单片机测速系统经典论文.doc

1、25摘要 本系统采用单片机 AT89S52 为控制核心，对超声波发射和接收探头的收发进行控制，采集数据，处理数据，以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离，通过二次测量物体的距离来计算物体在极短时间内的平均速度，把结果送LED显示出来。软件部分应用单片机汇编语言实现了本设计的全部控制功能，包括开关控制工作和复位功能，具有错误报警功能。论文概述了单片机的基本原理及发展，介绍超声传感器的原理及特性。对于测速系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍单片机测速系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、数据处理、数据显示部分的总体设计方案进行了论证。进一

2、步分析了系统各部分的硬件及软件实现。关键词 单片机 超声波 测速Abstract：The system uses AT89S52 microcontroller as control core to realize the control of transmitting and receiving of ultrasonic probe transceiver, data acquisition, data processing,takes the ultrasonic propagation velocity in the air for determining conditions,use

3、s reflective ultrasonic to measure distance,calculates the average speed of object in a very short period of time through secondary measurement of the objects position,then sends the results to LED.The part of software applies compiled language to achieve all control functions of the design,includin

4、g switch control,reset function and the wrong alarm function.The paper outlines the basic principles and development of SCM,the principles and characteristics of ultrasonic sensor,discusses the main parameters of velocimetry system.And also outlines the overall composition on the basis of introducin

5、g SCM velocimetry system functions . Demonstrate the design plans in terms of ranging system transmitter and receiver, detection,data processing, data display.Further analyses the realization of various parts of system hardware and software.Key words：Microcontroller Ultrasonic Measurement speed 目 录1

6、、选题背景11.1单片机的历史与发展11.1.1 单片机的历史11.1.2 单片机的发展方向112 测速仪器的现状与意义22、 方案论证22.1单片机的基础知识介绍22.1.1 单片机概述22.1.2 单片机和微处理器32.1.3 单片机和嵌入式系统32.1.4 单片机的特点42.1.5单片机的应用52.1.6 MCS-51单片机52.2超声波62.2.1超声波的特点8 62.2.2 超声波传感器72.3测速原理82.3.1 测距82.3.2 测速83、设计过程论述103.1单片机测速系统的硬件实现103.1.1单片机测速系统的工作过程103.1.2单片机测速系统的硬件的总体113.1.3电源

7、电路部分123.1.4发射电路部分153.1.5接收电路部分163.1.6单片机控制部分173.1.7显示电路部分193.1.8 其它电路203.2单片机测速系统的软件实现213.2.1 单片机测速系统的软件工作过程223.2.2 单片机测速系统的程序流程图223.2.3 单片机测速系统软件组成243.2.4 单片机测速系完整的汇编程序244、结果分析255、总结25附录26参考文献35致 谢361、选题背景1.1单片机的历史与发展1.1.1 单片机的历史单片机出现的历史并不长，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步。1970年微型计算机研制成功后，随即在1971年，美国Intel公司

8、生产出了4位单片机4004。 1976年Intel公司推出了MCS-48系列单片机。成为单片机发展进程中的一个重要阶段，此可谓是第一代单片机。在MCS-48系列单片机的基础上，Intel公司在20世纪80年代初推出了第二代单片机的代表MCS-51系列单片机，这一代单片机的主要技术特征是为单片机配置了完美的外部并行总线和串行通信接口，规范了特殊功能寄存器的控制模式，以及为增强控制功能而强化布尔处理系统和相关的指令系统。近几年出现了具有许多新特点的单片机，可称为第三代。以80C51系列单片机为代表。尽管目前单片机品种繁多，但MCS-51系列单片机最为典型，它的功能强大，兼容性强，软硬件资料丰富，仍

9、不失为主流机型。在今后相当长的时间内，单片机应用领域中的8位机主流地位还不会改变。单片机是单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。其在工业(机、电、化、轻纺、自控)和民用家电各方面的广泛应用，各行各业的技术人员都迫切要求学习与掌握单片机技术，已成为测控技术现代化不可少的重要工具。1.1.2 单片机的发展方向综观单片机20多年来的发展过程，再从半导体集成电路技术的发展和微电子设计技术的发展，我们可以预见未来单片机技术发展的趋势。单片机将朝着大容量高性能化、小容量低价格化、外围电路的内装化以及I/O接口功能的增强、功耗降

