基于單片機的超聲波測距設(shè)計說明書

1、摘要摘要超聲波是頻率高于20KHZ的聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在液位、井深、管道長度的測量、移動機器人定位和避障等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?；诖耍敬卧O(shè)計嘗試使用AT89S52與HC-SR04模塊來實現(xiàn)超聲波的測量，結(jié)合外圍電路模塊實現(xiàn)距離顯示及報警構(gòu)成超聲波測距系統(tǒng)。本次超聲波測距系統(tǒng)由單片機計時及控制電路、超聲波發(fā)射接收模塊、測量距離顯示電路、報警電路等部分組成。詳細介紹了超聲波測距

2、模塊及AT89S52單片機的測距原理。以HC-SR04超聲波測距模塊為核心實現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收。顯示電路采用數(shù)碼管以及三極管顯示控制，報警電路由蜂鳴器與三極管組成。整體電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，測量精度也達到實際應(yīng)用要求。關(guān)鍵詞：超聲波 測距 單片機 HC-SR04AbstractAbstractUltrasound is sound waves with frequency higher than 20KHz, it has strong directivity and consumes energy slowly, at the same time it spreads fart

3、her in the same medium. Therefore ultrasound is often used for distance measurement, such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by it. Use of ultrasonic detection tends to be quickly, convenient and simple calculation, easy to do real-time control. In the measurement pr

4、ecision it can reach industry practical requirement. So in liquid level, well depth, pipe length measurement, mobile robot localization and obstacle avoidance, etc a wide range of applications.This ultrasonic ranging system consists of the single-chip microcomputer timer and control circuit, ultraso

5、und transmitting and receiving modules, the distance display circuit, alarm circuits and other components. Detailed introduces the ultrasonic ranging module and AT89S52 MCU range finder principle. HC-SR04 is the core of the ultrasonic transmitter and receiver. The result displays with digital tube a

6、nd controlled by transistor. And the alarm circuit is composed by buzzer and transistor. The whole circuit is simple structure, low cost, stable work and the measurement accuracy reached the application requirements.Key words: ultrasonic wave ranging MCU HC-SR04目錄目錄前言1第1章 測距儀現(xiàn)狀及意義分析21.1國內(nèi)外現(xiàn)狀21.2本課題研

7、究意義31.3主要內(nèi)容及思路3第2章 總體設(shè)計42.1總體設(shè)計要求42.2總體設(shè)計思路4第3章 硬件電路63.1單片機及其基本電路63.1.1單片機介紹63.1.2 AT89S52介紹63.1.3單片機基本電路93.2 HC-SR04模塊93.2.1 HC-SR04模塊使用器件103.2.2超聲波發(fā)射電路133.2.3超聲波接收電路143.2.4 HC-SR04模塊工作原理143.3顯示電路163.3.1 LED結(jié)構(gòu)與顯示方式163.3.2顯示模塊電路183.3.3顯示子程序183.4報警模塊193.4.1蜂鳴器及其原理193.4.2報警電路及子程序20第4章 程序開發(fā)環(huán)境及流程圖234.1

8、程序語言及開發(fā)環(huán)境234.2主程序流程圖254.3測距程序流程圖27第5章 硬件使用說明305.1 硬件電源說明305.2 硬件操作說明31總結(jié)32致謝33參考文獻34附錄一 超聲波測距儀原理圖附錄二 超聲波測距PCB圖附錄三 源程序I前言前言隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車這項代步工具也走近越來越多的家庭，與此同時交通擁擠的狀況也越來越嚴(yán)重。伴隨著汽車帶來方便的同時，各種事故也層出不窮，其中追尾、倒車碰撞則占據(jù)了很大一部分比例。而在汽車上安裝一個測距防撞報警系統(tǒng)則能很好的幫助解決這一問題。超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量

9、儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，性價比很高。因此在液位、井深、管道長度的測量、移動機器人定位和避障等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此可以將超聲波測距系統(tǒng)應(yīng)用到汽車防撞中。在汽車尾部安裝一個超聲波測距系統(tǒng)，泊車時，系統(tǒng)檢測汽車與障礙物的距離并且利用LED顯示，當(dāng)距離達到某設(shè)定值時實施聲音報警來提醒駕駛?cè)藛T。1第1章 測距儀現(xiàn)狀及意義分析第1章 測距儀現(xiàn)狀及意義分析1.1國內(nèi)外現(xiàn)狀1.國內(nèi)現(xiàn)狀隨著傳感器和單片機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。目前，典型的非接觸式測距方法有超聲波測

