能力，超聲波發(fā)射與接收知識，以及能將這幾方面的知識進行有 機結(jié)合的能力。通過單片機的計算和處理，最后將被測物體的距離結(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；測量范圍：2cm 450cm；精度 0.2cm。 1.21.2 超聲波的國內(nèi)研究現(xiàn)狀超聲波的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 近十年來，國內(nèi)科研人員進行了大量理論分析與研究主

13、要包括：超聲波回波信 號處理方法、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，同時提出溫度 補償、接收回路串入自動增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施來減少實際的 誤差。 超聲波測距中，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 越時間的測量精度的影響，同時超聲波探測定位系統(tǒng)的精度和反應(yīng)速度也受此影響。 消除由于回波信號強弱變化而造成的測量時間的誤差主要是通過雙比較器整形結(jié)合 軟件確定回波前沿的測量方法，從而能夠使測量精度得到進一步提高，將超聲波在 空氣中近距離測量達到厘米級的精度。 目前，國內(nèi)學(xué)者對超聲波回波信號處理算法的研究已經(jīng)日漸成熟，超聲波探測 定位的關(guān)鍵技術(shù)仍將是作

14、為一個重要的研究方向。 隨著超聲波發(fā)射和回波信號的處理方法不斷完善，為了進一步拓寬超聲波測距 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問題上。 同時，國內(nèi)一些科研人員在超聲波發(fā)射電路的簡化、發(fā)射功率和頻率的控制、 最大探測距離的提高等方面對新型超聲波換能器進行研究并取得了一定成果，但對 新型超聲換能器制作材料、超聲波發(fā)生機理創(chuàng)新等方面的研究尚有不足。 現(xiàn)金市場上所銷售的超聲波測距系統(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，有效測量距離會因空氣吸收而較快衰減從而導(dǎo)致精度 降低；在通過降低頻率以增大測距范圍時，測距的絕對誤差又會增大。因而該方法 存在測

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 超聲波的國外研究現(xiàn)狀超聲波的國外研究現(xiàn)狀 一般認為，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 的氣哨實驗。在之后的三十年中，超聲波始終是一個鮮為人知的東西，對 超聲波的研究主要受到了當(dāng)時電子技術(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產(chǎn)生和探測超聲波，而且頻率擴 展到兆赫級；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 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節(jié)問題，這些汽笛被證明 在流體中最高功率可達 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)于檢測超聲方法的一項專利。 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物試驗的參數(shù) 結(jié)果，他嘗試各種方法做了這方面的相關(guān)實驗，檢測穿過試驗物體的超聲波能量， 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驗。德國 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 認為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作3。

17、繼 1950 年后，雷達技術(shù)的發(fā)展大大促進了超聲波探傷技術(shù)發(fā)展，由于電子計算 機、激光技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，不僅加速了雷達技術(shù)的發(fā)展，同時也加速了超 聲波技術(shù)的發(fā)展。超聲波的脈沖調(diào)制技術(shù)在無損探測、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 100ghz 的超聲波。繼此之后，超高頻的超聲波開始應(yīng)用于物理學(xué)基礎(chǔ)研 究、通信和計算機技術(shù)等領(lǐng)域中。 1980 年，美國國家儀器有限公司(nationalinstruments)研發(fā)出豐富的軟件技術(shù) 來進行超聲波相關(guān)參數(shù)方面的測試及測量。 1992 年由 fign