10、低等方向发展。（1） 单片机的大容量化单片机内存储器容量进一步扩大。以往片内ROM为1KB-8KB，RAM为64字节256字节。现在片内ROM可达40KB，片内RAM可达4KB，I/O也不需再外加扩展芯片。OTPROM、FlashROM成为主流供应状态。而随着单片机程序空间扩大，在空余空间可嵌入实时操作系统RTOS等软件。这将大大提高产品的开发效率和单片机的性能。（2） 单片机的提高性能化今后将不断改善单片机内CPU的性能，加快指令运算速度，提高系统控制的可靠性，加强位处理功能、中断与定时控制功能。并采用流水线结构，指令以队列形式出现在CPU中，因而具有很高的运算速度。有的甚至采用多流水线结构

11、，其运算速度比标准的单片机高出10倍以上。单片机的扩展方式从并行总线发展出各种串行总线，并被工业界接受，形成一些工业标准，如 总线、DDB总线、USB接口等。它们采用3条数据总线代替现行的8位数据总线，从而减少了单片机引线，降低了成本。（3） 单片机的小容量低廉化小容量低廉的4位、8位机也是单片机发展的方向之一。其用途是把以往用数字逻辑电路组成的控制电路单片化。专用型的单片机将得到大力发展。使用专用单片机可最大限度地简化系统结构，提高可靠性，使资源利用率最高。在大批量使用时有可观的经济效益。（4） 单片机的外围电路内装化随着单片机集成度的提高，可以把众多的外围功能器件集成到单片机内。除了CPU

12、、ROM、RAM外，还可把A/D、D/A转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶驱动电器、锁相电路等一并集成在芯片内，进一步增强单片机的并行驱动能力。有的单片机可直接输出大电流和高电压，以便直接驱动显示器。为进一步加快I/O口的传输速度，有的单片机还设置了高速I/O口，可用最快的速度触动外部设备，也可以用最快的速度响应外部事件。（5） 单片机将实现全面的低功耗管理单片机的全盘CMOS化，非CMOS工艺单片机的淘汰，将给单片机技术发展带来广阔的天地。最显著的变革是本身低功耗和低功耗管理技术的飞速发展。低功耗的技术措施可提高可靠性，降低工作电压，可使抗噪声和抗干扰等各方面性能全面提高。这

13、是一切电子系统所追求的目标。12 测速仪器的现状与意义在现实中有很多用到测量速度。例如汽车上的速度计，公路上对汽车的速度进行监控以防止超速，人或者物体的移动速度，在生活、军事和科学领域上都有极其重要的应用。电子测速仪的原型是上个世纪50年代汽车拉力赛选手莫里斯。盖特桑耐德斯发明的，目的是为了监测他的车速。上世纪60年代，公路上开始安装带有胶卷的测速装置，而电子测速装置更是到上世纪90年代后期才得以应用。现在的测速仪器种类很多，有激光测速仪，雷达测速仪等。用超声波和单片机做测速系统是建立在超声波测量物体距离的基础之上实现。2、方案论证本章介绍了一些单片机的基础知识，列出了MCS-51系列的单片机

14、的一些功能，对超声波做了简单的介绍，详细地论证了利用超声波进行测速的工作原理。通过这些介绍和论证，为本论文后面章节的硬件设计和软件设计提供了理论依据。2.1单片机的基础知识介绍2.1.1 单片机概述所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。因此单片机早期的含义为单片机微型计算机，直接译为单片机，并一直沿用至今。由于单片机面对的是测控对象，突出的是控制功能，所以它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的。随着单片机技术的发展，它在芯

15、片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机传统的体系结构，所以更为确切反映单片机本质的名称应是微控制器。单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，它有惟一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点，因此单片机又称之为嵌入式微控制器。但是，在国内单片机的叫法仍然有着普遍的意义。我们已经把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器，它是一个典型的嵌入式应用计算机系统。目前按单片机内部数据通道的宽度，把它们分为4位、8位、16位及32位单片机。2.1.2

