基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系 部：學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： XXX 2011 年 3 月 26 日聲 明本人所呈交的 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ，是我在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和查閱相關(guān)著作下獨(dú)立進(jìn)行分析研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說(shuō)明并表示謝意。作者簽名： 日期： 2011、3、26 【摘要】超聲波技術(shù)是一門各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)，它是通過(guò)超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。超聲波指向性強(qiáng)，能量耗損緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用

2、于距離的測(cè)量。利用超聲波測(cè)距迅速、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，因此得到廣泛應(yīng)用。目前超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)部門的超聲波探測(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為主控芯片，利用單片機(jī)程序產(chǎn)生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)，單片機(jī)通過(guò)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)程序的設(shè)計(jì)利用四位數(shù)碼管將探測(cè)結(jié)果直觀顯示出來(lái)?；趩纹瑱C(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)，成本低，精確度高，并

3、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】：?jiǎn)纹瑱C(jī)，超聲波，測(cè)距ABSTRACTSCM is an integrated circuit chip, ultra-large scale integrated circuit technology is used with data processing capabilities to the central processing unit CPU random access memory RAM, read-only memory ROM, a variety of I / O port and interrupt system, tim

4、ers / timer other functions (and possibly the display driver circuit, pulse width modulation circuit, analog multiplexers, A / D converter circuit) into a single silicon wafer consisting of a small but complete computer system.SCM has a simple structure, control, light weight, etc., in the machinery

5、 and electronics, aerospace, metallurgy and many other areas of mining, and household appliances have been widely used, played a huge role.Ultrasonic point to strong energy dissipation is slow, the spread in the medium distance, and therefore frequently used ultrasonic distance measurement.Using ult

6、rasonic ranging rapid, convenient, simple computation and easy to do real-time control and measurement precision can be achieved in the practical requirements of industry, so widely used.Ultrasound technology is a common technique used in all walks of life to be, it is through ultrasound generation,

7、 transmission and reception of the physical process of completion.Ultrasound technology is currently widely used in various industrial sectors of the ultrasonic probe, ultrasonic welding, ultrasonic testing and ultrasonic medical care.Ultrasonic distance measurement system based on single chip easy

8、to implement, low cost, high accuracy and easy real-time control, with a strong practical.【KEY WORD】: microcontroller, ultrasound, ranging目 錄引言1一、 超聲波測(cè)距原理1（一）超聲波發(fā)生器1（二）壓電式超聲波發(fā)生器原理1（三）超聲波測(cè)距原理2二、單片機(jī)STC89C52RC3（一）單片機(jī)簡(jiǎn)介3（二）單片機(jī)引腳功能3三、系統(tǒng)的組成5四、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)5（一）超聲波發(fā)射電路5（二）超聲波接收電路6（三）超聲波傳感器7（四）顯示電路8（五）復(fù)位電路9（六）時(shí)鐘電路

9、10（七）電源電路10（八）單片機(jī)程序ISP下載接口11五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)11（一）主程序11（二）中斷服務(wù)程序12（三）距離計(jì)算子程序13（四）顯示子程序15六、電路安裝調(diào)試16（一）實(shí)物焊接16（二）電路調(diào)試17結(jié)束語(yǔ)18參考文獻(xiàn)19附錄一 原理圖20附錄二 PCB圖21附錄三 元件清單22附錄四 源程序24致 謝34引言由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(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)。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。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工

10、地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為距離測(cè)量的理想手段。一、 超聲波測(cè)距原理（一）超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：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、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 （二）壓電式超聲波

11、發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。圖1 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。（三）超聲波測(cè)距原理在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲測(cè)距大致有以下方法：一種是取輸出脈沖的平均值

12、電壓，該電壓(其幅值基本固定)與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；另一種是測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，如圖2所示，故被測(cè)距離為 S= vt2。本系統(tǒng)測(cè)量采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，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３暡y(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?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)。圖2 超聲波測(cè)距原理假定S為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為t（s），超聲波傳播速度為v（

13、m/s）表示，則有關(guān)系式(1) S=vt2 (1)在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按式(2)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。溫度與聲速的關(guān)系參照表1。v=3314+0607T (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?？紤]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（1）作為參考公式。表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)313319322331337344350二、單片機(jī)STC89C52RC（一）單片機(jī)簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)中選用的宏晶科技的STC89C52R