18、eroaj.f 提出一種新型超聲波回波計時法，該方法得到的回波時 延是利用峰值和相位相加；這種方法能達到的精度指標為：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差的探測理論。 hanneselmer 于 2007 年提出實現(xiàn)超聲波測距的高分辨率的方法,并且利用編碼信 號對高精度的超聲波測距系統(tǒng)進行了研究和探索。 2008 年，美國普力塞思測距儀公司在基于超聲波測距原理的前提下推出了一系 列的，體積相對較小、更加易于攜帶，可以用于不同程度的測高檢測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)的進一步普及，超聲波 相關(guān)方面的檢測技術(shù)也得到進一步的發(fā)展。美國 apresys 測距儀公司已經(jīng)研制出一 系列的能夠滿足各種不同要求的超聲波測距儀，實現(xiàn)了更加高速和精確的長寬高等 單一元素的測量及面積等符合元素的測量。新型超聲檢測儀接連不斷的出現(xiàn)，使該 技術(shù)在無損探傷、測溫、測距、流量測量、液體成分測量等方面的應(yīng)用領(lǐng)域得到不 斷的擴大。 1.41.4 超聲波測距的實現(xiàn)主要技術(shù)超聲波測距的實現(xiàn)主要技術(shù) 超聲波測距實現(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字信號處理 dsp（digital signal processing ）技術(shù)、現(xiàn)場可編程門陣列 fpga（fieldprogrammable gate

20、array ）技術(shù)、單片機技術(shù)等。 數(shù)字信號處理（dsp）是將電子信號通過處理轉(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)字信號處理與模擬信號處理是信號處理。 數(shù)字信號處理主要是對連續(xù)的模擬信號進行濾波處理或者精確測量。所以需要 將所要處理的信號在模擬域和數(shù)字域之間進行轉(zhuǎn)換才能對其進行數(shù)字信號處理，這 通常是需要通過 a/d 轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。但是最終還是將經(jīng)過數(shù)字信號處理過的輸出 結(jié)果變換到模擬域，這就需要通過 d/a 轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。 數(shù)字信號處理的算法往往需要利用計算機方面的設(shè)備或者專門用于處理 dps 的 設(shè)備，如數(shù)字信號處理器（dsp）和專用集成電路（asic）等。數(shù)字信號處理

21、技術(shù)及 設(shè)備具有靈活性強、精確度高、抗干擾能力強、設(shè)備尺寸小、造價低、速度快等突 出優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。 現(xiàn)場可編程門陣列（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 芯片就足以實現(xiàn)數(shù)百片甚至成千上萬個標準數(shù)字集成電路能實現(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)自己的需要對邏輯 單元、可編程內(nèi)部連線和 i/o 單元進行編輯，而且可以實現(xiàn)的邏輯功能更加廣泛， 基本上可以滿足用戶的各種設(shè)計需求。其速度快，功耗低，通用性強

22、，在復(fù)雜的系 統(tǒng)設(shè)計中得到廣泛地使用。fpga 還可以實現(xiàn)在線系統(tǒng)、重構(gòu)動態(tài)的配置及硬件通過 程序軟化、軟件通過硬件進行硬件化等功能。 我們在基于傳統(tǒng)試驗及控制器的研制過程中，把微機技術(shù)和 fpga 技術(shù)兩者做了 有機的集合，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，并且達到了操作簡便而又不缺 乏先進的技術(shù)性，從而避免了由于高頻疲勞試驗機控制器控制規(guī)模上的龐大，功能 復(fù)雜等缺點4。 單片微型計算機簡稱單片機 ，單片機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、只讀存儲器 rom、隨機存儲器 ram、定時器/計

23、時器等功能 （可能還包括顯示驅(qū)動電路、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)成的一個小而完善的微型計算機系 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 能夠準確地、快速地、高效地完成程序設(shè)計者預(yù)先規(guī)定好的任務(wù)6。 因此，單片機的最大的特征就是它可以單獨地現(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， 因而在各個領(lǐng)域都得到了迅猛的發(fā)展。其主要特點可歸納如下：高性價格比。高集 成度、所

24、占空間小、高可靠性，由于單片機把各個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工作 的的可靠性與抗干擾能力；另外，由于單片機體積小的優(yōu)點，在強磁場環(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姡瑔纹瑱C 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行速度，單片機對二者的要求是 均高于同檔次的微機。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，從而縮小單片機的體積及結(jié)構(gòu)

