超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

1、哈 爾 濱 學(xué) 院題 目： 超聲測距儀的仿真設(shè)計(jì) 系 (部)： 電子信息工程 專業(yè) (班級)： 電氣自動化 姓 名： 蔡歡 學(xué) 號： 12043102 指 導(dǎo) 老 師： 雷冬飛 摘要 本論文主要闡述了“超聲波測距”的原理，以芯片AT89C52及超聲波傳感器測距模塊為主導(dǎo)核心，運(yùn)用所學(xué)軟件Protel DXP 2004 SP2畫出原理圖，及PCB電路板，利用軟件Protues進(jìn)行調(diào)試與仿真，完成實(shí)物的制作。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波

2、傳感器作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。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)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。本文介紹了AT89C52單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，AT89C52單片機(jī)可以簡化設(shè)計(jì)，便于操作和直觀讀數(shù)，經(jīng)實(shí)際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價(jià)比?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡

3、單、工作可靠、測量誤差小等特點(diǎn)，并在分析了超聲波測距原理的基本上，指出了設(shè)計(jì)測距儀的思路和所需考慮的問題，對超聲探測器與工作方式進(jìn)行選型，給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測距方案的軟、硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖，整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成,并對軟硬件進(jìn)行調(diào)試。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,然后求出距離S=Ct/2，式中的C為超聲波波速。關(guān)鍵詞：超聲波 測距 AT89C52 傳感器 一、緒論超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案

4、中，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及AT89C52 單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以AT89S52單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。 1、課題背景、目的和意義傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一，信息技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器

5、技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外線傳感器、壓力傳感器等等，其中超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測量精度較高。超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。對本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對單片機(jī)的理解和應(yīng)用。2、課題主要內(nèi)容通過上節(jié)介紹我們知道，以單片機(jī)A

6、T89C52為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、方便，而且測精度能達(dá)到工業(yè)要求。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為V，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。電路的輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時(shí)啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到

7、超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離,結(jié)果輸出給LED顯示。二、 超聲波測距儀的原理及設(shè)計(jì)方案1、超聲波傳感器及測距原理 1.1 超聲波傳感器超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)

8、換成超聲振動發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)晶振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電陶瓷片的固有震蕩頻率時(shí)，壓電陶瓷片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；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)，將壓迫壓電晶片做振蕩，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。圖1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器里面有一個(gè)圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在

9、其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個(gè)鋁制的后板。薄片和后板構(gòu)成了一個(gè)電容器，當(dāng)給薄片加上頻率為40kHz、電壓為200VAC pk-pk的方波電壓時(shí)，薄片以同樣的頻率震動，從而產(chǎn)生頻率為40kHz的超聲波。當(dāng)接收回波時(shí)，超聲波傳感器內(nèi)有一個(gè)調(diào)諧電路，使得只有頻率接近40kHz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角，如圖2所示：圖2 波束角 1.2 超聲波測距原理1.2.1 超聲波超聲波是人耳聽不見的一種機(jī)械波，其頻率在20KHz以上，波長較短，繞射小，能夠成為射線而具有一定的方向性來傳播。超聲波頻率越高，就越與光波的某些特性（如反射、擴(kuò)散等

10、）相似。超聲波的這些特性使其在檢測技術(shù)中獲得廣泛的應(yīng)用。圖3 聲波的頻率界限表4 超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用表行業(yè)具體應(yīng)用產(chǎn)品和事物工業(yè)金屬材料和部分非金屬材料的探傷，超聲振動切削加工，超聲波清洗零件，超聲波焊接，超聲波流量計(jì)，超聲波料位及液位檢測，濃度檢測，硬度計(jì)通訊定向通訊醫(yī)療超聲波成像儀器，超聲波血流計(jì)，超聲波潔牙器等家用電器遙控器，加濕器，防盜報(bào)警器，超聲波驅(qū)蟲器其他盲人防撞裝置，汽車倒車測距報(bào)警器，維修工程測距（計(jì)算用料）1.2.2 超聲波測距方法超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量反射波與發(fā)