14、C型單片機(jī)是一種低功耗、高性能、采用CMOS工藝的8位微處理器，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。片內(nèi)8K Flash存儲(chǔ)器可在線重新編程，或使用通用的非易失性存儲(chǔ)器編程器。由于一般的距離測(cè)量中，距離的變化速度并不太快，而且單片機(jī)的機(jī)器周期可達(dá)s級(jí)，則其計(jì)時(shí)精度為s級(jí)，完全可以滿足系統(tǒng)測(cè)量的要求，并且成本較低，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)。（二）單片機(jī)引腳功能

15、STC89C52RC采用40Pin封裝的雙列直插DIP結(jié)構(gòu)。40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。STC89C52RC的引腳圖如圖3所示，其引腳功能如下：1. Pin20:接地腳。2. Pin40:正電源腳，工作時(shí)，接+5V電源。3. Pin19:時(shí)鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。4. Pin18:時(shí)鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。5. STC89C52RC的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時(shí)鐘方

16、式，即將XTAL1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從XTAL2腳輸入。6. 輸入輸出(I/O)引腳：Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳。Pin1-Pin8為P1.0-P1.7輸入輸出腳。Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳。圖3 STC89C52RC引腳圖7. Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)STC89C52RC通電，時(shí)鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。STC89C52RC的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部RAM的

17、數(shù)據(jù)不丟失。8. Pin30:ALE當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。9. Pin29:當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。10. Pin31:EA/Vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，STC89C52RC和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kB的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電

18、平并且程序地址小于4kB時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)，而超過(guò)4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。三、系統(tǒng)的組成本系統(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4所示。圖4 系統(tǒng)組成框圖四、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（一）超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器能向外界發(fā)出40kHz左右的方波脈沖信號(hào)。40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)P1.0端

19、口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74AS04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖5所示。圖中輸出端上拉電阻R5，R6，一方面可以提高反向器74AS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。圖5 超聲波發(fā)射電路（二）超聲波接收電路圖6 超聲波接收電路上述超聲波發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器進(jìn)

20、行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，本設(shè)計(jì)采用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路如圖6所示?？梢钥吹?，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060kHz。本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。CX2010

21、6內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過(guò)程如下：接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到STC89C52RC的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。本設(shè)計(jì)使用的CX20106A集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，其總放大增益80db。 （三）超聲波傳感器圖7 超聲波傳感器超聲波發(fā)射接收頭為本設(shè)計(jì)中的主要元件，如圖7所示，其中標(biāo)有T字樣的是發(fā)射頭，標(biāo)有R字樣的是

22、接收頭。圖7中左側(cè)上面兩個(gè)為發(fā)射頭與接收頭的背面引腳。左側(cè)下面兩個(gè)為超聲波傳感器的正面視圖，右邊為超聲波傳感器的側(cè)面視圖。安裝時(shí)應(yīng)保持超聲波發(fā)射頭與接收頭的中心軸線平行并相距48cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。發(fā)射接收頭的主要參數(shù)如下： 1型號(hào)：TCT40-12R/T(直徑12mm）2標(biāo)稱頻率（KHz）：40KHz3發(fā)射聲壓at10V（0dB=0.02mPa）：117dB4接收靈敏度at40KHz (0dB=V/ubar)：-65dB5靜電容量at1KHz,1V (PF)：200030%（四）顯示電路超聲波測(cè)距系統(tǒng)的顯示要求比較簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果

23、采用十進(jìn)制數(shù)字顯示。只需能顯示0-9的數(shù)字，且顯示穩(wěn)定無(wú)閃爍即可。因此顯示部分采用七段半導(dǎo)體數(shù)碼管即LED。根據(jù)各管的極管接線形式，可分為共陰極型和共陽(yáng)極型。在共陰極接法中，LED數(shù)碼管的a-g七個(gè)發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。而在共陽(yáng)極接法中，剛好與共陰極接法相反。LED數(shù)碼管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。LED顯示有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式，本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)顯示方式，電路結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。本設(shè)計(jì)通過(guò)軟件的編譯來(lái)實(shí)現(xiàn)由二進(jìn)制到BCD碼的轉(zhuǎn)化，從而簡(jiǎn)化了顯示電路。但是，在制作超聲波測(cè)距系統(tǒng)的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)LED顯示，電流較小，LED雖然有顯示但是比較暗，因此