25、的 簡化。單片機的系統(tǒng)擴展和系統(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，局限于開發(fā)環(huán)境并且切合于畢業(yè)設(shè)計的實際條件情況的多方面考慮 因素，本設(shè)計采用單片機開發(fā)技術(shù)來實現(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 超聲波測距的硬件系統(tǒng)主要由單片機硬件系統(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立的發(fā)送和接收到兩種。 本設(shè)計采用超聲波傳感器發(fā)射接受分離式。單片機的應(yīng)用及語言：比較常用的單片 機有 intel 公司的 mcs-51 系列單片機，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。軟件的實現(xiàn)何以用 c 語言或匯編語言來實 現(xiàn)。本設(shè)計考慮到功能和成本選取了 stc89c52rc 單片機做控制器。顯示器：液晶顯 示我們可以使用北京精電蓬遠顯示技術(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)計選用八段數(shù)碼管 led 做顯示器件。超聲波測距的范圍和 精度：由于實際需要和傳感器的性能限制，測距都要有一定的范圍和精度，所以在 設(shè)計測距儀時應(yīng)該考慮這兩方面的技術(shù)要求。本設(shè)計選取的傳感器要能達到要求的 測量范圍和精度。 1.5.2 軟件的設(shè)計 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主要部分

27、 組成超聲波測距儀的軟件系統(tǒng)。我們知道，c 語言程序有利于更復(fù)雜的算法，匯編 語言編程效率高，精確計算運行時間，匯編語言程序設(shè)計簡單。 2 2 超聲波測距原理超聲波測距原理 2.12.1 超聲波測距系統(tǒng)分析超聲波測距系統(tǒng)分析 在超聲波探測電路中，由于輸出脈沖的個數(shù)與被測的距離成正比，即被測量的 距離越大，那么它的脈沖寬度就越寬，這個脈沖寬度就是發(fā)射超聲波的時間間隔。 超聲波測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 接收超聲波的時間間隔 t；另一種就是根據(jù)輸出脈沖的平均值電壓與測量的距離成正 比的關(guān)系得到測量結(jié)果。 本系統(tǒng)的測量采用第一種方案。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，則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通 過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲 波在標準空氣中的傳播速度為 331.45 米/秒，由單片機負責(zé)計時，單片機使用 12.0mhz 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級5。 假定 s 為超聲波測距模塊到被測物體之間的距離，被測時間為 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)生器由兩個壓電晶片以及一個共振板組成，并且它是利用壓電 晶體的諧振方式來進行工作的。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，當(dāng)交流電的頻率與諧振頻率相等的情況 下，壓電晶體就會產(chǎn)生共振效應(yīng)，繼而產(chǎn)生超聲波。若沒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，就會產(chǎn)生一個電壓輸出，這個就是壓電 效應(yīng)。所以此時只能做超聲波接收器了。 2.32.3 超聲波測距誤差分析超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式 s=vt (2.3) 可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。 2.3.1 時間誤差 當(dāng)要求測量誤差小于 1mm 時，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、。在測距上的誤差為：st(0.001/344) 0.000002907s 即 2.907s 若想將超聲波測距的結(jié)果誤差控制在 1mm 以內(nèi)，就必須將超聲波往返的時間差值 精度控制在微秒級，當(dāng)然要達到這一要求的前期必須是在空氣中超聲波的相對傳播 速度非常準確的情況下。89c51 單片機是采用 12mhz 晶振作為時鐘基準的，所以能很 方便的達到 1s 的精度。該系統(tǒng)采用的是以 51 為內(nèi)核的定時器的 stc89c52rc 單片 機，以此確保它的距離誤差在 1mm 的測量范圍以內(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時超聲波速度是 332m/s,30時是 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的聲速測量 100m 距離所引起 的測量誤差將達到 5m，測量 1m 誤差將達到 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)超聲波測距的原理，目前較簡單實用的測距方法有兩種：一種是適用于身 高計的，在被測距離的兩端設(shè)置一端為發(fā)射端，另一端則為接收的直接波方式；另 一種是適用于測距儀的，它是利用發(fā)射波被被測物體反射