10、距、CCD 探測、雷達測距、激光測距等。其中，CCD 探測具有使用方便、無需信號發(fā)射源、同時獲得大量的場景信息等特點，但視覺測距需要額外的計算開銷。雷達測距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進行短距離、高精度測距的優(yōu)點，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。與前幾種測距方式相比，超聲波測距具有以下優(yōu)勢：1、與聲波相比，超聲波具有指向性強、能量消耗緩慢、在介質(zhì)中傳播距離較遠、反射能力強等優(yōu)勢。2、和光學(xué)方法相比，聲音傳播速度小，可以直接測量較近的目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，并具備不受

11、光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，因此對于測量處于黑暗、電磁干擾等比較惡劣環(huán)境中的物體具有很強的適應(yīng)能力，且覆蓋面較大等優(yōu)點。3、超聲波測距系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，測距迅速、方便、計算簡易、易于做到實時控制。國內(nèi)的早期測距儀是基于機械原理的，但隨著世界的電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)位移測距儀在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量領(lǐng)先世界。國內(nèi)對超聲波回報信號處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進行了大量理論分析與研究，并針對超聲波測距的常見影響因素提出溫度補償、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。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，超聲波的應(yīng)用也越來越廣泛。但就

12、目前技術(shù)水平來說，人們利用超聲波的技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在不斷發(fā)展而又前景良好的技術(shù)。目前，超聲波測距系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，如液位、井深、管道長度的測量、移動機器人定位和避障等領(lǐng)域。與此同時對其的精度要求也越來越高，伴隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距應(yīng)用的范圍也會日益擴大。2.國外現(xiàn)狀國外測距儀表早期大多采用機械原理，但近年來隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，逐步向機電一體化發(fā)展，并且總結(jié)了許多新的測量原理。在傳統(tǒng)原理中滲透了電子技術(shù)及微機技術(shù)，結(jié)構(gòu)有了很大的改善，功能有了很大的提高。從國外測距儀發(fā)展的技術(shù)動向看，當(dāng)前國外測距儀新技術(shù)普遍應(yīng)用，普遍采用電子設(shè)計自動

13、化、計算機輔助測試、數(shù)字信號處理、專用集成電路及表面貼裝技術(shù)等。呈現(xiàn)出智能化測距儀、非接觸式測量方式的測距儀、新原理的小型測距。1.2本課題研究意義接觸式測量存在測量費用較高，探頭易磨損，測量速度慢，在測量一些內(nèi)部元件有先天的限制，故欲求得物體真實外形則需要對探頭半徑進行補償，因此可能會導(dǎo)致修正誤差的問題，而利用超聲波測距則可以實現(xiàn)非接觸式測量，解決上述問題。與其他測位方法相比，超聲波測量具有結(jié)構(gòu)簡單、接觸、安裝和維護方便、性能穩(wěn)定可靠且環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢。在現(xiàn)代生活中，機動車的倒車位置監(jiān)控也廣泛運用超聲波測距系統(tǒng)。隨著汽車擁有量的增長，汽車的安全和使用便捷性能受到了空前的關(guān)注。由于存在視覺盲

14、區(qū)，人們在倒車時無法看清楚車子后面的障礙物，很容易刮傷汽車或發(fā)生事故。通過在車身前后安裝超聲測距傳感器可以有效測量車身距障礙物間距離，解除了駕駛員泊車、倒車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷,提高駕駛的安全性。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理具有很大的現(xiàn)實意義，對于本課題的研究還能進一步提高自身對單片機及電路設(shè)計的理解應(yīng)用。1.3主要內(nèi)容及思路本次設(shè)計選用HC-SR04超聲波模塊，該模塊使用的是T40-16T/R超聲波傳感器。根據(jù)其原理設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)電路，對設(shè)計的電路進行分析能夠控制其產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)對超聲波的發(fā)送和接收，從而利用超聲波測

