基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)論文

1、. . . . 摘 要超聲波具有很強(qiáng)的指向性，消耗能量緩慢，距離傳播較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用自動(dòng)化控制技術(shù)和傳感器應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的測(cè)距方案中，利用超聲波專有特性測(cè)距是目前最普遍的一種方式，它被廣泛地應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測(cè)量、建筑施工工地以與一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。本論文詳細(xì)的介紹了超聲波傳感器的原理與特性，并且介紹了Atmel公司的AT89C52單片機(jī)的性能與特點(diǎn)，且在分析了超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，指出了本次方案的思路和所需考慮的問(wèn)題，給出了以AT89C52單片機(jī)為核心，LCD顯示電路，硬件制作和軟件設(shè)計(jì)為一體的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵字：超聲波測(cè)距；單片機(jī)；測(cè)距；AT89C52；LED顯示屏Abstrac

2、tUltrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it ap

3、plies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , building construction site and some industrial scenes extensively.This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer

4、AT89C52 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range .Given the AT89C52, LCD display circuit, the hardware and the software design production.Key

5、words：ultrasonic ranging；single-chip；Range finding；AT89C52；LCD display目 錄第一章 引言51.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述51.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)概述61.3本設(shè)計(jì)任務(wù)的主要容6第二章 超聲波測(cè)距的原理72.1超聲波測(cè)距離原理7第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)93.1單片機(jī)AT89C52介紹93.1.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)133.1.2復(fù)位電路143.2超聲波發(fā)射電路153.3超聲波檢測(cè)接收電路163.4超聲波顯示電路173.5報(bào)警電路183.6電源電路設(shè)計(jì)19第四章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)194.1超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)194.2總體設(shè)計(jì)方案204.

6、3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序214.4主程序21結(jié)論23致23參考文獻(xiàn)24附錄一 硬件電路圖25附錄二 程序26第一章 引言1.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)（MCU)，多應(yīng)用于控制領(lǐng)域，又叫做微控制器。它是將計(jì)算機(jī)中的CPU、RAM、ROM、定時(shí)器和輸入輸出I/O接口電路、中斷控制器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器等芯片集成在一個(gè)芯片上的技術(shù)，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)。它的出現(xiàn)與發(fā)展使得計(jì)算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。從此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在兩個(gè)重要領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在一點(diǎn)一點(diǎn)地改變著我們的生活和社會(huì)。而嵌入式技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)扮演著不可或缺的地

7、位，它是當(dāng)前最熱門(mén)、最具有發(fā)展力的IT應(yīng)用之一。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用可以加快傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)向智能化的電子儀器的轉(zhuǎn)變，使社會(huì)進(jìn)入智能化時(shí)代。嵌入式技術(shù)一般應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求較高的產(chǎn)品中，單片機(jī)作為嵌入式技術(shù)的核心，它的應(yīng)用使得電子系統(tǒng)的智能化達(dá)到了高速的發(fā)展，常常無(wú)需對(duì)硬件系統(tǒng)做任何改動(dòng)，只需更新系統(tǒng)軟件就能夠使系統(tǒng)功能升級(jí)。現(xiàn)代社會(huì)中嵌入式技術(shù)無(wú)處不在，早已被應(yīng)用在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、以與人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，不斷地改變著人們的生活，是人類社會(huì)一項(xiàng)偉大的智慧結(jié)晶。1.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)概述在基于傳統(tǒng)的測(cè)力距離存在不可克服的缺陷。例如，液面測(cè)量就是一種距離測(cè)量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過(guò)給

8、電或脈沖來(lái)檢測(cè)液面，電極長(zhǎng)期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測(cè)量距離就可以解決這些問(wèn)題，因此超聲波測(cè)量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測(cè)量、機(jī)器人定位和安全防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測(cè)距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過(guò)采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來(lái)計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償，其測(cè)量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。1.3本設(shè)計(jì)任務(wù)的主要容