33、回來之后接收反射波的方 式達到測距的目的。本文系統(tǒng)的設(shè)計就是采用第二種。 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，但是它在傳播的過程還是會遇到不同頻率帶來的不同程度的衰減，所以 超聲波傳感器的選擇決定了測距儀的分辨率；短距離測量的時候應(yīng)該選擇高頻率的 傳感器，因為高頻率則高分辨率。反之，長距離的測量時就應(yīng)該選用低頻率的傳感 器9。 2.52.5 系統(tǒng)整體方案設(shè)計系統(tǒng)整體方案設(shè)計 超聲波常用于距離的測量是因為超聲波具有能耗慢，波長短，方向性好以及能 穿透物體等特點。由于超聲波測距設(shè)計的軟、硬件系統(tǒng)都比較容易實現(xiàn)，計算和處 理的過程也不會太復(fù)雜，容易實現(xiàn)工業(yè)

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

35、據(jù)。 障 礙 物 圖 3.1 超聲波測距儀原理圖框圖 由圖 3.1 可以看出，硬件電路設(shè)計主要包括單片機系統(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 單片機微控制器系列兼容系 列代替。單片機對超聲波發(fā)射器進行控制，超聲波接受器把檢測的信號輸入到單片 機中，然后通過內(nèi)部程序傳輸?shù)男盘栠M行分析，計算和處理，由 led 數(shù)碼管顯示測 量距離的最終值。 該系統(tǒng)設(shè)計主要利用 stc89c52rc 為主控芯片，通過其配合發(fā)射電路，接收電路 以及顯示電路的協(xié)調(diào)工作，最終實現(xiàn)超聲波測距的目的，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 驅(qū)動電路 數(shù)碼管 led 顯示 發(fā)射電路 接收電路 mcu stc89c52rc 單片機外圍電路 顯 示 電 路 圖 3.2 系統(tǒng)組成框圖 3.23.2 單片機簡介單片機簡介 單片機，亦稱單片微電腦或單片微型計算機（single chip microcomputer） 。 它是中央處理單元（cpu） ，隨機存取存儲器（ram 或 eprom，eeprom）中，只讀存 儲器（rom） ，定時器/計數(shù)器，輸入/輸出端口（i/ 0）和其他主要功能集成到在一 個集成電路計算機芯片的微型計算機。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，浮點運算和其他

37、特殊功能的新類型7。 本設(shè)計中選用的單片機型號是宏晶科技的 stc89c52rc，它是一種與工業(yè)標準型 80c51 單片機的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容的單片機，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 存儲器，或者采用的 存儲器編程器是通用的非易失性的。在一般的距離測量中，距離的變化速度不會太 快，而且單片機可達到 s 級別的機器周期，即其計時精度能達到 s 級別，因此 完全可以達到系統(tǒng)測量的要求，并且較低的成本，所以本設(shè)計中選用 stc89c52rc 型 號的單片機。 stc89c52rc 單片機,基于 stc89c51 內(nèi)核,是新

38、一代增強型單片機,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,加 密性好，抗干擾強。 主要特性如下：增強型 8051 單片機，6 時鐘/機器周期和 12 時鐘/機器周期可以 任意選擇，完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機指令代碼；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，實際工作頻率可高達 48mhz；8k 字節(jié)的用戶應(yīng)用程序空間；單片機內(nèi)部 集成了 512 字節(jié) ram；通用 i/o 口，復(fù)位后為：p1/p2/p3 是準雙向口，p0 口是漏極 開路輸