11、射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。其主要有三種測量方法：.相位檢測法相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限.聲波幅值檢測法聲波幅值檢測法易受反射波的影響.渡越時(shí)間檢測法超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即 其中D為傳感器與被測障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。在空氣中聲波傳波傳輸速率為:其中T為絕對溫度在測距精度不是很高的情況下，一般認(rèn)為c為常數(shù)340m/s。超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲

12、波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為D，則在D時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。表5列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ１? 不同溫度下超聲波聲速表溫度-30-20-100102030100聲速c/m/s313 31932

13、53233383443493862、超聲波測距儀的設(shè)計(jì)方案論證 2.1 超聲波測距方式選擇實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。2.2超聲波測距儀綜合設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，決定采用A

14、T89C52單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖6所示。超聲波接收超聲波發(fā)送單片機(jī)控制器LED顯示掃描驅(qū)動圖6 超聲波測距電路原理框圖2.3 超聲波測距儀電源設(shè)計(jì)2.3.1單相橋式整流及濾波電路本電源采用單相橋式整流電路，它由四個(gè)整流二極管和負(fù)載組成。屬全波整流電路。因?yàn)樗亩O管個(gè)數(shù)比單相半波整流增加了，結(jié)果使負(fù)載上的電壓與電流都比單相半波整流提高一倍，其它參數(shù)沒有變化。2.32 集成穩(wěn)壓器輸入電源經(jīng)過VD1VD4橋式整流及平滑電容C1濾波后得到非穩(wěn)定812V直流電壓加到7805輸入端， C2為輸入穩(wěn)定電容，當(dāng)

15、穩(wěn)壓器輸入阻抗降低時(shí)，防止發(fā)生振蕩，可采用0.11uF的陶瓷電容，若平滑電容C1離7805很近時(shí)，此電容可省去。C3為輸出穩(wěn)定電容，對于降低輸出紋波、輸出噪聲及負(fù)載電流變化的影響有較好的效果，采用0.1uF的陶瓷電容。此外，有時(shí)還接入保護(hù)二極管電源原理圖如圖7:圖7 電源原理圖 2.4 單片機(jī)概述及外圍電路眾所周知，近幾十年來微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度是十分迅速的，其發(fā)展方向主要有兩個(gè)方面：其一是不斷推出高性能的通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從20世紀(jì)80年代的286、386直到今天的P4，字長已從原來的8位擴(kuò)展到64位；CPU的處理速度和處理能力大大增強(qiáng)；先進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使微機(jī)適合組成網(wǎng)絡(luò)。通用微型計(jì)算機(jī)系

16、統(tǒng)主要用于信息管理、科學(xué)計(jì)算、輔助設(shè)計(jì)、輔助制造等。其二是面向控制型應(yīng)用領(lǐng)域的單片微型計(jì)算機(jī)的大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。如Intel、ZILOG、NEC等公司都生產(chǎn)單片微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)具有可靠性高、體積小、價(jià)格低、易于產(chǎn)品化等特點(diǎn)，因而在智能儀器儀表、實(shí)時(shí)工業(yè)控制、智能終端、通信設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等自控領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。2.4.1單片機(jī)的概念單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)。它是把組成微型計(jì)算機(jī)的各種功能部件：中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通信接口等制度在一塊集成芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域，它的結(jié)構(gòu)

17、與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，故又稱控制器（Micro Controller Unit）。在國際上，“微控制器”的叫法更通用些，在我國比較習(xí)慣“單片機(jī)”這一名稱。由于單片機(jī)在應(yīng)用時(shí)通常是被控制系統(tǒng)的核心并融入其中，即以嵌入的方式工作，為了強(qiáng)調(diào)“嵌入”的特點(diǎn)，也常常將單片機(jī)稱為嵌入式微控制器。2.4.2 AT89S52系統(tǒng)單片機(jī)AT89系統(tǒng)單片機(jī)是ATMEL公司的8位Flash單片機(jī)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)單片機(jī)的最大特點(diǎn)是在片內(nèi)含有FLASH存儲器，而其他方面和MCS-51沒有太大的區(qū)別。該系統(tǒng)有著十分廣泛的用途，特別是在便攜式，省電和特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯得更為有用。AT89C52是一個(gè)

