毕业设计（论文）基于STC89C52单片机的超声波物位传感器之硬件设计

1、题 目：超声波物位传感器之硬件设计 专 业： 本 科 生： （签名） 指导教师： （签名） 摘 要 随着国家对煤矿安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国矿井基本上 都安装了安全监测监控系统，大大提高了矿井安全生产水平。物位传感器为煤矿安全监 控系统提供实时物位数据，具有很重要的作用。 本文介绍了一种基于 stc89c52 单片机的超声波测距系统。由 stc89c52 单片机、 超声波传感器模块、电源模块和 lcd 液晶显示模块构成了该系统的硬件部分。阐述了 超声波测距系统的硬件电路构成及工作原理。该系统硬件结构简单、工作可靠，有良好 的测量精度。测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳

2、定地显示测量结果。 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点。利用超声 波测距具有反应迅速、方便简单、易于实现实时控制等优点，并且，通过实验验证，在 测量精度方面能达到工业实用的要求，在煤矿安全监测监控系统中的应用具有重要的现 实意义。 关键词：超声波，测距，stc89c52，lcd subject :the ultasonic thing location of the sensor design of hardware specialty :automation name :wang peng (signature) instructor: guo xiu cai (

3、signature) abstract with the state coal mine safety production requirements and continuously improve their own development needs, chinas mines are basically installed a security monitoring and control system, greatly improved the level of mine safety. level sensor for the coal mine safety monitoring

4、 system provides real-time object-bit data, play a very important role. the article introduces a microcomputer-based ultrasonic ranging system stc89c52. the system hardware includes the stc89c52 microcontroller, ultrasonic sensor module, power module and lcd liquid crystal display modules. ultrasoni

5、c ranging system described hardware circuitry and how it works. the system hardware structure is simple, reliable, good accuracy. measurement without direct contact with the measured object, can clearly show stable measurement results. ultrasound has characters as strong point, low power consumption

6、, slow propagation in the medium distance and so on using ultrasonic ranging is responsive, convenient and simple, easy-to-real-time control advantages. and the experiments verify the accuracy of practical measures to achieve the requirements of industry in the coal mine safety monitoring system has

7、 important practical significance. key words：ultrasonic sensors,range finder,stc89c52,lcd 目 录 前 言 .iii 1 绪 论 .1 1.1 课 题 研 究 的 背 景 及 意 义 .1 1.1.1 课题背景介绍 .1 1.1.2 研究的目的和意义 .2 1.2 超 声 波 测 距 的 优 点 及 国 内 外 发 展 情 况 .2 1.2.1 超声波测距的优点 .2 1.2.2 国内外发展情况 .2 2 方 案 论 证 .4 2.1 超 声 波 测 距 原 理 .4 2.1.1 超声波的性质 .4 2.1

8、.2 超声波传感器 .4 2.1.3 超声波测距原理 .9 2.2 系 统 工 作 原 理 .10 2.3 系 统 方 案 论 证 .11 2.3.1 系统方案一 .11 2.3.2 系统方案二 .11 3 系 统 硬 件 电 路 的 设 计 .13 3.1 系 统 芯 片 介 绍 .13 3.1.1 stc89c52 单片机 .13 3.1.1.1 stc89c52 单片机外部接口 .14 3.1.1.2 stc89c52 单片机内部结构 .17 3.1.1.3 单片机最小系统 .20 3.1.2 max232 .21 3.1.3 lcd1602 .22 3.1.4 三端稳压芯片 7805

9、.24 3.2 控 制 模 块 .24 3.3 通 信 模 块 .25 3.3.1 rs232 简介 .25 3.3.2 通信模块硬件电路 .26 3.4 显 示 模 块 .29 3.4.1 液晶显示器 .29 3.4.2 stc89c52 与 lcd1602 的硬件电路： .30 3.5 超 声 波 模 块 dyp-me007 .30 3.6 电 源 模 块 .32 4 电 路 调 试 及 误 差 分 析 .34 4.1 电 路 调 试 .34 4.2 系 统 的 误 差 分 析 .35 4.2.1 声速引起的误差 .35 4.2.2 单片机时间分辨率的影响 .36 4.2.3 发射接收时间

10、对测量精度的影响分析 .37 5 结 论 .38 6 致 谢 .39 论 文 小 结 .40 参 考 文 献 .42 附 录 .43 附录一 .43 附录二 .44 附录三 .45 前 言 煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的主要 能源之一。煤炭因为储量巨大已成为人类生产生活中的无法替代的能源。然而，在煤矿 生产的过程中存在很多安全性问题。自 2000 年以来，随着国家对煤矿企业安全生产要 求的不断提高，我国各大、中、小煤矿陆续装备了矿井安全监测监控系统。系统的装备 大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。 煤矿安全监测监控系统是建立在各种矿用传感器之上的