24、顯示電路采用簡(jiǎn)單的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管,位碼用9012驅(qū)動(dòng)。 圖8 顯示電路本設(shè)計(jì)的顯示電路采用四位一體共陽(yáng)數(shù)碼管利用單片機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字型碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺(jué)暫留作用，使人的感覺(jué)好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。本電路中單片機(jī)的P0.0至P0.7依次控制段碼a、b、c、d、e、f、g、h。利用P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口控制位選，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示的目的。顯示電路采用簡(jiǎn)單的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管,位碼用9012驅(qū)動(dòng)。（五）復(fù)位電路圖9 單片機(jī)復(fù)位電

25、路本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路如圖9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C9與電阻R19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。當(dāng)VCC上電時(shí)，C9充電，在10K電阻R19上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；幾個(gè)毫秒后，C9充滿，10K電阻R19上電流降為0，電壓也為0，使得單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。工作期間，按下S1，C9放電。 S松開，C9又充電，在10K電阻R19上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入

26、工作狀態(tài)。單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C9的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用1030uF，51單片機(jī)最小系統(tǒng)電容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。（六）時(shí)鐘電路圖10 單片機(jī)時(shí)鐘電路本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路如圖10所示，時(shí)鐘電路主要結(jié)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)，C10與C11為負(fù)載電容。晶振與單片機(jī)的腳XTAL0和腳XTAL1構(gòu)成的振蕩電路中會(huì)產(chǎn)生諧波，這個(gè)諧波對(duì)電路的影響不大,但會(huì)降低電路的時(shí)鐘振蕩器

27、的穩(wěn)定性。為了電路的穩(wěn)定性起見(jiàn),ATMEL公司建議在晶振的兩引腳處接入兩個(gè)10pf-50pf的瓷片電容接地來(lái)削減諧波對(duì)電路的穩(wěn)定性的影響,所以晶振所配的電容在10pf-50pf之間都可以，本設(shè)計(jì)C1O、C11采用22Pf。單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。單片機(jī)最小系統(tǒng)起振電容C10、C11一般采用1533pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好。（七）電源電路圖11 穩(wěn)壓電源電路為確保單片機(jī)的工作電壓為穩(wěn)定的5V，本設(shè)計(jì)使用5V穩(wěn)

28、壓電路，電源電路如圖4-7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，三端穩(wěn)壓芯片LM7805組成的穩(wěn)壓電路所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便。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L(zhǎng)M7805加散熱器， （八）單片機(jī)程序ISP下載接口圖12 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

29、載接口，如圖12所示。通過(guò)ISP下載線將電腦和電路板連接，打開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。五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，軟件主要完成測(cè)量過(guò)程控制、精確計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)計(jì)算及結(jié)果處理等功能。系統(tǒng)采用單片機(jī)內(nèi)部自帶的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0中斷功能，對(duì)發(fā)射到接收的時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)時(shí)。而且為了節(jié)約硬件成本，系統(tǒng)采用單片機(jī)發(fā)出40kHz方波信號(hào)，由方波輸出程序控制單片機(jī)管腳P1.0輸出方波信號(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),然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)

30、數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。（一）主程序超聲波是通過(guò)P1.0 端口發(fā)出超聲波脈沖信號(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)。超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào),一旦接收到返回超聲波信號(hào)( 即INT0 引腳出現(xiàn)低電平),立即進(jìn)入中斷程序。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。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。由于采用12MHz的晶振，機(jī)器周期為1us,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中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)

31、間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離,設(shè)計(jì)時(shí)取聲速為340m/s則有：S=(V*T0)/2=17T0/1000cm（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)制BCD碼方式讓四位LED顯示,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。主程序流程圖如圖13所示。 YESNO開 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)間開啟INT0中斷準(zhǔn)備接收回波有無(wú)回波信號(hào)？關(guān) 閉 定 時(shí) 器讀 取 計(jì) 數(shù) 值計(jì) 算 距 離顯示測(cè)量結(jié)果圖13 主程序流程圖（二）中斷服務(wù)程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送超聲波信號(hào)頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T