15、距的原理來實現(xiàn)對物體間距離的測量。具體設(shè)計包括基于單片機控制超聲波發(fā)射和接收、LED顯示、蜂鳴器報警等電路。36第2章 總體設(shè)計超聲波測距的原理是通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了，這與雷達測距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2。第2章 總體設(shè)計本設(shè)計采用52單片機為主控，集測量、顯示、報警于一體，要求電路結(jié)

16、構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉適于實際應(yīng)用。2.1總體設(shè)計要求1、測量范圍0.21.5m；2、測量精度1cm；3、LED顯示測量結(jié)果；4、機動車掛入“R”檔，系統(tǒng)工作；5、在1.5m、1m時，以及1m每0.1m蜂鳴器短鳴提示；6、在0.2m時蜂鳴器長鳴示警；7、超聲波收發(fā)傳感器與被測障礙物之間無直接接觸。2.2總體設(shè)計思路在本次設(shè)計中，以52單片機為主控芯片，各部分功能用外部電路來完成，其中包括超聲波測距模塊HC-SR04、顯示電路、報警電路，各部分關(guān)系如圖2-1所示。HC-SR04AT89S52電源 顯示電路 報警電路圖2-1 設(shè)計思路框圖在實物制作測試過程中，由電腦的USB接口為電路板提供電源

17、，在測試完成后則最終由3節(jié)干電池供電。顯示電路將測量距離時時動態(tài)輸出到數(shù)碼管上顯示。HC-SR04由單片機觸發(fā)發(fā)射超聲波，接收到回波信號后給高電平，由單片機計得出時間。報警電路由單片機與三極管控制在設(shè)定的距離內(nèi)啟動蜂鳴器報警。各部分工作流程如圖2-2所示。開始單片機觸發(fā)HC-SR04工作接收引腳掃描計得時間單片機數(shù)據(jù)處理報警顯示數(shù)據(jù)有回波圖2-2 各部分工作流程當(dāng)對應(yīng)按鈕按下時單片機開始工作，對應(yīng)I/O端口輸出14us的高電平，HC-SR04模塊開始工作發(fā)射超聲波，單片機掃描對應(yīng)I/O口，當(dāng)對應(yīng)I/O口變成高電平時開始計時，直到I/O口變成低電平計時結(jié)束再調(diào)用計算子程序處理數(shù)據(jù)，最后由顯示子程

18、序處理顯示最終結(jié)果，如果超出測量范圍則顯示“999”。第3章 硬件電路第3章 硬件電路主要包括單片機基本電路、HC-SR04模塊、顯示電路、報警電路。3.1單片機及其基本電路3.1.1單片機介紹單片微型計算機簡稱單片機。它是在一塊芯片上集成了中央處理器（CPU）、一定容量的RAM和ROM（或EPROM、Flash ROM）、定時/計數(shù)器及I/O接口電路等部件，構(gòu)成一個完整的微型計算機。由于單片機的結(jié)構(gòu)及其所采用的半導(dǎo)體工藝，使之具有顯著特點，其主要特點可以歸納如下：優(yōu)異的性能價格比。集成度高、體積小、有很高的可靠性，由于其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作?？刂乒δ軓?/p>

19、大。一般單片機的指令系統(tǒng)中均含有豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口邏輯指令及位處理功能。低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。外部總線增加了I2C及SPI等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)。單片機系統(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)。3.1.2 AT89S52介紹AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)8031、80C51產(chǎn)品指令引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(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AT8

20、9S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。其具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash、256字節(jié)RAM、32位I/O口線、看門狗定時器、2個數(shù)據(jù)指針、3個16位定時器/計數(shù)器、1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。AT89S52引腳如圖3-1所示。圖3-1 AT89S52引腳圖引腳說明：P0口：P0口是一個8位漏極

21、開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏 輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，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不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 此外，P1.0和P1.1分別作定時器/

22、計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能：P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出。P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）。P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）。P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）。P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）。P2口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用

23、時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強的內(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)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。

24、P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。端口引腳第二功能：P3.0 RXD(串行輸入口)、P3.1 TXD(串行輸出口)、P3.2 INTO(外中斷0)、P3.3 INT1(外中斷1)、P3.4 TO(定時/計數(shù)器0)、P3.5 T1(定時/計數(shù)器1)、P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)、P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)。此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器

25、時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN： 程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52由外部程序