11、。传感器的稳定性和可靠性 是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术和产品。本文介绍了一 种基于 stc89c52 单片机的超声波物位测距传感器。超声波物位传感器是一种用来测量 煤仓料位、堆煤检测、传送机物流等的测距传感器，它为安全监测监控系统提供实时的 测距值。利用超声波测距具有反应迅速、方便简单、易于做到实时控制等特点，并且在 测量精度方面能达到工业实用的要求，在煤矿安全检测监控系统中得到了广泛的应用。 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点。所以，在 利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的 一种，它广泛应用于防盗

12、、倒车雷达、水位测量、移动机器人、海洋测量、建筑施工工 地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，介绍了 stc89c52 单片机的基本结 构、性能及特点。并在分析了超声波测距原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和 所需考虑的问题，给出了以 stc89c52 单片机为核心的低成本、高精度、微型化液晶显 示超声波测距仪的硬件电路。本设计利用了发射接收一体化的超声波传感器模块和微处 理器。采用超声波传感器分时工作于发射和接收，利用声波在空气中的传播速度和发射 脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离。在本设计中 stc89c52 单片机、电源模块、l

13、cd 液晶显示器和超声波传感器模块构成了该系统的硬 件部分。本系统的硬件电路结构比较简单、工作可靠度高、性能良好、检测速度快、计 算简单、可控性强、测量精度较高，能够达到行业要求。测量范围可达 5 米。测量时与 被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。 距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数。因此，测距就成为数据采集中 要解决的一个问题。尽管测距有多种方式，比如激光测距，微波测距，红外线测距等。 但是，超声波测距不失为一种简单可行的方法。本文介绍的电路，成本低廉，性能可靠， 所用元件容易购得，并且利用测距原理，结合单片机的数据处理，使测量精度提高，电 路实现容易，无须调试，工作稳

14、定可靠。为距离测量提出了一种新的思路，为传感器设 计提供了新方法。 1 绪 论 1.1 课 题 研 究 的 背 景 及 意 义 1.1.1 课题背景介绍 煤炭作为工业发展的重要能源，在国民经济发展中起着非常重要的作用。2002 年我 国拥有煤炭生产企业约 2.6 万家，其中有 23000 多个小煤矿。2005 年，全国共有国有重 点煤矿 769 处，生产原煤 10 亿吨；国有地方煤矿 1763 处，3 万吨以上矿井 1544 处，生 产原煤 3 亿吨；乡镇煤矿 2.1 万余处，生产原煤 8.9 亿吨。截止 2007 年底，大陆煤炭产 业具有一定规模的企业数量已经达到 6770 余家，有 130

15、0 个县(市)生产煤炭，重点产煤 县 480 余个，矿井数量仍高达 10000 余处。煤炭作为基础性能源，其下游消费者众多。 按产业来分，其消费遍及农业、工业和第三产业，其中工业是煤炭的主要消费领域，可 以说煤炭是工业的“粮食” 。1990 年以来，随着工业经济的迅速发展，其煤炭需求比重 也呈现出逐年上升趋势，1990 年大陆工业煤炭消费占总消费的 76.85%，到了 2005 年该 数值已攀升至 93.48%。我国煤炭资源丰富，但地质条件恶劣，地质构造复杂，47%的矿 井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井，致使煤矿生产中的安全问题复杂化。而且，随着采掘深 度的加大以及高产高效矿井的发展，煤矿又面临着许

16、多新的安全技术问题。随着国家对 煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需求，煤矿安全监测监控系统得到 了普遍应用。煤矿安全监控系统是指对煤矿的瓦斯、料位、风速、一氧化碳、烟雾、温 度等环境参数和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控 制，用计算机分析处理并取得数据的一种系统。系统的装备能够大大提高矿井安全生产 水平和安全生产管理效率。随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广 泛应用，物位测量问题显得越来越重要。 国外煤矿监测监控技术是 20 世纪 60 年代开始发展起来的，至今已经有四代产品。 从技术特性来看，主要是从信息传输发生的进步来划分监控系统

17、发展阶段的。分别是信 道空分制、频分制、时分制、分布式微处理机传输四个阶段。我国监测监控技术应用较 晚，20 世纪 80 年代初研制了 kj2、kj4、kj8、等监控系统，在我国煤矿已大量使用。 实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。煤矿监测监控 系统向着更高的自动化程度发展。开发全面的专家系统，研制高可靠性、品种齐全的矿 用传感器，合理的规范通信协议，实现全面化的网络管理将是煤矿监测监控系统未来的 发展趋势。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内 各主要科研单位和生产厂家又相继推出了 kj90、kj95、kj101、kjf2000、kj4