39、出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 i/o 口用時，需加上拉電阻； 共 3 個 16 位定時器/計數(shù)器。即定時器 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 定時器軟件實現(xiàn)的多個通用異步串行口（uart） 。 stc89c52rc 單片機的工作模式：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 單片機產(chǎn)品、系統(tǒng)有可編程 flash 存儲器 8k 字節(jié)空間、可擦寫 1000 次周期、全靜態(tài)的操作：0hz33hz、具有三級加密功能的程序存儲器、32 個 可編程 i/o 口線、3 個 16 位定時器/計數(shù)器、8 個中斷源、全雙工的 uart 串行通道、 低功耗空閑和掉電保護模式、中斷在掉電后依然可喚醒、看門狗定時器。 stc89c52rc 引腳功能描述。p0 口：p0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 i/o 口。用每 位能驅(qū)動 8 個 ttl 邏輯電平作為輸出口。當(dāng)需要訪問外部程序和對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存 儲器時，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 編程時的功能是接收指令字節(jié)；與前面的情況不同的是， 在進行程序校驗時必須外接上拉電阻，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 4 個 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 4 個 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 4 個 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 個中斷源。中斷是指計算機暫停正在執(zhí)行的程序，保留現(xiàn)場后自 動轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的事件，處理完該事件后，到適當(dāng)?shù)臅r候返回斷點，繼續(xù)完成被打 斷的程序。 由于計算機需要在工作時可以及時的處理系統(tǒng)中許多隨機的參數(shù)和信息，所以 需要計算機解決 cpu 域外設(shè)置減速度匹配的問題，而中斷技術(shù)能很好的解決這個問 題，與此同時也大大的提高了計算機處理故障與應(yīng)變的能力。5 個中斷源分別為：外 部中斷 int0、外部中斷 int1、定時器中斷 0、一個定時器中斷 1 和一個串行口中斷。 中斷源內(nèi)部都有個特殊功能寄存器 ie，用戶可以通過清除或置位 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，使用時需要將 ea 置 1。 中斷源是在一個計算機系統(tǒng)對中斷請求的來源，中斷可以人為設(shè)定，它可以在 應(yīng)對突發(fā)隨機事件設(shè)置。通常的 i / o 設(shè)備，實時控制系統(tǒng)的故障隨機參數(shù)和信息 源等。 較高優(yōu)先級的中斷，那么到更高的優(yōu)先級響應(yīng)。當(dāng)運行時，中斷服務(wù)程序，另 一個中斷高優(yōu)先級中斷請求產(chǎn)生，當(dāng)電流 cpu 中斷服務(wù)將暫停高級別中斷處理應(yīng)用， 可完成先進的中斷處理程序中斷程序關(guān)閉，然后再返回到 cpu 原始點繼續(xù)這一過程。 3.33.3 時鐘電路時鐘電路 本設(shè)計的時鐘電路如圖 3.4 所示，時鐘電路主要結(jié)

44、合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片 機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快， 單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。 y1 為 12mhz 晶體振蕩器，單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，c3 與 c5 為負載電容。單片機的振蕩電路由晶振和單片機的 xtal0 和 xtal1 端組成，振 蕩電路在工作時會產(chǎn)生諧波從而降低時鐘電路的穩(wěn)定性，但是對整個電路的工作影 響不大。atmel 公司提出采用兩個 10pf-50pf 的瓷片電容，使其一端接入晶振的兩個 引腳，另一端接地來消減諧波對時鐘電路穩(wěn)定性的影響，本設(shè)計 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，電容相當(dāng)于短路，此時電阻上的電壓等于 vcc，經(jīng)過一段時間后 電阻電壓逐漸變小直至為 0，以達到上電復(fù)位的目的。同時只要按下 s1 按鍵，同樣 可以達到復(fù)位的目的。 圖 3.5 單片機復(fù)位電路 單片機的復(fù)位方法是讓 vcc 上電，從而電容 c11 有交流電流通過，使得電阻 r22 上有電壓；在僅僅很短時間內(nèi)，c11 就被充滿了，此時 r22 開

46、路，從而使單片機進行 工作。在工作期間內(nèi)，c11 通過按下 s18 進行放電。 根據(jù)公式：=r*c 可知，最小的單片機系統(tǒng)的復(fù)位時間受到復(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)位時間隨 51 單片機最小系 統(tǒng)電容值變大而變短。 3.53.5 電源電路電源電路 本設(shè)計使用穩(wěn)壓電路確保單片機的工作電壓穩(wěn)定在 5v，電源電路如圖 3.6 所示。 本設(shè)計采用三端穩(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)計的功率很小，在電路 實際測量中，lm7805 的輸出電流為