18、低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89C52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級

19、2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩。此外，AT89C52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。表8 AT89S52主要功能特性兼容MCS-51指令系統(tǒng)8k可反復(fù)擦寫(>1000次）ISP Flash ROM32個(gè)雙向I/O口4.5-5.5V工作電壓3個(gè)16位可編程定時(shí)

20、/計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率0-33MHz全雙工UART串行中斷口線256x8bit內(nèi)部RAM2個(gè)外部中斷源低功耗空閑和省電模式中斷喚醒省電模式3級加密位看門狗（WDT）電路軟件設(shè)置空閑和省電功能靈活的ISP字節(jié)和分頁編程雙數(shù)據(jù)寄存器指針圖 9 AT89C52管腳圖2.4.3 P1P3口功能VCC：供電電壓GND：接地P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P

21、1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利

22、用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（

23、記時(shí)器1外部輸入）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）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。2.4.4 控制信號引腳ALE/PROG地址鎖存允許/編程脈沖輸入在訪問外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，該引腳輸出一個(gè)地址鎖存脈沖ALE，其下降沿可降低8位地址鎖存于片外地址鎖存器中。在編程時(shí)，向該引腳輸入一個(gè)編程負(fù)脈沖。在正常操作時(shí)，該引腳輸出恒定頻率脈沖信號ALE，其頻率為晶振頻率的1/6。應(yīng)注意，每訪問一次片外RAM時(shí)，便會丟失一個(gè)ALE脈沖。PSEN外部程序存儲器讀選通，低電平有效。當(dāng)AT89C52執(zhí)行片外程序存儲器的指令代碼時(shí)，PSEN在

24、每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)兩次有效。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，該腳無效。EA/VPP片外程序存儲器訪問允許。如果EA接地，則單片機(jī)只執(zhí)行外部程序存儲器的指令，地址為0000HFFFFH如果EA接VCC，則單片機(jī)執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器的指令（0000H1FFFH）；如果需要，可自動轉(zhuǎn)到執(zhí)行片外程序存儲器中的指令（2000HFFFFH）。在 Flash編程時(shí)，該引腳可連接12V的編程電源。XTAL1和XTAL2XTAL1是片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。振蕩器和時(shí)序OSC程序存儲器8KB ROM 數(shù)據(jù)存儲器 256×8BRAM 3×16位定時(shí)器

25、/計(jì)數(shù)器 AT89S52 CPU64KB總線擴(kuò)展控制器可編程I/O可編程全雙工串行口外中斷控制并行I/O口串行通信內(nèi)中斷外時(shí)鐘源外部事件計(jì)數(shù) 圖10 AT89C52單片機(jī)功能方塊圖AT89C52的振蕩器有兩種組成方式：片內(nèi)振蕩器和片外振蕩器。片內(nèi)振蕩外器接晶體諧振器或陶瓷諧振器。片外振蕩器：XTAL1是外部時(shí)鐘信號的輸入端，XTAL2可懸空。由于外部時(shí)鐘信號經(jīng)過片內(nèi)一個(gè)2分頻的觸發(fā)器才進(jìn)入片內(nèi)時(shí)鐘電路，因此對外部時(shí)鐘信號的占空比沒有嚴(yán)格要求，但高、低電平的時(shí)間寬度應(yīng)不小于20ns。三、硬件電路的設(shè)計(jì)超聲波測距器的系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖11所示，主要由單片機(jī)及數(shù)碼管顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收

26、電路組成。圖11 超聲波測距器電路原理框圖1、電源電路電源電路如圖12所示，輸入交流經(jīng)VD1VD4橋式整流及平滑電容C1濾波后得到不穩(wěn)定812V直流電壓，經(jīng)過穩(wěn)壓模塊7805后穩(wěn)定的直流電壓。圖12 電源原理圖2、單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如圖15所示，單片機(jī)采用89S52或其兼容系列，用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減少測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40KHz的方波信號，經(jīng)反相器后來控制超聲波的發(fā)送；單片機(jī)利用外中斷0口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號，它不斷檢測INT0引腳的情況，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)