9、 設(shè)計(jì)一超聲測(cè)波測(cè)距儀，任務(wù)：(1).了解超聲波測(cè)距原理。(2).設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。(3).對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析和理解，從而做到利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。(4).以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。第二章 超聲波測(cè)距的原理2.1超聲波測(cè)距離原理人類可以聽(tīng)到的聲音頻率為20Hz20kHz，即為可聽(tīng)聲波，超出此頻率圍的聲音，即為不可聽(tīng)聲波。其中超過(guò)20KHz的為超聲波，超聲波沿直線傳播，頻率越高，反射能力越強(qiáng)，所以利用超聲波的這種特性來(lái)設(shè)計(jì)超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。超聲波傳感器由發(fā)送器和接收器組成，一般超聲

10、波傳感器為可逆元件，即一個(gè)傳感器可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。通常市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器有兩種類型，即專用型和兼用型。專用型就是發(fā)送超聲波用發(fā)送器，接收器超聲波用接收器；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體，不但可接受超聲波，又可以發(fā)送超聲波。一般隨著諧振頻率的變高，檢測(cè)距離會(huì)變短，同時(shí)分解力也會(huì)變高。單片機(jī)障障礙物發(fā)射管接收管圖2.1超聲波原理圖 本設(shè)計(jì)方案是利用超聲波指向性強(qiáng)、能量消耗低、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，并且在發(fā)射的時(shí)候開(kāi)始計(jì)時(shí)，在超聲波遇到障礙物的時(shí)候反射回來(lái)，利用超聲波接收器接收反射信號(hào)，然后停止計(jì)時(shí)。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為V，接收到在

11、空氣中的傳播時(shí)間為T(mén)，與障礙物的距離為S，S=VT/2這樣可以測(cè)出汽車與障礙物之間的距離，然后在LED顯示屏上顯示出來(lái)。如上圖2.1所示根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本例決定采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本次方案的超聲波測(cè)距儀主要由AT89C52單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、顯示電路等組成。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(dòng)圖2.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 首先由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生12MHZ晶振，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去，在遇到障礙物反射回來(lái)時(shí)由超聲波接收探頭檢測(cè)到信號(hào)，然

12、后經(jīng)過(guò)濾波、放大、整形之后送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果輸出到LED液晶顯示屏上。第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)硬件電路主要包括單片機(jī)系統(tǒng)與超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路和顯示電路三部分。超聲波測(cè)距板采用AT89C52單片機(jī)晶振為12MHZ，單片機(jī)用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40KHZ方波信號(hào)，利用外中斷監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)，顯示電路采用簡(jiǎn)單的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼驅(qū)動(dòng)用74LS244集成電路，位碼用S8550三極管驅(qū)動(dòng),主要由單片機(jī)系統(tǒng)與顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成。采用AT89C52來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波模組進(jìn)行控制，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，

13、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)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波往返所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)特定的計(jì)算就可以確定傳感器與障礙物之間的距離。3.1單片機(jī)AT89C52介紹AT89C52芯片圖如下圖所示圖3.1 AT89C52引腳圖AT89C52主要性能：1、 與MCS-51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容2、 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器3、 1000 次擦寫(xiě)周期4、 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 5、 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器6、 32 個(gè)可編程I/O 口線7、 三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8、 八個(gè)中斷源9、 全雙工UART 串行通道10、低功耗空閑和掉電模式l1、掉電后中斷可喚醒l2、

14、看門(mén)狗定時(shí)器13、雙數(shù)據(jù)指針l4、掉電標(biāo)識(shí)符AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，片晶振與時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，保存RAM中的容，但振蕩器停止工作直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。VCC : 正常操作接+5V；GND: 接地線。以上兩個(gè)引腳對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)都是輸入端，作用是滿足單片機(jī)工作的電能需求。P0 口：P0口是一個(gè)