26、存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.3單

27、片機基本電路單片機最小系統(tǒng)如圖3-2，其作用主要是為了保證單片機系統(tǒng)能正常工作。主要由AT89S52單片機、外部振蕩電路、復(fù)位電路和+5V電源組成。單片機的XTAL1和XTAL2管腳分別接至由12MHZ晶振和兩個30PF電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)。在復(fù)位電路中，單片機RESET管腳一方面經(jīng)10uF的電容接至電源正極，實現(xiàn)上電自動復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān)S1接電源。當(dāng)程序出錯或系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)時，可以通過復(fù)位鍵重新啟動。圖3-2 單片機最小系統(tǒng)3.2 HC-SR04模塊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，其結(jié)構(gòu)簡單，使用單片機控制電路簡單容易，而且價格便宜。該模塊

28、包括超聲波發(fā)射、接收與控制電路。實物如圖3-3。圖3-3 HC-SR04模塊實物圖3.2.1 HC-SR04模塊使用器件該模塊主要由Em78p153單片機、MAX232、TL074、超聲波傳感器：T40-16、R40-16組成。1、Em78p153單片機概況描述Em78p153是采用高速CMOS工藝制造的8位單片機。其內(nèi)部有512*13位一次性ROM(OTPROM)。因此，用戶可以方便改進完善程序。程序代碼可用EMC編程器寫入芯片。有13位選項位可滿足用戶要求，其中的保護位可用來防止程序被讀出。功能特點工作電壓范圍：2.0V6.0V；工作溫度范圍：070；工作頻率范圍：DC8MHz；51213

29、位片內(nèi)ROM；328位片內(nèi)寄存器（SDRAM）；片內(nèi)有4MHz校準(zhǔn)RC振蕩器；2個雙向I/O端口；8位實時定時/計數(shù)器（TCC），信號源、觸發(fā)沿可編程選擇，溢出產(chǎn)生中斷；掉電模式(SLEEP模式)；3個中斷源：TCC溢出中斷、輸入引腳狀態(tài)變化中斷、外部中斷；EM78P153為14腳封裝；封裝形式：SOP、SSOP和DIP。引腳分配Em78p153單片機引腳分配如圖3-4。圖3-4 Em78p153引腳圖2、MAX232MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。此處用于對T40-16激勵電壓的放大。MAX232引腳圖芯片引腳如

30、圖3-5。圖3-5 MAX232引腳圖引腳介紹第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道；8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。3、TL074常用的低噪聲JFET輸入四運算放大器，引腳如圖3-6。圖3-6 TL0

31、74引腳圖1、2、3腳是通道1的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，5、6、7腳是通道2的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，8、9、10腳是通道3的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，12、13、14腳是通道4的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，4腳是正電源，11腳是負電源。TL074內(nèi)部組件數(shù)量如下表3-1所示。表3-1 TL074組件電阻44晶體管56JFET6二極管4電容4epi-FET44、T40-16與R40-16為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：1電氣方式產(chǎn)生超聲波, 主要包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；2. 機械方式產(chǎn)生超聲波

32、，主要包括加爾統(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。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。其內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。模塊使用T40-16T/R超聲波換能器即為壓電型。器件說明名 稱：壓電陶瓷超聲傳感器；型 號：T40-16T/R；類 別：通用

33、型；中心頻率：40KHZ；外 徑：16mm；使用方式：T為發(fā)射頭，R為接收頭，TR為收發(fā)兼用；適用范圍：家用電器及其它電子設(shè)備的超聲波遙控裝置；超聲波測距及汽車倒車防撞裝置；液面探測；超聲波接近開關(guān)及其它應(yīng)用的超聲波發(fā)射與接收。器件性能1. 標(biāo)稱頻率(KHz)：40KHz；2. 發(fā)射電壓at10V(0dB=0.02mPa)：110dB；3. 接收靈敏度at40KHz(0dB=V/ubar)：-70dB；4. 靜電容量at1KHz,1V(PF)：200030%；5. 探測距離(m)：0.02-10。傳感器實物如圖3-7所示。圖3-7 傳感器實物圖3.2.2超聲波發(fā)射電路HC-SR04模塊內(nèi)部超聲