27、返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波發(fā)、收所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。顯示用4位數(shù)碼管，數(shù)碼管位選信號用PNP三極管8550驅(qū)動。圖14 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)圖圖13數(shù)碼管的原理圖 VCC圖15 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路3、 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖16所示。發(fā)射電路主要由反向器CD4069和超聲波發(fā)生換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0的端口輸出 40KHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力

28、。圖16 超聲波發(fā)射電路原理圖4、超聲波(檢測)接收電路超聲波(檢測)接收電路原理圖如圖17所示。集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHZ與測距的超聲波頻率40KHZ較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波（無信號時(shí)輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖17超聲波(檢測)接收電路原理圖5、 超聲波測距的算法超聲波測距的原理如圖18所示，即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號，當(dāng)這個(gè)超聲波信號

29、遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時(shí)間，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。圖18 超聲波測距的示意圖距離的計(jì)算公式：d=s/2=(c×t)/2 （ 3-1）其中d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲波速度，t為聲波來回所用的時(shí)間。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的，如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。四?軟件設(shè)計(jì)1、 主程序主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時(shí)器0工作模式為位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位并給

30、顯示端口0和2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1ms（這也就是超聲波測距器會有一個(gè)最小測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)算器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1us,，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（4-1）計(jì)算，即可得被測物體與測距器之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20時(shí)的聲速為344m/s則有D=(c*t)/2=172T0/10000cm（4-1）其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.

31、5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語言編寫。圖19為主程序流程圖。開始系統(tǒng)初始化顯示結(jié)果0.5s發(fā)射超聲波脈沖計(jì)算距離等待反射超聲波圖19主程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖20所示：圖20超聲波測距程序流程圖工作時(shí)，微處理器AT89C52先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動內(nèi)部定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障

32、礙物時(shí)信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)表明信號已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。 2、 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右超聲波脈沖信號（頻率約為40kHz的方波），脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平）立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入

33、該中斷程序后立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出是還未檢測到超聲波返回信號，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示本次測距不成功。五、元器件清單及實(shí)物圖1、超聲波測距儀元件清單參數(shù)名稱代號數(shù)量參數(shù)名稱代號數(shù)量470UC111KR1, R2, R3, R4, R16, R17 6100uC214.7R131104C3, C42220KR141224C5, C10222KR151223C614.7KR181330PC71 輕觸按鍵RST, S1, S2, S3, S453.3UFC81蜂鳴器（有源）SP111UFC91超聲波接收管R14

34、7UFC111 超聲波發(fā)射管T110uFC121LM7805U1130pCY1, CY2274LS245U214007D1, D2, D3,D4489C52U310.36數(shù)碼管DS11 CD4069/74LS04U41360R5,R6,R7,R8,R9,R10R11, R128CX20106AU5110K排阻PR1112M晶體振蕩器Y118550Q1, Q2, Q3,Q4, Q55 DC電源插座1.1P11下載座JTAG11PCB電路板1IC座(DIP14)1 IC座（DIP40）1IC座（DIP20）12、實(shí)物圖21六、安裝與調(diào)試1 .安裝、焊接元件到電路板上 按照先低后高，先小后大，先臥式

35、后立式的順序，正確插入元件，其高低、極性要符合規(guī)定。 .先從最低元件安裝。應(yīng)先安裝、焊接跳線機(jī)及電阻，用電阻多余的腳做跳線，電阻引腳不分正負(fù)，焊接時(shí)間最好控制在 2-3 秒。 .安裝、焊接瓷片電容。瓷片電容部分正負(fù)極。 .安裝、焊接輕觸開關(guān) .安裝、焊接三極管。三極管的外形基本一樣，注意分青，且方向要和電路板上的方向一致。 .安裝、焊接 12MHZ 晶振。晶振沒有正負(fù)極。 .安裝、焊接電解電容，裝的時(shí)候要躺著安裝，立著會影響發(fā)光二極管的顯示不整齊。 .安裝、焊接 20 腳 IC 插座，從用一小缺口或小圓點(diǎn)標(biāo)記的地方以逆時(shí)針數(shù)依次為 1-20 腳，安裝時(shí)要注意缺口和電路上的缺口相一致。20 只引