16、 单片机和微处理器随着大规模和超大规模集成电路技术的快速发展，微计算机技术形成了两大分支：微处理器和单片机。微处理器MPU是微型计算机的核心部分，它的性能决定了微型计算机的性能。通用型的计算机已从早期的数值计算、数据处理发展到当今的人工智能阶段。它不仅可以处理文字、字符、图形、图象等信息，而且还可以处理音频、视频等信息，并正向媒体、人工智能、数字模拟和仿真、网络通信等方向发展。它的存储容量和运算速度正在以惊人的速度发展。高性能的32位、64位微型计算机系统正向中、大型计算机挑战。单片机MCU主要用于控制领域。它构成的检测控制系统应该有实时的、快速的外部响应，应该能迅速采集到大量数据，能做出正确

17、的逻辑推理和判断后实现对被控制对象参数的调整和控制。单片机的发展直接利用了MPU的成果，也发展了16位、32位的机型。但它的发展方向是高性能、高可靠性、低功耗、低电压、低噪音和低成本。目前，单片机的主流仍然是以8位机为主，16位、32位为辅。单片机的发展主要还是表现在其接口和性能不断满足多种多样检测控制对象的要求上，尤其突出表现在它的控制功能上，构成各种专用的控制器和多机控制系统。2.1.3 单片机和嵌入式系统面向检测控制对象，嵌入到应用系统中去的计算机系统称之为嵌入式系统。实时性是它的主要特征，对系统的物理尺寸、可靠性、重启动和故障恢复方面也有特殊的要求 。由于被嵌入对象的体系结构、引用环境

18、等的要求，嵌入式计算机系统比通用的计算机系统应用设计更为复杂，涉及面也更为广泛。从形式上可将嵌入式系统分为系统级、板级和芯片级。系统级嵌入式系统为各种类型的工控机，包括进行机械加固和电气加固的通用计算机系统，各种总线方式工作的工控机和模块组成的工控机。它们大都有丰富的通用计算机软件及周边外设的支持，有很强的数据处理能力，应用软件的开发也很方便。但由于体积庞大，适用于具有大空间的嵌入式应用环境，如大型实验装置、船舶、分布式测控系统等。板级嵌入式系统则有各种类型的带CPU的主板及OEM产品。与系统级相比，板级嵌入式系统体积比较小，可以满足较小空间的嵌入式应用环境。芯片极嵌入式系统则以单片机最为经典

19、。单片机嵌入到对象的环境、结构体系中去作为其中一个智能化的控制单元，是最典型的嵌入式计算机系统。它有惟一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级的体积和在现场运行环境下的高可靠性，它最能满足各种中、小型对象的嵌入式应用要求。因此，单片机是目前发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式计算机系统。但是，一般的单片机目前还没有通用的系统管理软件和监控程序，而只是放置由用户调试好的应用程序。它本身不具备开发能力，常常需要专门的开发工具。2.1.4 单片机的特点单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的、完成的单片微型计算机。其基本组成部分有中央处理

20、器，数据存储器（RAM），程序存储器 （ROM），并行I/O口，串行I/O口，定时器/计数器等。时钟OSC中央处理器CPU程序储存器ROM数据存储器RAM各种I/O定时器/计数器内部总线.中断图2.1 单片机的典型结构框图单片机的中央处理器CPU和通用微处理器基本相同，由运算器和控制器组成，另外增设了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种条转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。单片机的存储空间有两种基本机构。一种是普林斯顿结构，将程序和数据合用一个存储器空间，即ROM和RAM的地址同在一个空间里分配不同的地址。CPU访问存储器时，一个地址对应惟一的一个存储单元，可以是ROM

21、，也可以是RAM，用同类的访问指令。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛结构。CPU用不同的指令访问不同的存储器空间。由于单片机实际应用中“面向控制”的特点，一般需要较大的程序存储器。目前，包括MCS-51和80C51系列的单片机均采用程序存储器和数据存储器截然分开的哈佛结构。在单片机中，用随机存取的（RAM）来存储数据，暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等，所以称之为数据存储器。一般在单片机内部设置一定容量（64B-256B）的RAM，并以高速RAM的形式集成在单片机内还把专用的寄存器和通用的寄存器放在同一片内RAM统一编址，以利于运行速度的提高。对于某