15、8位漏極開(kāi)路的三態(tài)（高電平、低電平、高阻）雙向輸入/輸出口，具有地址和數(shù)據(jù)傳輸功能，可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL管。P1 口：P1 口是一個(gè)具有部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向輸入/輸出口，對(duì)于52單片機(jī)具有變異功能，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL管。表3.1 引腳號(hào)第二功能P1.0T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出P1.1T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重在觸發(fā)信號(hào)和方向控制）P1的第二功能P2 口：P2 口是一個(gè)具有部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向輸入/輸出口，具有地址傳輸功能，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL管。P3口：P3 口是一個(gè)具有部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向輸入/輸出口，P3具有第二功能，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL管。第二

16、功能見(jiàn)下表。 表3.2P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2外部中斷0請(qǐng)求端，低電平有效P3.3外部中斷1請(qǐng)求端，低電平有效P3.4T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.5T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.6外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)，低電平有效P3.7外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)，低電平有效 P3的第二功能RST: 復(fù)位輸入引腳，高電平有效。在該引腳上輸入大于24個(gè)人晶振振蕩周期高電平時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)變低電平時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行程序。ALE/PROG：ALE地址鎖存允許信號(hào)輸入端，高電平有效。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，該信號(hào)將P0口送出的低8位地址鎖存到外部地址鎖存器中。

17、PROG編程脈沖為固化程序需要提供專門(mén)的編程脈沖。當(dāng)訪問(wèn)外部?jī)?chǔ)存器時(shí)，將以1/12的振蕩頻率輸入脈沖；當(dāng)不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，將以1/6的振蕩頻率輸入脈沖。PSEN:外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。在讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)CPU會(huì)送出有效的低電平信號(hào)。當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)，將以1/6的震蕩頻率產(chǎn)生PSEN有效信號(hào)；當(dāng)執(zhí)行片程序與訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，不產(chǎn)生PSEN有效信號(hào)。當(dāng)AT89C52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN將不被激活。EA/VPP:訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)輸入線。當(dāng)EA為低電平時(shí)，CPU只能訪問(wèn)外

18、部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)EA為高電平時(shí)，CPU先訪問(wèn)部程序存儲(chǔ)器（當(dāng)51單片機(jī)的PC值小于等于0FFFH時(shí)），然后訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（當(dāng)PC值大于0FFFH時(shí)）。VPP(+25V)位固化程序提供專門(mén)的編程電源。XTAL1:接外部晶振的一個(gè)引腳，是部反相放大器的輸入端。XTAL2:接外部晶振的一個(gè)引腳，是部反相放大器的輸出端。Flash 編程并行模式：AT89C52 帶有用作編程的片上Flash 存儲(chǔ)器陣列。編程接口需要一個(gè)高電壓（12V）編程使能信號(hào)，并且兼容常規(guī)的第三方Flash 或EPROM 編程器。編程方法：對(duì)AT89C52 編程之前，需設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)與控制信號(hào)，可采用下列步驟對(duì)AT89C52

19、 編程：1在地址線上輸入編程單元地址信號(hào)2在數(shù)據(jù)線上輸入正確的數(shù)據(jù)3激活相應(yīng)的控制信號(hào)4把EA/VPP 升至12V 5每給Flash 寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)或程序加密位時(shí)，都要給ALE/PROG 一次脈沖。每個(gè)字節(jié)寫(xiě)入周期是自身定時(shí)的，通常均為1.5ms。重復(fù)15步驟，改變編程單元的地址和寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，直到全部文件編程結(jié)束。3.1.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)由CPU AT89C52和一定功能的外圍電路組成，包括為單片機(jī)提供復(fù)位電壓的復(fù)位電路，提供系統(tǒng)頻率的晶振。這部分電路主要負(fù)責(zé)程序的存儲(chǔ)和運(yùn)行。圖3.2中AT89C52(AT89C51一樣）系統(tǒng)由部時(shí)鐘方式電路外接晶體以與電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路與單片機(jī)組成