18、/kj2000 和 kjg2000 等监控系统，以及 msnm、webgis 等煤矿安全综合化和数字化网络监测 管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有 关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监 测监控系统。 1.1.2 研究的目的和意义 由于超声波的指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经 常用于距离位置的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声 波检测比较迅速且易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。物 位探测传感器在煤矿监测监控系统中得到了广泛的运用。它是监测

19、监控系统中的基础组 成部分。物位测量数据可为监控系统提供准确的距离值，是监测监控实现的基本条件。 超声波物位传感器具有迅速、简单、计算方便、准确度高等特点，非常适用于煤矿监测 监控系统。因此，超声波物位传感器的设计具有很高的实用价值。 1.2 超 声 波 测 距 的 优 点 及 国 内 外 发 展 情 况 1.2.1 超声波测距的优点 目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距 4 种。与其 他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点： （1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体（如玻 璃、抛光体） 。 （2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗

20、、有灰尘或烟雾、电磁干扰 强、有毒等恶劣环境中。 （3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、 易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。 1.2.2 国内外发展情况 一般认为，关于超声的研究最初起始于 1876 年 f1galton 的气哨实验。当时 galton 在空气中产生的频率达 300khz，这是人类首次有效产生的高频声波。而科学技术的发 展往往与一些偶然的历史事件相联系。对超声波的研究起到极大推动作用的是，1912 年 豪华客轮 titanic 号在首航中碰撞冰山后的沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家 们提出用声

21、学方法来预测冰山。在随后的第一次世界大战中，对超声的研究得以进一步 的促进。 近些年来，随着超声技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触 等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、 航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等 领域中也占据重要地位。 在我国，关于超声波的大规模研究始于 1956 年。迄今，在超声波的各个领域都开 展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。 中国测试技术研究所李茂山在超声波测距原理及实践技术中详细地阐述了超声 波的测距原理，并给出了实现超声波测距的具体框图，并讨论了影响超

22、声波测距精度的 几种原因。在文中，他并未提及超声波测距所需的一些具体电路，只是给出了测距一般 所需的电路名称，没有提及各种电路间的匹配。 1998 年，曼内斯德马泰克(秦皇岛)有限公司推出了一种数字式超声波位移测量仪， 李忠杰在数字式超声波位移测量仪的研究一文中介绍了这种数字式超声波位移测量 仪的结构，工作原理和功能，其数据处理借助于单板机，给出了程序框图，对仪表的各 部分硬件电路做了较详细的说明，并列出了部分仪表的实测数据，并分析了误差产生的 原因。在此文中，给出了超声波测距仪在对液压缸位移进行测量时与其它位移传感器的 优势所在，并给出了单片机的程序框图。中国科学院上海声学实验室的王润田在双

23、频 超声波测距一文中提出了一种双频超声波测距的原理和方法，由于空气对超声波的吸 收与超声波的平方成正比，因此，用来测距的超声波的频率不能很高，但另一方面频率 越低，波长越长，测长的绝对误差就越大，测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛 盾。王润田提出，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，在测距时同时发射两个频 率的超声波，频率较大的测较近的距离，频率较小的测较长的距离，这样在较大的范围 内实现较高的测距精度。 2 方 案 论 证 2.1 超 声 波 测 距 原 理 2.1.1 超声波的性质 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的， 其频率在 20khz 以上。

24、超声波有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波） 。在 工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不 同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减，频率越高，绕射能力越 弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性，由于它有 指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点，常用于测量物体的距离、厚 度、液位等。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，在空气中传播超声波，其频率较 低，一般为几十 khz，传播速度为 340m/s。而在固体、液体中则频率可用得较高。在 空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播

25、较远。发射一定频率的超声 波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，其所经历的时间长短与超 声波传播的路程的远近有关，测试传输时间就可以得出距离。利用超声波特性、单片机 控制、电子计数相结合，配上不同的电路，制成各种超声波测量仪器及装置，可以实现 非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单，且不受光线、电磁波、粉尘等 的干扰，其测量精度较高。常用于矿山、桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。 超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关 等；分离式反射型用于测距、液位或料位传感器；反射型用于材料探伤、测厚传感器等。 2.1.2 超声波传感器 为了以超声波作