22、些应用系统，还可以外部扩展数据存储器。单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。单片机为了突出控制的功能，提供了数量多、功能强、使用灵活的并行I/O口，使用上不仅可以灵活地选择输入或输出，还可作为系统总线或控制信号线，从而为扩展外部存储器和I/O借口提供了方便。高速的8位单片机都可提供全双工串行I/O口，因而能和某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连接。在实际的应用中，单片机往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数，因而在单片机内部设置了定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。2

23、.1.5单片机的应用由于单片机功能的快速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算机科学的领域。小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从实现数据采集、过程控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，到处都离不开单片机。其主要的应用领域如下：l 在智能仪器仪表中的应用：单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化、智能化、多功能化和综合化等方向发展。单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化的处理等难题迎刃而解。在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 l 在机电一体化中的应用：机电一体化产品是指集机械

24、、微电子技术、计算机技术于一本，具有智能化特征的电子产品。与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化，控制走向智能化。l 在实时过程控制中的应用：用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量。用于构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。例如，工业上的锅炉控制、电机控制、车辆检测系统、水闸自动控制、数控机床及军事上的雷达、导弹系统等。l 在智能接口中的应用：计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制管理，单片机与主机并行工作，可大大提高系统的运行速度。例如，在大型数据采集系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可

25、提高采集速度，还可以对数据进行预处理。如数字滤波、误差修正、线性化处理等。l 在人类生活中的应用：格低廉、体积小巧，被广泛应用在人类生活的诸多场合。目前国外各种家用电器已普通采用单片机代替传统的控制电路。 在家用电器、玩具、游戏机、办公设备、厨房设备、声像设备等产品中引入单片机，功能增强，效果极加，单片机将使人类的生活更加方便舒适，丰富多彩。 2.1.6 MCS-51单片机MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在

26、，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。MCS-51系列的制成及发展与HMOS工艺的发展密切相关。HMOS是高性能的NMOS工艺。而CMOS与HMOS工艺的结合则产生了C-HMOS工艺的产品，例如80C51、80C31等。这些产品既保持了HMOS高速和高封装密度的特点，又具有CMOS低功耗的优点。C-HMOS工艺的单片机具有掉点保护和冻结运行两种独特的处理方式。MCS-51是一个独立的高性价比的8位单片机系列，具有一定的片内存贮器容量及外部寻址范围，含有全双工串行I/O和16位定时器/计数器，并具备乘、除法运算功能，具有较高的运算速度，因而适合于复杂的应用场合。MCS-51系列单

27、片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，由于面对的是测控对象，突出的是控制功能，所以它从功能和形态上来说都是应用控制领域应用的要求而诞生的。其主要功能如下：8位CPU4kbytes 程序存储器(ROM)128bytes的数据存储器(RAM)32条I/O口线111条指令，大部分为单字节指令21个专用寄存器2个可编程16位定时/计数器5个中断源，2个优先级一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为64kB外部程序存储器寻址空间为64kB逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装单一+5V电源供电MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向

28、控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，象PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品，就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容C51(人们习惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明，二者同指MCS-51系列单片机)的单片机品种。2.2超声波2.2.1超声波的特点我们的耳朵只能分辨频率为20至2万赫的声音，超声波是指振动频率大于20KHz以上的，超出了人耳听觉的上限（200

29、00Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，它的频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度，碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用

30、主要采用纵向振荡。 超声波具有如下特性：l 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。l 超声波可传递很强的能量。l 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。l 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。声音在25空气中传播速度的理论值为344m/s，这个速度在0时降为334m/s。声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次温度、湿度、大气压也是其中的因素，而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。它和温度的关系可以用以下公式来表示:C=3 31.45+0.61 T(米/秒)。在使

31、用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的(340m/s)。表1 波速与温度的关系2.2.2 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压

32、电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。在压电陶瓷上加有大小和方向小断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为fo交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷品片上有超声机

33、械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成。2.3测速原理速度的计算公式有主要几个：V=S/T （1）V=Vt-Vo （2）V=Vo+AT （3）V=AT （4）（S为待测物体的位移，T为待测物体做出S位移的时间，A 为待测物体的加速度，Vo为待测物体的初速度，Vt为待测物体的末速度）公式（1）是求测物体的基本计算公式。最为直接，S跟T都是基本的物理量，只要求得S跟T两个参数就可以计算出来；公式（2） 一般用于求相对速度；公式（3）