20、 ，接在放大器的反饋回路中。單片機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件構(gòu)成的，軟件是由程序組成的。最小系統(tǒng)是單片機(jī)運(yùn)行的最基本的硬件和軟件，是單片機(jī)正常工作的基本保障。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、諧振器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶振一般為6MHz，它是單片機(jī)復(fù)位電路的典型值，而電容的典型值在20pF100pF之間選擇，但在60pF70pF時(shí)振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pF左右，但本電路采用33pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，一般情況下晶振或瓷振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，從而更好地保障了電路的穩(wěn)定性。為了提高溫度穩(wěn)

21、定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。AT89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和手動(dòng)按鈕復(fù)位兩種方式。本設(shè)計(jì)中所用到的是手動(dòng)按鈕復(fù)位.圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.2復(fù)位電路單片機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件構(gòu)成的，軟件是由程序組成的。程序則由系統(tǒng)指令構(gòu)成，正常情況下，希望系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)是從程序的固定位置(入口處)開(kāi)始執(zhí)行，復(fù)位的目的就是保障程序從入口處開(kāi)始運(yùn)行，如不能保證復(fù)位要求，程序則很有可能不從規(guī)定處進(jìn)行，會(huì)造成意想不到的問(wèn)題，如死機(jī)”“跑飛”等。所以以AT89C52作為主芯片的單片機(jī)需要一個(gè)復(fù)位電路，來(lái)啊保證指令的正常執(zhí)行。每次單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以便使

22、CPU和系統(tǒng)各部件都處于確定的初始狀態(tài)，并從初狀態(tài)開(kāi)始工作。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，振蕩器穩(wěn)定后，從單片機(jī)的復(fù)位引腳RST輸入一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）以上，CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位信號(hào)一般來(lái)說(shuō)不能太長(zhǎng)，因?yàn)樵趶?fù)位狀態(tài)下，單片機(jī)是不執(zhí)行程序的。電路一般采用積分型、專用芯片復(fù)位電路等來(lái)完成電路復(fù)位所需信號(hào)。單片機(jī)系統(tǒng)基本的復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動(dòng)按鈕復(fù)位。（1） 上電復(fù)位 上電復(fù)位工作過(guò)程是在加電時(shí)復(fù)位電路通過(guò)電容加給RST端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著VCC對(duì)電容的充電過(guò)程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠

23、地復(fù)位，RST端的高電平信號(hào)必須維持2個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間。（2） 手動(dòng)按鈕復(fù)位 該復(fù)位形式需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平，其電路如圖3.3所示。當(dāng)按下按鈕時(shí)，則VCC的+5V電平就會(huì)直接加到RST端，人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。圖3.3 復(fù)位電路3.2超聲波發(fā)射電路需要將由單片機(jī)發(fā)出的40kHZ的方波進(jìn)行放大，才能夠使超聲波傳感器發(fā)射出超聲波，作為發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，本質(zhì)上就是一個(gè)信號(hào)放大電路。圖3.4 超聲波發(fā)射電路原理圖超聲波發(fā)射的電路圖如圖3.4所示。發(fā)射電路主要是用反向器74ALS04連接到超聲波發(fā)射換能器T所構(gòu)成，由單片機(jī)P1.0端口輸出

24、的40kHZ方波信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)反向器放大后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)過(guò)雙重反向器放大后送到超聲波的另一電極。用這種方式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以有效地提高超聲波的發(fā)射效率，在輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提升驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R1、R2不但可以提高反向器74ALS04輸出高電平的能力，而且還可以提升超聲波換能器的阻尼效果，縮短它的自由振蕩時(shí)間。 關(guān)于74ALS04與74LS04的區(qū)別： 74LS04與74ALS04都是74系列的非門(mén)。 他們的區(qū)別是： 1、輸出：74LS04和74ALS04是一樣的。如果同一個(gè)公司，輸出參數(shù)都是一樣的。 2、輸入：兩者不同的是輸入不一樣。74