36、腳都插到位后，先用手指按住，固定對角兩只引腳，防止插入的引腳掉出來，再把板放到桌面上把剩下的引腳焊好。焊好后不要急于插入單片機(jī)芯片，因?yàn)檫€有其他元件焊接，防止電烙鐵帶靜電擊壞單片機(jī)芯片。 .安裝、焊接蜂鳴器。 .安裝、焊接 LED。LED 和普通二極管一樣，有正負(fù)極之分，不能裝錯(cuò)。 安裝、焊接數(shù)碼管。認(rèn)識數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 2 .測試與調(diào)試 2.1 功能按鍵說明k1開始/暫停 按鍵k2設(shè)置 加 按鍵k3設(shè)置 減 按鍵k4設(shè)置開始/確認(rèn) 按鍵說明：K4"設(shè)置開始/確認(rèn)"按鍵只有在測距暫?；蛘吣J(rèn)顯示“-5.00”的時(shí)候按下才有效，其他情況按下無效k2設(shè)置 加 按鍵，只有在K4按

37、下，設(shè)置開始時(shí)（數(shù)碼管第一位顯示“F”時(shí)），按下才有效，其他情況按下無效k3設(shè)置 減 按鍵，只有在K4按下，設(shè)置開始時(shí)（數(shù)碼管第一位顯示“F”時(shí)），按下才有效，其他情況按下無效2.2 功能及操作說明 .程序上電默認(rèn)顯示“-5.00”，表示測試默認(rèn)測試距離是5米，按下K1“開始/暫停”按鍵開始測試距離（開始測試后，數(shù)碼管最高位滅，后三位顯示測距距離）。.程序上電默認(rèn)顯示“-5.00”，按下k4“設(shè)置開始/確認(rèn)”按鍵，設(shè)置開始（數(shù)碼管第一位顯示“F”），若按K2“設(shè)置 加”按鍵，可測試距離加0.5米，若按下k3“設(shè)置 減”按鍵，可測試距離減0.5米，再按下k4“設(shè)置開始/確認(rèn)”按鍵，設(shè)置確認(rèn)(數(shù)碼

38、管第一位顯示“-”)，再按一下k1，測距開始.在正在測試距離時(shí)，按下k1“開始/暫?！卑存I，測距暫停，數(shù)碼顯示目前可測距離的最大值，按下k4“設(shè)置開始/確認(rèn)”按鍵，設(shè)置開始（數(shù)碼管第一位顯示“F”），若按K2“設(shè)置 加”按鍵，可測試距離加0.5米，若按下k3“設(shè)置 減”按鍵，可測試距離減0.5米，再按下k4“設(shè)置開始/確認(rèn)”按鍵，設(shè)置確認(rèn)(數(shù)碼管第一位顯示“-”)，再按一下k1，測距開始.當(dāng)實(shí)測距離大于可測距離的最大值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。結(jié)束語本論文借助于模數(shù)電技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，解決了超聲波測距的一些難題。本畢業(yè)設(shè)計(jì)以AT89C52為核心，靈活的運(yùn)用超聲波換能集成電路作為超聲波的接收電路，在

39、討論了超聲波測距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，完成了超聲波測距的設(shè)計(jì)要求。從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計(jì)，我查閱了大量的資料。對一些疑難的問題，我得到了劉曉春老師和同學(xué)的幫助。在三年的學(xué)習(xí)和生活期間，也始終感受著導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向老師們表示深深的感謝和崇高的敬意。軟件Protues以及Protel的實(shí)際應(yīng)用，不僅鞏固了我們的專業(yè)知識，更擴(kuò)展了我們的思維，理論與實(shí)踐的相結(jié)合，讓我們真正了解并且認(rèn)識了計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)仿真以及它的工作原理，充分調(diào)動了我們的積極性和學(xué)習(xí)熱情，也讓我明白了細(xì)節(jié)的重要性，在設(shè)計(jì)的過程中，雖然出現(xiàn)了諸多的問題，有的地方我們甚至直接不會，但每