34、如果物体的初速度为零，那就等同于公式（4），但待测物体具备速度，加之公式（3）需要求的参数比叫多，且加速度A为未知量。所以，如果利用公式1可以实现测量的话，那公式1是首选。2.3.1 测距超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，向某一方向发射超声波，中途碰到障碍物就立即返回来，通过时差原理以及声速已知很容易知道出发射点离障碍物的距离是可以计算出来的。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实际应用的要求。待测物体tST探头图2.2 测距原理图如图2.2，用超声波在待测物体静止条件下的测量原理，因为声波的速度以知，在一般条件下是Vo

35、=340m/s,利用公式 S=Vo*T则可以得到待测物体到探头的距离。2.3.2 测速速度是有方向的物理量，现在先假设待测物体的移动方向指向探头，移动轨迹跟探头处在同一条直线上。因为超声波的速度相对待测物体是比较快的，通过两次测量待测物体的距离可以得到物体在极段时间内的速度。如图：待测物体探头 TS发射t1t2接收 t3发射t4t5接收S2S1T2T1待测物体的移动方向图2.3 测速原理图图2.3中，S1为第一次发射超声波接触物体时物体到探头的距离，S2为第二次发射超声波接触物体时物体到探头的距离，T1是从第一次发射到接收用的时间，T2是从第二次发射到接收用的时间，t1是第一次发射从发射到超声

36、波达物体时的时间，t2是第一次发射超声波达物体反射回来到到达探头的时间，t3为第一次接收到第二次发射的时间，t4是第二次发射从发射到超声波达物体时的时间，t5是第二次发射超声波达物体反射回来到到达探头的时间，根据公式V=S/T，可知道求得S和T就可以得到待测物体的移动速度V。时间T：由图可知道T=t2+t3+t4；因为超声波从发射到返回这两个过程的时间是相同的，可得t1=t2,t4=t5, T1=t1+t2,T2=t4+t5。因为T1跟T2是可以通过单片机的计数器获得的，所以为已知，可知道T=（T1+T2）/2+t3。位移S：由图可知道S=S1S2，根据位移公式S=VT和超声波的速度为已知可得

37、到S1=VoT1 /2，S2=VoT2 /2，Vo为超声波在空气中的传播速度。所以S=Vo/2 *（T1T2）根据以上推导，可以得到V=S/T=Vo/2 *（T1T2）/ （T1+T2）/2+t3根据以上推导可以知道如果t3确定下来，那物体在短时间里的平均速度是可以求得的。t3是可以根据需要而给出的，这个要看系统的需要，与系统的程序大有关系，但是可以确定的一点是t3的值需要做到越小越好，这样测量物体的速度时用的时间越短，越接近待测物体的瞬时速度。需要注意的是速度是一个有方向的物理量，前面做了待测物体正向探头移动，且移动轨迹跟探头处在同一条直线上的假定。如果待测物体是反向探头移动，且移动轨迹跟探

38、头处在同一条直线上，那可以将T1跟T2的值进行对换，对换后其计算是跟正向移动时一样的。如果待测物体的移动轨迹跟探头不处在同一条直线上，那样测量出来的值并不是物体的速度，而是物体速度的一个分量。当物体的运动轨迹跟探头到待测物体的直线是垂直时，不能进行测量。以上所述，本系统只能对待测物体的移动轨迹跟探头处在同一条直线上的情况进行测量，才能得到计较精确的数据。3、设计过程论述3.1单片机测速系统的硬件实现对单片机测速系统的硬件部分做详细地介绍，包括每小部分的组成，工作原理以及集成芯片的内部结构及引脚功能。从要实现的功能过渡到对应的硬件选择，为后面软件实现系统的控制和数据的采集奠定实物基础。3.1.1

39、单片机测速系统的工作过程系统需要的硬件是为了本系统能实现其目的而考虑的，也就是为了能达到测量待测物体的速度而考虑的。根据系统工作的需要，把系统的工作过程分为手动控制部分，数据的采集部分，数据的处理部分，数据的输出部分。手动控制部分是为人机交互考虑的，它能实现使用者对系统的控制，包括电源电路和其开关插座，工作开关，复位电路。数据的采集部分包括了超声波发射和接收电路，整流电路，这个过程能让采集回来的数据送给单片机进行下一步的数据处理。数据的处理部分是由单片机一手包办的，通过程序实现它的全部处理过程。数据的输出部分由三位LED显示出测量得到的数据。如下：数据显示手动控制数据采集数据处理等待图3.1目