25、LS04輸入是TTL電平，74LS14輸入是施密特輸入（有滯回特性）。 因?yàn)檩斎氩灰粯樱瑑蓚€(gè)芯片的應(yīng)用場(chǎng)合也有所不同。74LS04多用于板一般數(shù)據(jù)的“非”控制，而74ALS04一般用于某些信號(hào)的整形或者異受干擾/關(guān)鍵信號(hào)的信號(hào)緩沖等。 大部分情況下74LS14可以替代74LS04；74ALS04和74LS04都是六反相器；74LS04是6非門(mén)IC工作電壓5V ，最大16mA的驅(qū)動(dòng)能力。在實(shí)際應(yīng)用方面 2者其實(shí)基本上沒(méi)什么區(qū)別的，用都一樣。 基于本實(shí)驗(yàn)要求超聲波輸出信號(hào)和接收信號(hào)盡可能降低干擾，所以本設(shè)計(jì)選取的是74ALS04芯片作為主要芯片。3.3超聲波檢測(cè)接收電路 參考紅外轉(zhuǎn)化接收電路，本設(shè)

26、計(jì)采用集成電路CX20106A，這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。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測(cè)距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用他作為超聲波檢測(cè)電路。如圖3.5超聲波檢測(cè)接收電路原理圖所示，適當(dāng)改變C12的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。管腳1是超聲波信號(hào)輸入端，是輸入阻抗約為40K;管腳2的C12 R19決定接受換能器的總增益，增大電阻R或者減小C，將使放大倍數(shù)下降，負(fù)反饋量增大，電容C的改變會(huì)影響到頻率特性，實(shí)際使用中一般不改動(dòng)，推薦選擇參數(shù)R=4.7 K，C=3.3uF;管腳5上的連接電阻R18用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率，阻值

27、越大，中心頻率越低，取R=200 K時(shí)，中心頻率約為42KHZ；管腳6與GND之間接入一個(gè)分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短；管腳7是遙控命令輸出端，是集電極開(kāi)路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源，該阻值推薦阻值為R5=220 K,沒(méi)有接受信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降；管腳8接電源正極。4.5V-5V.超聲波接受電路原理圖如下3.5所示圖3.5 超聲波接收電路原理3.4超聲波顯示電路 將系統(tǒng)正在運(yùn)行的狀態(tài)告訴操作者，需要顯示；我們這里利用超聲波測(cè)距需要把測(cè)得的結(jié)果顯示出來(lái)；當(dāng)我們吧需要控制的信號(hào)輸入到單片機(jī)系統(tǒng)中，輸入與輸出的信息就能夠顯

28、示出來(lái)。 常用的顯示方式有：LED彩燈顯示、數(shù)碼管顯示、和液晶顯示。我們的設(shè)計(jì)是利用數(shù)碼管顯示。 LED(Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽(yáng)兩種。 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，圖中ag七個(gè)筆端與小數(shù)點(diǎn)SP均為發(fā)光二極管。如果將所有大光二極管的陽(yáng)極連在一起作為公共端，稱為共陽(yáng)極二極管，如果將所有發(fā)光二極管的陰極連在一起作為公共端，則稱為共陰數(shù)碼管。圖3.6(a)為八段共陰數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖3.6 (b)是它的原理圖，圖3.6 (c)為八段共陽(yáng)LED顯示管原理圖。圖3.6 八段LED數(shù)碼顯示管原理和結(jié)構(gòu) 以74ALS245為主要芯片的顯