32、0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。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)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(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。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溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。然后重新發(fā)射超聲波，等待回波信號(hào)，中斷服務(wù)程序的流程圖如圖14所示。YES定時(shí)中斷入口定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波返回停止發(fā)射發(fā)射完成?NO圖14 中斷服務(wù)程序流程圖（三）距離計(jì)算子程序在主程序中已經(jīng)介紹了障礙物距離的計(jì)算公式為：S=(V*T0)/2=17T0/1000cm（

33、其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值），由于本次設(shè)計(jì)使用的是匯編語(yǔ)言，所以需要調(diào)用乘法與除法子程序。距離計(jì)算程序的流程圖如圖15所示。超聲波距離計(jì)算方法設(shè)計(jì)原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(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（障礙物）后反射回來(lái)，回波被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)射超聲波到接收到超聲波信號(hào)所用的時(shí)間，就可以利用上述公式計(jì)算出超聲波發(fā)生器與被測(cè)物體之間的距離。在啟動(dòng)發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)的同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射與接收到回波之間的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波（回波）時(shí)，接收芯片CX20106的輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)

34、求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差T0。開外部中斷返回讀取計(jì)數(shù)值 調(diào)用乘法子程序 調(diào)用除法子程序 結(jié)果輸出 關(guān)外部中斷外部中斷入口圖15 距離計(jì)算子程序流程圖所以在距離計(jì)算的過(guò)程中，首先要讀取計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值，即可得到從發(fā)射超聲波脈沖到接收到回波信號(hào)之間的時(shí)間差。利用這個(gè)時(shí)間差和超聲波的傳播速度還有公式：S=(V*T0)/2=17T0/1000cm 就可以調(diào)用乘法子程序與除法子程序，從而計(jì)算與障礙物之間的距離。（四）顯示子程序調(diào)用下一字符位碼右移一位調(diào)用要顯示的字符處理數(shù)據(jù)發(fā)送位碼發(fā)送段碼延時(shí)四位顯示完?等待計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)YESN O圖16 顯示子程序流程圖中斷

35、計(jì)數(shù)值分別放在44h、45h單元中，顯示子程序等待數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成后為十進(jìn)制BCD碼。在顯示數(shù)據(jù)時(shí)，為了節(jié)省I/O端口資源，降低功耗，本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。其中P0口是段碼，低電平有效。P2口是位碼，低電平有效。P2.7口控制最高位，一直到P2.4口控制最低位。但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的位選端，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。顯示子程序的流程圖如圖16所示。四個(gè)數(shù)碼管的段碼都是P0口的輸出,即四個(gè)數(shù)碼管輸入的段碼都是一樣的,

36、 為了使其分別顯示不同的數(shù)字, 對(duì)已處理數(shù)據(jù)查表從高位顯示，經(jīng)過(guò)延時(shí)再顯示第二位、再經(jīng)過(guò)一段延時(shí)，依次下去直到最低位，然后循環(huán)。這樣測(cè)試結(jié)果可通過(guò)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示方法顯示出來(lái)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的。六、電路安裝調(diào)試（一）實(shí)物焊接基于各種原因，沒(méi)有按照PCB圖做實(shí)物，而是用通孔板根據(jù)原理圖，將測(cè)試實(shí)物做出來(lái)，首先將所有元器件準(zhǔn)備好，用萬(wàn)用表檢測(cè)元件的好壞，確保所有元器件都是完好后才可以準(zhǔn)