40、一步我們都會認(rèn)真、仔細(xì)的去做，更會進(jìn)行多次的檢查，因?yàn)槿魏我徊讲徽_或者不會，都將會影響著結(jié)果，更會讓我們的努力白費(fèi)。 不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向全體老師表示由衷的謝意。感謝他們?nèi)陙淼男燎谠耘唷?謝辭 本設(shè)計(jì)在老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)以及同學(xué)們的幫助下完成的。感謝老師在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予我的悉心指導(dǎo)與各方面的幫助，她給了我許多非常有益的建議和意見，使我在思路上得到了很大的開闊，從中認(rèn)識到了自己存在的不足，并且學(xué)到了很多非常

41、寶貴的知識。她嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和踏實(shí)的工作作風(fēng)也給我留下了非常深刻的印象，我不僅學(xué)到了研究的方法，更令我明白了一個(gè)很重要的道理：做學(xué)問應(yīng)以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，腳踏實(shí)地一步一個(gè)腳印地認(rèn)真去做，切不可好高鶩遠(yuǎn)急躁冒進(jìn)，這些都使我受益匪淺，也極大的激勵了我，使我能在緊張的時(shí)間里完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)并達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)還要感謝給我們提供優(yōu)越學(xué)習(xí)條件和優(yōu)良儀器的各位任課老師。同時(shí)也要感謝系里其它同學(xué)和我的朋友以及我同組的伙伴在設(shè)計(jì)中給我提供的幫助和支持。最后感謝各位老師對我論文的悉心審閱與批評指正。參考文獻(xiàn)1 陳貴銀 祝福電子工業(yè)出版社. 單片機(jī)原理及接口技術(shù). 電子工業(yè)出版社，出版年：2011年1月2 胡宴如

42、 模擬電子技術(shù). 第三版 高等教育出版社，出版年：2008年6月3 楊志忠 數(shù)字電子技術(shù). 第三版 高等教育出版社，出版年：2008年6月4 韓廣興、韓雪濤等 電子產(chǎn)品裝配技術(shù)與技能實(shí)訓(xùn)教程. 電子工業(yè)出版社，出版年：2006年5月5 郭勇 Protel DXP 2004 SP2印制電路板設(shè)計(jì)教程. 機(jī)械工業(yè)出版社，出版年：2009年4月6 李大寨 實(shí)用電子技術(shù). 科學(xué)出版社，出版年：2008年4月7 王衛(wèi)平 陳栗宋 電子產(chǎn)品制造工藝. 高等教育出版社，出版年：2005年9月 附錄一、超聲波測距儀電路PCB板圖超聲波測距儀PCB圖正視圖超聲波測距儀PCB圖敷銅板附錄二、超聲波測距儀的源程序VO

43、UT EQU P1.0ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0ORG 000BH LJMP INTT0ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETIORG 002BH RETISTART:MOV SP,#4FH MOV R0,#40H MOV R7,#0BHCLEARDISP:MOV R0,#00H INC R0 DJNZ R7,CLEARDISP MOV 20H,#00H MOV TMOD,#21H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV TH1,#0F2H MOV TL1,#

44、0F2H MOV P0,#0FFH MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV P3,#0FFH MOV R4,#04H SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0START1: LCALL DISPLAY JNB 00H,START1 SETB EA CLR00H LCALL WORK SETB TR0 MOV R2,#64HLOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2,LOOP SJMP START1 INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 SETB TR1OUT: RETIINTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0RETIOUT: RETIPINT0: CLR TR0 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H,TL0 MOV 45H,TH0 SETB 00H RETI DISPLAY:MOV R1,#40H MOV R5,#0F7HPLA