47、 0.4a，遠沒有達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 單片機程序單片機程序 ispisp 下載接口下載接口 圖 3.7 單片機 isp 下載接口電路 為方便單片機的程序下載以及調(diào)試，不需每次燒寫程序時將單片機從電路板上 取下來，本設(shè)計為單片機提供了 isp 程序下載接口，如圖 3.7 所示。通過 isp 下載 線將電腦和電路板連接，打開 isp 下載軟件，軟件會自動搜索到硬件設(shè)備，搜索完 成后，可對單片機進行配置和下載程序。 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 p1.0 端口輸出高電平驅(qū)動振蕩電路產(chǎn)生的 40khz 方波信號一端經(jīng)過反相器送達至超 聲波換能器一端，方波信號的另一端經(jīng)過兩極反相器送達至超聲波換能器另一端。 方波信號經(jīng)過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 強度。為了進一步增強單片機的工作驅(qū)動能力，采用兩個反相器并聯(lián)在輸出端。上 拉電阻 r10、r11 不僅縮短其自由振蕩的時間，而且可以增強反相器的驅(qū)動能力和改 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 是超聲波通過超聲

49、波發(fā)射換能器發(fā)射并在空氣中進行傳播，遇到障礙 物就會返回，為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器進行轉(zhuǎn)換變成電信 號這就需要超聲波的接收部分，其功能就是對電信號進行放大、濾波、整形等處理， 本設(shè)計采用的集成芯片 cx20106 是由索尼公司生產(chǎn)的，中斷信號靠單片機的 p3.2(int0)引腳得到一個負脈沖。接收電路的電路圖如圖 3.9 所示。聯(lián)系實際可以 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、性能相對優(yōu)越、外圍接口比較簡單、成本相 對較低。由于紅外遙控常用的載波頻率 38khz 比較接近于測距的超

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：接收到的回波信號先經(jīng)過前置限幅放大器， 將信號轉(zhuǎn)換成合適的矩形脈沖，其頻率在經(jīng)由濾波器進行選擇后，可以濾除干擾噪 聲信號，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時，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 超聲波檢測接收電路 1腳：超聲信號阻抗約為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)，它們能夠組成負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，前置 放大器的增益和頻率特性通過控制改變它們的數(shù)值。在實際使用中常常選用 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，其靈敏度會相應(yīng)將 低；假使容量小，峰值檢波會使其靈敏度瞬間會相應(yīng)變高，但為了防止其檢波輸出 的脈沖寬度變動大造成較大的誤差，推薦參數(shù)為c6=3.3f。 4腳：接地端。 5腳：該腳通過一個用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0的電阻接入電源間，中心 頻率會隨著其阻值變化。 6腳：利用

52、標稱值c7=330pf積分電容并接在該腳與地之間，探測距離的精度受電 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，以此達到集電極 開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模塊，所以本設(shè)計采用 hc- sr04 超聲波傳感器模塊實現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收。 3.9.1 產(chǎn)品特點 hc-sr04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度 可達高到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)測距，給最少10us的高電平信呈。模塊自動 發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過io口echo輸出 一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電 平時間*聲速(340m/s)/213。 3.9.2 管腳及功能簡介 圖 3.10 hc-sr04 超聲波測距模塊 +5v 供電電源，gnd 接地，trig 觸發(fā)控制信號輸入，echo 回響信號輸出。 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 共陽極 (c) 圖 3.12 數(shù)碼管動態(tài)掃描 每位的段碼線（a、b、c、d、e、f、g、dp）分別與 1 個 8 位的鎖存器輸出相連， 由 stc89c52rc 控制組合 09 十個數(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 段碼對各個顯示位來說都是相同的。 當(dāng)數(shù)碼管正常工作時必須接上拉電阻，數(shù)碼管點亮一般要 510ma 的電流，p0 輸 出電流不到 1ma，同時上拉電阻起到一個限流的作用。 將四位八段數(shù)碼管

55、位選端通過并聯(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)，必須采用延時程序使數(shù)字看起來很連續(xù)14。 4 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計 4.14.1 軟件設(shè)計的軟件設(shè)計的整體方案分析整體方案分析 本系統(tǒng)采用單片機內(nèi)部自帶的定時器/計數(shù)器 t1 的中斷，記錄精確的超聲波的 往返