34、波發(fā)射電路如圖3-8所示，主要由Em78p153單片機、MAX232及超聲波發(fā)射頭T40組成。圖3-8 超聲波發(fā)射電路3.2.3超聲波接收電路HC-SR04模塊內(nèi)部超聲波接收電路如圖3-9所示，主要由TL074運算放大器及超聲波接收探頭R40組成。圖3-9 超聲波接收電路3.2.4 HC-SR04模塊工作原理1、基本工作原理采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；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)時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。2、 電氣參數(shù)HC-SR04模塊參數(shù)如下表3-2所示。表3-2 模塊參

35、數(shù)電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC 5V續(xù)表工作電流15mA工作頻率40khz最遠射程4m最近射程2cm測量角度15輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸入回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15cm3、超聲波時序圖超聲波時序圖如圖3-10所示圖3-10 超聲波時序圖以上時序圖表明只需要提供一個10us以上脈沖信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40khz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與測量的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離：距離=高電平時間*聲速（340m/s）/2。為防止發(fā)射信號對回響信號

36、的影響，測量周期一般要60ms以上。3.3顯示電路單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器件有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器）。這兩種器件都具有成本低廉，配置靈活，與單片機接口方便的特點。但相對而言LCD的接口較復(fù)雜，成本也比數(shù)碼管高，數(shù)碼管消耗電力比液晶多一點，但是數(shù)碼管顯示更加清晰，更加適合在白天等強光條件下顯示。液晶極其省電，但是使用有溫度范圍限制，且因是反光式的，在外界光線很明亮的情況下很容易看不清楚。因此本次設(shè)計采用數(shù)碼管顯示。3.3.1 LED結(jié)構(gòu)與顯示方式1、LED顯示器結(jié)構(gòu)與原理LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數(shù)碼管。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是7

37、段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地，如圖3-11(a)所示，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮；共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管共陽極并接（在系統(tǒng)中，接驅(qū)動電源），如圖3-11(b)所示，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管亮。通常7段LED顯示塊中有8個發(fā)光二極管，其中7個發(fā)光二極管構(gòu)成7筆字形“8”，一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點“.” 共計8段，因此提供給LED顯示器的字形數(shù)據(jù)正好一個字節(jié)。LED顯示塊與單片機接口非常容易，只要將一個8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。引腳配置如圖3-11(c)所示。8位并行輸出口輸

38、出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)可顯示不同的數(shù)字或字符，如表3-3所示。通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)稱為段選碼或稱字形代碼，公共極稱為位選線。共陽極與共陰極的段選碼互為補數(shù)。表3-3 7段LED的段選碼顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼03FHC0H106HF9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH82H707HF8H87FH80H96FH90HdbGND10dp689321547eGNDcdpedcgafbagf圖3-11(c) 引腳配置+5Vdabcefgdp圖3-11(b) 共陽極圖3-11(a) 共陰極edcabfgdp2、LED顯示器與顯示方式在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常要

39、使用LED顯示塊構(gòu)成N位LED顯示器。N位LED顯示器有N根位選線和8N根段選線。根據(jù)顯示的方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制要顯示什么用的字符，而位選線則控制要在哪一位上顯示這個字符。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式：LED靜態(tài)顯示方式。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一字符時，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截至，并且顯示器的各位可同時顯示。靜態(tài)顯示時，較小的驅(qū)動電流就能得到較高的顯示亮度。但與此同時N位靜態(tài)顯示器則要求有N8根I/O口線，占用I/O口線資源較多。故在位數(shù)較多時不采用靜態(tài)顯示，而采用動態(tài)顯示。LED動態(tài)顯示方式。所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮顯

40、示器的各個位，對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。多位LED動態(tài)顯示電路只需要一個8位I/O口來控制段選，然后幾位LED對應(yīng)幾個I/O口控制位選即可。3.3.2顯示模塊電路本次設(shè)計要求測量范圍為20cm-150cm，誤差為1cm，所以采用3位共陽數(shù)碼管動態(tài)顯示，顯示電路如圖3-12所示，有P0口控制段選，P2.1-P2.3控制位選。圖3-12顯示模塊電路3.3.3顯示子程序計算得到結(jié)果后，分別將米、分米、厘米位的值存放到40H-42H中，然后調(diào)用顯示子程序?qū)⒔Y(jié)果顯示到數(shù)碼管上。顯示子程序如下： DISPLAY:MOV R