29、示電路如圖3.7所示，顯示電路中74ALS245芯片接由單片機(jī)的P0口，再由七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，從而利用單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7與共射極三極管的基極相連來(lái)控制數(shù)碼管的位選通。圖3.7單片機(jī)與顯示系統(tǒng)電路圖3.5報(bào)警電路采用一個(gè)蜂鳴器，輸出一定頻率的信號(hào)，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過(guò)一個(gè)三極管放大。報(bào)警的部分電路如下圖3.8所示。實(shí)現(xiàn)的功能：當(dāng)測(cè)得的距離小于最小值時(shí)，警報(bào)器觸發(fā)。圖3.8 報(bào)警電路3.6電源電路設(shè)計(jì)該電路電源是通過(guò)整流橋整流后經(jīng)C6C7濾波，然后由7805穩(wěn)定后提供穩(wěn)定的5V電壓,如圖3.9所示。圖3.9電源電路原理圖第四章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)

30、主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序與顯示子程序組成，由于C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序行動(dòng)的時(shí)間，而超聲波測(cè)距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。下面對(duì)超聲波測(cè)距器的算法，主程序，超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。4.1超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)圖5.1示意了超聲波測(cè)距的原理，既超聲波發(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)物體后反射回來(lái)，就會(huì)被超聲波接收器R接收到。這樣，只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回

31、信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器于反射物體的距離。該距離的計(jì)算公式如下4-1：d=s/2=(v×t)/2 （4-1）其中：d為被測(cè)物于測(cè)距器的距離；s為聲波的來(lái)回路程；v為聲速；t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。單片機(jī)障礙物發(fā)射管接收管圖4.1 超聲波測(cè)距離原理圖對(duì)于該系統(tǒng)影響最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以與接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋圍，減少測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表4.1 列出了

32、幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可以為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ囟龋ǎ?30-20-100103030100聲速（m/s）313319325323338344349386表4.1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表4.2總體設(shè)計(jì)方案 由單片機(jī)AT89C52編程產(chǎn)生40kHz的方波，由P1.0口輸出，再經(jīng)過(guò)放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來(lái)后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過(guò)接收電路的檢波放大、積分整形與一系列處理,送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離,并

33、由單片機(jī)控制顯示出來(lái)。圖4.2 時(shí)序圖 該測(cè)距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖4.2所示。4.3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(guò)P1.0端口發(fā)送兩個(gè)左右的超聲波脈沖信號(hào)（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12µs左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)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)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入超聲波接收中斷程序。就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T1，停止計(jì)時(shí)，

34、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T1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0，以表示本次測(cè)距不成功。單片機(jī)在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。4.4主程序主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對(duì)顯示端口P0和P2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)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時(shí)約0.1m

35、s（這也就是超聲波測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后才可打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1us，所以當(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)間）按式（5-2）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)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=（v×t）/2=（172T/10000）cm （4-2）其中：T為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。程序流程圖如圖4.3，(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。是否無(wú)有有回波初始化定時(shí)中斷子程序外部中斷子程序等待定時(shí)中斷入口定時(shí)器

36、初始化發(fā)射超聲波發(fā)射完否停止發(fā)射清中斷返回外部中斷入口讀取時(shí)間值計(jì)算距離保存結(jié)果清中斷返回(a) (b) (c) 圖4.3 程序流程圖用單片機(jī)編程產(chǎn)生40kHz方波，可用延時(shí)程序和循環(huán)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。先定義一個(gè)延時(shí)函數(shù)，然后可用語(yǔ)句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時(shí)改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。結(jié) 論 本課題介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)。給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。 超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方式以與它的一些特性。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計(jì)測(cè)距電路。單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制部分，采用Atmel公司生產(chǎn)的AT

37、89C52芯片。驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的40kHz的方波信號(hào)，就是由單片機(jī)編程產(chǎn)生的。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用74HC04六反向器，通過(guò)它對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。接收電路采用的是LM741，通過(guò)接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序。本系統(tǒng)的LED顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機(jī)軟件譯碼。單片機(jī)部采用C語(yǔ)言編程，方波信號(hào)的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距離的計(jì)算以與顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。 本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高、速度快、控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)距圍從20cm到200cm，測(cè)量精度在±10cm。測(cè)距系統(tǒng)在