56、時間。本系統(tǒng)采用方波輸出程序控制單片機管腳 p1.2 輸出 40khz 方波信號。定 時器中斷 1 口負責(zé)監(jiān)測超聲波傳感器有無接收到回波信號,然后單片機不停的檢測 p1.1 引腳，如果超聲波已經(jīng)返回，p1.1 引腳的電平則會由高電平變跳變?yōu)榈碗娖?。計?shù) 器記錄的則是超聲波在介質(zhì)中傳播的往返時間，通過簡單的計算就可以得到要測的 距離。 4.1.1 超聲波時序圖 超聲波測距模塊工作的時候通過給 p1.2 端口發(fā)送脈寬為 12s，頻率為 40khz 的方波信號，并且打開計數(shù)器 t0 進行計時。超聲波測距儀主程序利用單片機的 p1.1 端口檢測回波信號，當(dāng)檢測到回波信號（p1.1 引腳出現(xiàn)高電平)，立

57、即進入中斷程序 并且立即停止計時器 t0 計時。并且同時讀取計數(shù)值，對測量結(jié)果進行計算，然后顯 示測量結(jié)果。本設(shè)計采用的是周期 800ms。下圖 4.1 為 hc-sr04 的超聲波產(chǎn)生的時序 圖。 圖 4.1 超聲波時序圖 4.24.2 主程序主程序 本設(shè)計采用的晶振的中心頻率為 12mhz,計數(shù)器 t0 中的 time 值（即超聲波往返 時間）在主程序檢測到接收成功的標志位之后按式（4.1）計算即可測得兩者之間的 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 為計數(shù)器 t0 的計數(shù)值，超聲波脈沖重復(fù)測

58、量過程，然后經(jīng)過編碼轉(zhuǎn) 換由四位 led 數(shù)碼管顯示測出的距離結(jié)果。主程序流程圖如圖 4.2 所示。 開始 初始化定時器 啟動定時器 t0 發(fā)射超聲波脈沖 延時一段時間 有無回波 信號 關(guān)閉定時器 t0 讀取數(shù)值 time 計算距離 s 顯示測量結(jié)果 y n 回波端口準備接收回 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)的過程： （1） 在每個指令結(jié)束時，系統(tǒng)自動檢測指令中是否含有中斷請求，當(dāng) cpu 遇 到中斷請求信號，那么進入響應(yīng)中斷狀態(tài)。 （2） 保護之前，在一般保護，禁止中斷，以防止現(xiàn)場銷毀現(xiàn)場的一幕。保護 現(xiàn)場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，禁止中斷現(xiàn)場，以防止破壞現(xiàn)場。現(xiàn)場恢復(fù)，開放中斷。 （5） 返回時，cpu 繼續(xù)執(zhí)行被斷點前被中斷的程序。 超聲波測距模塊工作的時候通過給 p1.2 端口發(fā)送脈寬為 12s，頻率為 40khz 的方波信號，并且打開計數(shù)器 t0 進行計時。超聲波測距儀主程序利用單片機的 p1.1 端口檢測回波信號，當(dāng)檢測到回波信號（p1.1 引腳出現(xiàn)高電平)，立即進入中斷程序 并且立即停止計時器 t0 計時。單片機中斷響應(yīng)程序流程圖如圖 4.3 所示。 開始 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 計數(shù)器停止計數(shù) 計數(shù)器中斷 計數(shù)次數(shù)變量加 1 圖 4.3 單片機中斷響應(yīng)程序流程圖 4.44.4 距離計算子程序距離計算子程序 超聲波測量距離的計算公式為： s=(v*time)/2 =time*1.7/10mm (4.1) （其中 time 為計數(shù)器 t0 的計數(shù)值）。距離計算程序的流程圖如圖 4.4 所示。 超聲波距離計算方法設(shè)計原理是當(dāng)超聲波發(fā)生器 t 發(fā)射超聲波信號，直至遇到 障礙物反射回來被超聲波接收器 r 接收到。只要計算出超聲波聲波在介質(zhì)中傳播的 往返時間，