41、0,#2 DISSP:MOV DPTR,#TAB MOV A,40H; /40H-42H分別對應(yīng)米、分、厘米位/ MOVC A,A+DPTR MOV P0,A CLR P2.1; /開米位顯示/ LCALL DEL; /調(diào)用延時程序/ SETB P2.1; /關(guān)米位顯示/ MOV A,41H; /分米位/ MOVC A,A+DPTR MOV P0,A CLR P2.2 LCALL DEL SETB P2.2 MOV A,42H; /厘米位/ MOVC A,A+DPTR MOV P0,A CLR P2.3 LCALL DEL SETB P2.3 DJNZ R0,DISSP RET; /子程序返回

42、/TAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H； /共陽極數(shù)碼管位選/3.4報警模塊報警方式主要分為光報警和聲報警。光報警主要通過點亮不同顏色的LED燈光來實施報警提醒。本次設(shè)計要求在汽車與物體距離為1.5m、1m時，以及1m每0.1m蜂鳴器短鳴提示；在0.2m時蜂鳴器長鳴示警。3.4.1蜂鳴器及其原理1.蜂鳴器的介紹蜂鳴器的作用：蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機、打印機、復(fù)印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器的分類：蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂

43、鳴器兩種類型。蜂鳴器的電路圖形符號：蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。2.蜂鳴器的結(jié)構(gòu)原理壓電式蜂鳴器：壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（1.515V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。電磁式蜂鳴器：電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作

44、用下，周期性地振動發(fā)聲。3.有源與無源蜂鳴器區(qū)別這里的“源”不是指電源。而是指震蕩源。也就是說，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會叫。而無源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫，必須用2K-5K的方波去驅(qū)動它。有源蜂鳴器又稱為直流蜂鳴器具有驅(qū)動、控制簡單的特點，但價格比無源的略高。無源蜂鳴器又稱為交流蜂鳴器，其優(yōu)點是：1成本低；2發(fā)聲頻率可調(diào)整，可以做出“多來米發(fā)索拉西”的效果。綜上，有源蜂鳴器價格只比無源的略高，而且電路設(shè)計簡單，本次設(shè)計也只需有聲報警無需多種頻率聲音，因此采用型號為HYT-1205的有源蜂鳴器，所需驅(qū)動電壓為5V，具體參數(shù)如表3-4所示。表3-4 蜂鳴器參

45、數(shù)型號HYT-1205是否有源是驅(qū)動方式電磁式尺寸12*9.5mm材質(zhì)PPO ROHS種類蜂鳴器（片）3.4.2報警電路及子程序1.報警電路本次采用由一三極管來控制蜂鳴器實施報警，報警模塊電路如圖3-13所示，PNP三極管與單片機P2.7連接，當(dāng)P2.7為低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報警。圖3-13 報警模塊電路2報警子程序?qū)⒂嬎愕玫降慕Y(jié)果存于A中，再依次與21，150，100做比較判斷是否要實施報警 MOV A,44H CJNE A,#21,L5 ;/判斷距離是否21/ L5:JNC L6 ;/小于21實施報警/ CLR P2.7 LCALL DEL2 ;/報警延時/ SETB P2.7 A

46、JMP L11 ;/報警結(jié)束子程序返回/ L6:CJNE A,#150,L7 ;/距離為150、100實施短鳴報警/ CLR P2.7 LCALL DEL2 SETB P2.7 AJMP L11 L7:CJNE A,#100,L8 CLR P2.7 LCALL DEL2 SETB P2.7 AJMP L11 L8:JNC L12 MOV B,#10 ;/為90、80、70.20實施短鳴報警/ DIV AB MOV A,B CJNE A,#0,L12 CLR P2.7 LCALL DEL2 SETB P2.7 AJMP L11 L12:LCALL DEL2 L11:RET ;/子程序返回/第4章