37、備焊接，因?yàn)槭芡装宓南拗?，元件的布局沒(méi)有按照PCB圖布置，原來(lái)的PCB圖只作為參考，為了方便后期的包裝，決定把顯示電路部分單獨(dú)做在一塊小通孔板上面。具體如圖17所示。 圖17 焊接測(cè)試電路過(guò)程一切準(zhǔn)備妥當(dāng)后，可以著手準(zhǔn)備焊接，在電路焊接的過(guò)程中主要注意焊接表面必須保持清潔，焊接時(shí)溫度、時(shí)間要適當(dāng)，加熱均勻，焊接必須可靠，保證導(dǎo)電性能，另外還要注意烙鐵頭的保護(hù)，在不用時(shí)應(yīng)加焊錫保護(hù)，防止被氧化。電路板焊接完成后用萬(wàn)用表檢查是否有電路焊接錯(cuò)誤之處，確認(rèn)無(wú)誤后加電測(cè)試，數(shù)碼管正常點(diǎn)亮，測(cè)試電路硬件部分完成如圖18。 圖18 測(cè)試電路實(shí)物（二）電路調(diào)試硬件電路制作完成并調(diào)試好后, 便可將程序編譯好下

38、載到單片機(jī)試運(yùn)行。系統(tǒng)調(diào)試完后對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析, 不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。由于電路元件參數(shù)誤差，以及程序設(shè)計(jì)并不是很完善，所以實(shí)際測(cè)量過(guò)程中誤差很大。所以程序有待進(jìn)一步改進(jìn)。圖19 波形測(cè)試圖電路上電之后，用萬(wàn)用表測(cè)試包括單片機(jī)在內(nèi)的所有芯片電壓是否正常，判斷一切元件都正常工作后用雙蹤示波器觀察超聲波波形是否正常，同時(shí)觀察芯片CX20106A的7號(hào)引腳電位，當(dāng)有物體擋住超聲波并反射回去被接受頭R接收后，7號(hào)引腳將由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑瑴y(cè)試波形如19所示。在調(diào)試的過(guò)程中，首先確保單片機(jī)已經(jīng)工作，用示波器檢測(cè)P1.0口是否有波形輸出，正常時(shí)應(yīng)為40KHz方波信

39、號(hào),另外還需檢查超聲波發(fā)射端波形輸出正常，如果沒(méi)有輸出說(shuō)明運(yùn)放74ALS04已經(jīng)燒壞，應(yīng)更換。在檢超聲波接收端有無(wú)信號(hào)時(shí)應(yīng)保證超聲波是被物體反射回來(lái)的回波，所以選擇障礙物調(diào)試時(shí)很重要，且障礙物與超聲波探頭的距離不可過(guò)近同時(shí)也不可以過(guò)遠(yuǎn)，以半米左右為宜。在調(diào)試過(guò)程中，可以來(lái)回移動(dòng)障礙物以檢測(cè)超聲波的發(fā)射接收是否正常。在本次設(shè)計(jì)的焊接過(guò)程中，當(dāng)所有電路均焊接正確時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)射端有信號(hào)輸出，但接收端沒(méi)有信號(hào)，用信號(hào)發(fā)生器給CX20106的1號(hào)引腳一個(gè)脈沖信號(hào)，接收電路又能正常工作。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，超聲波換能器是有極性的，帶有小孔的引腳為正極，與外殼相連的引腳為負(fù)極。將極性調(diào)整正確后，電路正常工作。這

40、個(gè)錯(cuò)誤說(shuō)明細(xì)節(jié)決定成敗，任何一個(gè)小環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤將影響整個(gè)系統(tǒng)的失敗。 在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，誤差還是存在的，對(duì)于誤差的產(chǎn)生原因，我認(rèn)為主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：1超聲波發(fā)射與接收探頭與被測(cè)點(diǎn)存在一定的角度，這個(gè)角度直接影響到測(cè)量距離的精確值。2超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)。3由于工具簡(jiǎn)陋，實(shí)際測(cè)量距離也有誤差。影響測(cè)量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等等。結(jié)束語(yǔ)本次設(shè)計(jì)中，我廣泛借鑒各種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，充分考慮了整個(gè)設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)。包括40KHz的方波產(chǎn)生等。但由于條件和技術(shù)所限，對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中的很多誤差，比如超聲波發(fā)射和接收過(guò)