26、为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置 就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。 超声波传感器就好比一个喇叭，能将电流信号转换成高频声波，或者将声波转换成 电信号。传感器在将电信号转化成声波的过程中，所产生的声波并不是理想中的矩形 （图 2-1-a） ，而是一个类似花瓣一样形状（图 2-1-b，c） ，声波特性如图 2-1 所示。 图 2-1 声波特性 值得一提的是，在实际应用中，产生的波形应该是三维的，类似柱状体。对于传感 器的应用来说，超声波传感器主要用来探测物体的距离以及相对于传感器的方位，以便 可以进行监测控制。最理想就是矩形，不但可以准确的获得物体的

27、距离值，也可以准确 的获得方位值，就是正前方。但是实际上，超声波的波束根据应用不同，有宽波束，和 窄波束。宽波束（图 2-1-b）的传感器会检测到任何在波束范围内的物体，它可以检测 到物体的距离，但是确无法检测到物体的方位，误差最高会有 100 度左右，系统将无法 正常的作出控制动作。当然，作为只要探测物体有或无的用途来说，宽波束的传感器是 比较理想的。同理，窄波束可以相对宽波束获得更加精确的方位角。在选择超声波传感 器的时候，这个波形特性是必须要考虑的。 超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感 器都有一些缺点。比如，反射问题，噪音问题等。 （1）反射问题 如

28、果被探测物体始终在合适的角度，那么超声波传感器将会获得正确的角度。但不 幸的是，在实际使用过程中，很少有被探测的物体是能被正确地检测到的。图 2-2 给出 了几个例子。 图 2-2 声波反射 图 2-2-a 中的情况叫做三角误差，当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测 的距离和实际距离有个三角误差。图 2-2-b 中的情况叫做镜面反射，这个问题和高中物 理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出 去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的 存在。图 2-2-c 中的情况可以叫做多次反射。这种现象在探测墙角或者类似结构的物体

29、 时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距 离值。这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个 超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。 （2）噪音问题 虽然多数超声波传感器的工作频率为 40-45khz，远远高于人类能够听到的频率。 但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮 子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当同时使用多 个超声波装置的时候，其它超声波装置发出的超声波，这些都会引起传感器接收到错误 的回波信号。 噪音问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决。比如发射一

30、组长短不同的音波， 只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由 于环境噪音所引起的误读。 在本设计中所使用的传感器，是压电式超声波传感器。 压电式超声波传感器，实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片 和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压 电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加 电压，当共振板接收到超声波回波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号， 这时它就成为超声波接收器。 压电式超声波传感器是利用压电效应的原理制成，压电效应有逆效应和顺效应。超 声波传感器是可

31、逆元件，超声波发射器利用的是压电逆效应的原理。所谓压电逆效应， 是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图 2-3-a 中所示的已极化的压 电陶瓷上施加如图 2-3-b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥， 同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短， 在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图 2-3-c 所示那样，压电陶瓷在厚度方 向上伸长，在长度方向上缩短。压电逆效应如图 2-3 所示。 图 2-3 压电逆效应 超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度 方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子

32、的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通 过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正 方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节 点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能 高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生 高效率的高频电压。 采用双晶振子的超声波传感器，若在发送器的双晶振子(谐振频率为 40khz)上施加 40khz 的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送 40khz 频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接

33、收器。超声波接收器 是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产 生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超 声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非 常小的，必须采用放大器放大。 超声波传感器的主要性能指标包括： （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的 频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使 用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头

34、的 温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵 敏度低。 现以 ma40s2r 接收器和 ma40s2s 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，如 表 2-1 所示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为 40khz，这是压电 元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各 自使用并联谐振频率。 表 2-1 超声波传感器 ma40s2r/s 的特性 种类特性ma40s2r 接收ma40s2s 发送 标称频率40khz40khz 灵敏度74db 以上100db 以上 带宽6khz 以上(80d

35、b)7khz 以上(90db) 电容1600pf1600pf 绝缘电阻100m 以上100m 以上 温度特性20+60范围内灵敏度变化在 10db 以内 超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用。为此，要采取措施扩展 频带。例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏 移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。 ma40s2r/s 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此， 发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。 图 2-4 表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，

36、因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。 图 2-4 传感器的方向性 另外，对于这种传感器来说，一般温度越高，中心频率越低，为此在宽范围环境温 度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。 2.1.3 超声波测距原理 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 tof（time of flight） 。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时。超声波在空气 中传播，途中碰到被测物就立即返回来，当超声波接收器接收到反射回波时就立即停止 计时。根据计时器记录的时间，以及超声波在空气中传播的速度就可以计算出发射点与 被测物之间的距离，超声波测距原理如图 2-5 所示。