40、的流程图为了实现图3.1的目的，考虑其相应的硬件，在确定硬件选择之前，先构建需要的工作过程。系统的工作流程图如图3.2：通电源开机显示亮绿灯手动控制采集数据数据处理显示数据超出量程报警，显示出错亮红灯运行出错复位运行出错图3.2系统的工作流程图3.1.2单片机测速系统的硬件的总体系统的硬件的选择是建立在其要实现的功能之上的。合理的选择硬件可以让系统更合理的实现，达到更好的工作效果，节省资源。系统的硬件主要包括：电源电路部分，发射电路部分，接收电路部分，单片机控制部分和显示电路部分。其它电路包括单片机的晶振电路和复位电路。系统的总电路如图3.3：图3.3 系统的总电路图3.1.3电源电路部分电路

41、总图中并没有包括电源电路部分，因为电源电路部分的构造简单，主要是一个三端集成稳压器构成。电源主要是输出5V电压为各个部件的提供电源供给。三端稳压器件78xx/79xx 系列三端稳压器件是最常用的线性降压型 DC/DC 转换器，目前也有大量先进的 DC/DC 转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器 LDO等, （例如，NSC 的 LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM 的 MAX1747 等等）。 78xx/79 系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。 如7805，7806，7809，7812，7815，7824，（79）。以及三瑞可调稳压（LM317,337,338

42、.） 图3.3三端稳压器电路图电路如图3.3所示，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。下面对各部分电路作简单介绍。（1）启动电路在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路给恒流源的BJT T4、T5提供基极电流。启动电路由T1、T2、DZ1组成。当输入电压V1高于稳压管DZ1的稳定电压时，有电流通过T1、T2，使T3基极电位上升而导通，同时恒流源T4、T5也工作。T4的集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1相等的稳压值，整个电路进入正常工作

43、状态，电路启动完毕。与此同时，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。（2）基准电压电路基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2组成，电路中的基准电压为式中VZ2为DZ2的稳定电压，VBE为T3、D1、D2发射结（D1、D2为由发射结构成的二极管）的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R1、R2、DZ2与具有负温度系数的T3、D1、D2发射结互相补偿，可使基准电压VREF基本上不随温度变化。同时，对稳压管DZ2采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入电压波动的影响。（3）取样比较放大电路和调整电

44、路这部分电路由T4T11组成，其中T10、T11组成复合调整管；R12、R13组成取样电路；T7、T8和T6组成带恒流源的差分式放大电路；T4、T5组成的电流源作为它的有源负载。T9、R9的作用说明如下：如果没有T9、R9，恒流源管T5的电流IC5=IC8+IB10，当调整管满载时IB10最大，而IC8最小；而当负载开路时IO=0，IB10也趋于零，这时IC5几乎全部流入T8，使得IC8的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接入由T9、R9级成的缓冲电路。当IO减小时，IB10减小，IC8增大，待IC8增大到 0.6V时，则T9导通起分流作用。这样就减轻了T8的过多负担，使IC8的

45、变化范围缩小。 （4）保护电路减流式保护电路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4组成，R11为检流电阻。保护的目的主要是使调整管（主要是T11）能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值PCM。首先考虑一种简单的情况。假设图1中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即PCPCM并且输出电流IO在额定值以内，流过R11的电流使 =IOR110.6V时，使T12管导通。由于它的分流作用，减小了T10的基极电流，从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既

46、考虑通过它的电流和它的管压降VCE值，又使PC（VZ3+ VZ4），则DZ3、DZ4击穿，导致T12管发射结承受正向电压而导通。VBE12的值为经整理后得显然，（VI VO）越大，即调整管的VCE值越大，则IO越小，从而使调整管的功耗限制在允许范围内。由于IO的减小，故上述保护称为减流式保护。（5）过热保护电路电路由DZ2、T3、T14和T13组成。在常温时，R3上的压降仅为0.4V左右，T14、T13是截止的，对电路工作没有影响。当某种原因（过载或环境温升）使芯片温度上升到某一极限值时，R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高，而T14的发射结电压VBE14下降，导致T14导通，T13也随之