41、程中所產(chǎn)生的誤差沒(méi)有得到有效的校正。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我對(duì)所學(xué)的知識(shí)有了進(jìn)一步的理解，對(duì)單片機(jī)的使用與程序編寫能力以及硬件電路的設(shè)計(jì)焊接調(diào)試能力均有所提高。同時(shí)鞏固了基礎(chǔ)，本次設(shè)計(jì)的完成是與我的專業(yè)知識(shí)是密不可分，良好的基礎(chǔ)是非常重要的，這在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)讓我對(duì)超聲波有了新的認(rèn)識(shí)，對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)不再僅僅只是抽象的概念，有了具體的了解。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，收貨是非常多的，同時(shí)遇到的問(wèn)題也有不少，但通過(guò)自己的努力查找資料，翻閱課本，將問(wèn)題一一解決才是最重要的收貨。通過(guò)本設(shè)計(jì)，我意識(shí)到，任何一件產(chǎn)品的產(chǎn)生，都不是某一方面的知識(shí)技能所能實(shí)現(xiàn)的。而且在電路的設(shè)計(jì)和程序的編寫過(guò)程中，出現(xiàn)很多意想不到的錯(cuò)

42、誤，這些錯(cuò)誤同樣讓我獲益匪淺。通過(guò)本次設(shè)計(jì)我對(duì)自己的專業(yè)技能還是很有信心的，但是在學(xué)習(xí)單片機(jī)方面還是初學(xué)者，特別是程序編寫方面，如果沒(méi)有老師以及同學(xué)的幫助是無(wú)法完成的。所以對(duì)于單片機(jī)的學(xué)習(xí)我還要繼續(xù)加倍的努力，同時(shí)學(xué)好電子電路基礎(chǔ)，這樣才能滿足要求。參考文獻(xiàn)1 沙占友集成化智能傳感器原理與應(yīng)用電子工業(yè)出版社，20042 吳研超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京理工大學(xué)，20053 肖景和，趙健紅外線熱釋電與超聲波遙控電路人民郵電出版社，20034 史諺賓基于AT89C2051的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)航空航天出版社，20065 路錦正,王建勤.超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)成都理工大學(xué)，19996 基于單片機(jī)智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

43、與實(shí)現(xiàn)人民郵電出版社，20057 賴壽宏微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社，20028 王兆安，黃俊電力電子技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社，20039 邱關(guān)源電路高等教育出版社，199910尤一鳴.單片機(jī)總線擴(kuò)展技術(shù)第一版.北京航空航天大學(xué)出版社，199311李鴻.單片機(jī)原理與應(yīng)用.湖南大學(xué),2004.附錄一 原理圖附錄二 PCB圖附錄三 元件清單AT_ISPDC3-10座子STC89C52RCU4單片機(jī)C6330P電容C7104電容C8104電容C9473電容C103.3UF/25V電容C11104電容C15470UF/25V電容C16470UF/25V電容C173.3UF/25V電容C193.3UF/2

44、5V電容C2020P電容C2520P電容D1(電源指示燈)發(fā)光二極管D2206二極管DS10.5數(shù)碼管DS20.5數(shù)碼管DS30.5數(shù)碼管DS40.5數(shù)碼管J3(POWER電源插座J4CX20106接收芯片LS1TX(F)超聲波發(fā)射管LS4RX(S)超聲波接收管Q19012三極管Q29012三極管Q39012三極管Q49012三極管Q69012三極管R81K電阻R91K電阻R102K電阻R112K電阻R122K電阻R132K電阻R144.7電阻R15200K電阻R16220K電阻R171K電阻R181K電阻R191K電阻R201K電阻R251K電阻R261K電阻R281K電阻R291K電阻R3

45、01K電阻R312K電阻R3210K電阻RL1排阻A103排阻XT112MHZ晶振U77805三端穩(wěn)壓管U5(STC89C52RC)IC-40P座子U6(74LS245)IC-20P座子U4(74LS04)IC-14P座子數(shù)碼管插座IC-40P座子附錄四 源程序(僅供參考) ;/ USE BY :超聲波測(cè)距器 IC :STC89C52RC TEL : OSCCAL :XT (12M) display :共陽(yáng)LED顯示 Updata :2011/03/22 NAME :SUNLEI ;/;顯示緩沖單元在40H-43H，使用內(nèi)存44H、45H、46H用于計(jì)算距離 VOUT EQU P1.0 ; 脈沖輸出端口 speakequp1.1;*;* 中斷入口 *;* ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PI