38、許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學(xué)習(xí)中會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)?？傮w來(lái)說(shuō)，最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析、設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法。對(duì)一塊電路板的設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個(gè)過(guò)程，有了更深入的理解和掌握。這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的。 致 三年的讀書(shū)生活即將結(jié)束，但是對(duì)于我來(lái)言卻是另一次征程的開(kāi)始。三年的大學(xué)生活轉(zhuǎn)瞬即逝，期間有歡笑也有很多無(wú)奈。雖說(shuō)有些遺憾，卻也收獲頗多。三年的大學(xué)生活不僅讓我學(xué)到了知識(shí)，

39、還讓我懂的了感恩，學(xué)會(huì)奉獻(xiàn)，讓我在這三年得以充實(shí)。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)該是老師留給我們的最后一次作業(yè)本次設(shè)計(jì)得以順利完成，首先要感我們的指導(dǎo)老師：曉陽(yáng)老師的指導(dǎo)和大力支持。在繁忙的教學(xué)中，曉陽(yáng)老師忙里偷閑指導(dǎo)了我的設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、思路、同時(shí)提供了一些專業(yè)知識(shí)的幫助。在這里也要對(duì)給我提供幫助的同學(xué)說(shuō)聲，沒(méi)有你們的幫助，我可能無(wú)法成功的完成此次設(shè)計(jì)。同時(shí)也感三年來(lái)授之以漁的老師們，是你們的教導(dǎo)使得我們獲得了知識(shí)，表示衷心的感！參考文獻(xiàn)1 胡乾斌，光斌，玲等. 單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用M.華中科技大學(xué)，20042 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編M.航空航天大學(xué)，19963 長(zhǎng)贊. 紅外線與超聲波遙控M.人民郵

40、電， 1993.74 偉. 鞏壁建. 超聲波測(cè)距誤差分析J. 傳感器技術(shù)， 20045伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.機(jī)械工業(yè)， 20006 薛麗芳，汪卉，彥文俊. 基于超聲波的距離測(cè)量J. 自動(dòng)化與儀表， 2007(05)7 王田苗. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā).清華大學(xué), 20058馬忠梅,藉順心等. 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（第三版).航空航天大學(xué), 20039戴娟主編，倪瑛，單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用.高等教育， 2012.1010王連英主編，基于Multisim 10的電子仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際，郵電大學(xué)， 2009.8 附錄一 硬件電路圖硬件電路圖附錄2 程序;*;*超聲波測(cè)距器 *;*采用AT89

41、C52 12MHz晶振 *;*采用共陽(yáng)LED顯示器 *;*;測(cè)距圍10cm-5.5m，堆棧在4FH以上，20H用于標(biāo)志;顯示緩沖單元在40H43H,使用存44H、45H、46H用于計(jì)算距離; VOUT EQU P1.0 ;脈沖輸出端口;*;*中斷入口程序 *;*;ORG 0000H LJMP STARTORG 0003H LJMP PINT0ORG 000BH LJMP INTT0ORG 0013H RETIORG 001BH LJMP INTT1ORG 0023H RETIORG 002BH RETI;*;* 主程序 *;*START: MOV SP,#4FH MOV R0,#40H ;40

42、43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40為最高位） MOV R7,#0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ;T1為8位自動(dòng)重裝模式，T0為16位定時(shí)器 MOV TH0, #00H ;65ms初值 MOV TL0, #00H MOV TH1, #0F2H ; 40kHz初值 MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFHMOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制 SETB PX0SET

43、B ET0SETB EA SETB TR0 ;開(kāi)啟測(cè)距定時(shí)器start1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志為1 CLR EA LCALL WORK ;計(jì)算距離子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新開(kāi)啟測(cè)距定時(shí)器 MOV R2, #64H ;測(cè)量間隔控制（約4*100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP Start1;*;* 中斷程序 *;*;T0中斷，65ms中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;啟動(dòng)計(jì)