47、导通。调整管T10的基极电流IB10被T13分流，输出电流IO下降，从而达到过热保护的目的。电路中R10的作用是给T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一条分流通路，以改善温度稳定性。值得指出的是：当出现故障时，上述几种保护电路是互相关联的。78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项： l 输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； l 输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； l 输入输出压差也不能太小,大小效率很差。3.1.4发射电路部分系统的发射电路主要由超声波发射探头和反相器4LS04N

48、组成的。如下图3.4：图3.4 发射电路电路图超声波传感器在第二章已经做了简单的介绍，超声波发射探头其实就是一个电声转换器，把电信号转换成声波信号。在压电晶片加上交变电压，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。超声传感器才有较高的灵敏度。74LS04N反相器支持3路输入，由其内部结构图可以了解，引脚14接电源，引脚7接地。单片机由P2.6引脚输出一连串电流波形为矩形波的电流。经过反相器驱动发射探头发射超声波。图3.574LS04N 的外部图 图3.6 74LS04N 的内部结构图3.1.5接收电路部分系统的接收部分主要由超声波接收探头和集成电路前置放大器CX20106组成，如下图

49、3.7：图3.7 接收电路电路图超声波接收探头与发射正好相反，是声电转换器，把声音信号转换成电信号。当超声波接收探头收到声波信号时，转换成电信号送给CX20106，经处理后送给单片机的外部中断引脚0。让系统进入中断。集成CX20106简介专用集成电路前置放大器，首先是用于彩色电视机的红外线遥控接收电路中。由于功能强，性能优越，成本低，故已在各种红外线遥控系统中得到广泛的应用。CX20106是索尼公司产品。它由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。其中的电平自动控制电路可以保证在输入弱信号时前置放大器有较高增益，在输入强信号时前置放大器不会过载，可以保证在一定遥控距离

50、（约10m）内工作可靠。其内部设置的滤波器中心频率f0由其脚外接电阻调节，范围可从30KHz60KHz。CX20106的工作电程大致如下：其中的前置放大器将超声波接收探头产生的脉冲电压进行放大，电压增益约7779dB。然后将信号送限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经整形后，由7脚输出指令信号。实际上，CX20106的功能用一句话概括，就是当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的信号时，其输出端7脚就输出低电平。引脚7连接到单片机的INT0，即外部中断零引脚。CX20106的主要参数如下：l 电源电压典型值为5V，最大17V。

51、l 电源电流.mA(典型值为1.8mA)。l 输出低电平.。l 电压增益d。l 输入阻抗。l 滤波器中心频率30zz。l 允许功耗0.8。由于内部有滤波电路，故其外围电路简单，由于不用外接电感进行选频，故抗干扰能力强。其中引脚5为滤波器中心频率调节电阻；引脚2为前置放大器负反馈电阻；引脚7为输出端负载电阻；引脚3为检波电容；引脚6为积分电容，C的脚，发射极接地。CX20106各引脚功能如下：1IN遥控信号输入端(此脚与地之间接超声波接收探头)2C1前置放大器频率特性和增益设定(此脚与地之间接RC串连电路)3C2接检波电容4GND接地5f0设定带通滤波器的中心频率(此脚与电源间接电阻)6C3外接

52、积分电容7OUT输出端8Vcc外接电源3.1.6单片机控制部分控制部分主要由AT89S52单片机和按键开关组成的。用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量。单片机的P2.7引脚接到控制按键开关，按键按下时有低电平输入到P2.7引脚。见图3.8。图3.8 控制部分电路图AT89S52单片机AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统

53、及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系

54、统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。图3.9 单片机AT89S52引脚图主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 32个双向I/O口 3个16位可编程定时/计数器 全双工UART串行中断口线 2个外部中断源 中断唤醒省电模式 看门狗（WDT）电路 灵活的ISP字节和分页编程 8k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM 4.5-5.5V工作电压 时钟频率0-33MHz 256x8bit内部RAM 低功耗空闲和省电模式 3级加密位 软件设置空闲和省电功能 双数据寄存器指针AT89S51增加的新功能包括： 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！ ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51