47、 程序開發(fā)環(huán)境及流程圖第4章 程序開發(fā)環(huán)境及流程圖本次程序編寫在MedWin環(huán)境下采用匯編編程。單片機控制HC-SR04模塊發(fā)射超聲波，有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，單片機打開定時器計數(shù)功能計得高電平持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，然后調(diào)用子程序計算出距離，接著通過程序處理輸出到P0口顯示。4.1 程序語言及開發(fā)環(huán)境1.程序語言匯編語言(Assembly Language)是面向機器的程序設(shè)計語言。匯編語言比機器語言易于讀寫、易于調(diào)試和修改，同時也具有機器語言執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點。其特點可以歸納如下：1.面向機器的低級語言，通常是為特定的計算機或系列計算機專門設(shè)

48、計的。2.保持了機器語言的優(yōu)點，具有直接和簡捷的特點。3.可有效地訪問、控制計算機的各種硬件設(shè)備，如磁盤、存儲器、CPU、I/O端口等。4.目標(biāo)代碼簡短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設(shè)計語言。5.經(jīng)常與高級語言配合使用，應(yīng)用十分廣泛。因此本次設(shè)計采用匯編。2.開發(fā)環(huán)境MedWin是萬利電子有限公司Insight 系列仿真開發(fā)系統(tǒng)的高性能集成開發(fā)環(huán)境。集編輯、編譯/ 匯編、在線及模擬調(diào)試為一體，VC 風(fēng)格的用戶界面，內(nèi)嵌自主版權(quán)的宏匯編器和連接器，并完全支持Franklin/Keil C 擴展OMF 格式文件，支持所有變量類型及表達式，配合Insight 系列仿真器，是開發(fā)80C51 系

49、列單片機的理想開發(fā)工具。MedWin集成開發(fā)環(huán)境的特點：1.完美的Windows 版集成開發(fā)環(huán)境MedWin；2.內(nèi)嵌自主版權(quán)的宏匯編器A51 和連接器L51,并支持Keil/Franklin 編譯、連接工具；3.具有分別獨立控制項目文件的工程項目管理器；4.在工程項目管理下，實現(xiàn)多模塊和混合語言編程調(diào)試；5.VC風(fēng)格的窗口停駐、窗口切分和工作簿模式界面；6.在線編輯、編譯/匯編、連接下載運行和錯誤關(guān)聯(lián)定位；7.符合編程語言語法的彩色文本顯示；8.完全的表達式分析，支持所有數(shù)據(jù)類型變量的觀察；9.無須點擊的感應(yīng)式鼠標(biāo)提示功能；10.外部功能部件編程向?qū)В?1.不限制打開數(shù)據(jù)區(qū)觀察窗口的數(shù)目；1

50、2.調(diào)試狀態(tài)下用戶程序自動重裝功能；13.提供真實的軟件模擬仿真開發(fā)環(huán)境。3.MedWin界面介紹在完成程序編寫后，通過編譯可以查看程序存在的一些錯誤，本次設(shè)計程序編寫經(jīng)過幾次改正后無錯誤，軟件界面如圖4-1所示。圖4-1 MedWin界面圖程序完成后輸出hex文件，再通過相關(guān)軟件即可把程序輸入到單片機中，如圖4-2所示。圖4-2 hex文件輸出界面4.2主程序流程圖圖4-3 主程序流程圖根據(jù)HC-SR04的工作觸發(fā)原理，當(dāng)定時器T0中斷響應(yīng)，其中斷子程序執(zhí)行完時定義的標(biāo)志位置1同時該模塊觸發(fā)工作，定時器開始計時，計時結(jié)束后判斷T0是否超過范圍，如無則調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，否則直接顯示999。其

51、流程如圖4-3所示，主程序如下：ORG 0000HLJMP STARTORG 000BHLJMP INTT0START:JB P3.3,START ;/判斷按鈕是否按下/LPP0: MOV SP,#5FH MOV R0,#40H MOV R1,#04H CLRDP:MOV R0,#0 ;/清0/ INC R0 DJNZ R1,CLRDP MOV P0,#00H MOV P2,#0FFH CLR P1.3 CLR P3.2 MOV TMOD,#01H ;/T0工作在模式1/START0:MOV TH0,#63H ;/定時40ms/ MOV TL0,#0C0H SETB ET0 ;/開中斷/ SETB EA SETB TR0 LCALL DEL2 LCALL DEL2 ;/調(diào)用顯示子程序/ START1:JNB 20H,START1 ;/判斷標(biāo)志位是否為1即計時完成/ CLR