37、 图 2-5 超声波测距原理图 限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和 入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。超声波接收器对声波脉冲的直接接收能 力将决定最大可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声 波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。环境温度对超声波测距也有很大 影响，其波速 c 与温度有关，表 2-2 列出了几种不同温度下的波速。 表 2-2 不同温度下的波速 温度()3020100102030100 波速(m/s)313319325323338344349386 波速确定后，只要测得超声波往返的时间 t，即可求得距

38、离 s。 (公式 1) 2 ct s 根据公式 1 可求出距离。在公式 1 中的 c 为超声波在空气中传播的速度。s 表示所 测距离值。往返时间为 t。 t=t1+t2 (公式 2) 公式 2 中 t1 和 t2 分别表示超声波发射与接收过程的测量时间，t1=t2。 2.2 系 统 工 作 原 理 本系统是以单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生方波，经过超声波 驱动电路使超声波发射器发出一簇 40khz 的超声波信号，同时单片机开始计时；超声波 在空气中传播，当遇到被测物后超声波反射回波，经接收回路和放大电路的接收放大与 检波调整后，接收芯片产生一个中断信号，并将这个中断信号发送给单

39、片机，单片机接 收到中断信号后计时器停止记时，通过测量发射与接收超声波的时间差，计算出传感器 与被测物之间的距离值，并将计算的距离值通过 lcd 液晶显示器进行显示。超声波物 位传感器原理框图如图 2-6 所示。 单片机 驱动电路 接收电路 接收信号放大 和检出电路 设置参数 输出结果 软件产生方波超声波发射器 超声波接收器 电源 uart lcd显示 图 2-6 超声波物位传感器原理框图 2.3 系 统 方 案 论 证 2.3.1 系统方案一 采用单片机 stc12le4052 作为主控芯片，由 555 定时器产生 40khz 的方波，经放 大电路驱动超声波发射器发出超声波，由超声波接收器及

40、放大电路组成超声波接收电路， 对回波进行接收检出，由单片机计算测量值，并控制四个 led 数码管显示。 优点：stc12le4052 为一种改进型的 51 兼容单片机，指令集及主要架构与经典 51 相同，硬件资源略有增加：增设了 2 通道 pca（可编程计数器阵列） ，弥补了经典 51 定 时器功能“偏弱”的缺陷；i/o 口改进为可设置方式，支持 51 准双向、高阻输入、oc 输出、推挽输出四种模式，简化了外部硬件设计；硬件 spi 接口；指令速度大大提高了， 将原来的 12 时钟为一个机器周期改进为 23 个时钟周期，指令速度平均提高为原来的 8 倍左右；计时时钟保留 12 分频模式，新增了

41、 2 分频模式，提高了计时精度。 stc12le4052 的这些特点对于超声波测距应用有益，指令速度快可减少响应延时 的不确定，计时精度高可提高分辨率；stc12le4052 单片机采用 3.3v 供电，是为了增 加一级稳压，以降低发射超声波带来的电源干扰，提高可靠性和准确度。 超声波产生和发射模块均有经典电路，可以方便实现硬件电路搭建。 数码管价格低廉，性能稳定，适于各种工作环境，驱动简单，显示效果良好，是常 见的显示元件。 缺点：stc12le4052 只有两个接口，资源太少，不能实现任何功能扩展，由放大 电路和检波电路实现的超声波发射、接收模块抵抗外界干扰能力太差，造成整个系统测 量误差

42、较大。 2.3.2 系统方案二 系统采用单片机 stc89c52 为主控芯片，主要对超声波模块 dyp-me007 进行控制， 选用液晶显示器 lcd1602 作为显示模块。 优点：stc89c52 为控制系统中最常见的控制器，在市场上很容易买到；超声波模 块 dyp-me007 是一个集成度较高的模块，可以自行发射、接收超声波，控制简单，测 量精度高，抗干扰能力强；液晶显示器 lcd1602 显示灵活，可以对任意字符进行显示， 相对于数码管具有更好的显示效果，且本系统中显示部分很重要，需要根据障碍物的远 近，不断更换距离数字。 缺点：stc89c52 单片机采用 5v 供电，对超声波的测量过

43、程有较大的干扰作用， 且晶振 12mhz，系统时钟频率较低，也会对超声波测量带来干扰。 综上所述，方案一主控芯片编程困难，且不易买到，整个系统抗干扰能力差，若有 大的干扰就会导致超声波测距发生错误；方案二易于实现，且外围电路简单，易于控制， 成本较低，测量精度完全可以满足设计要求，所以，本设计选用方案二。 3 系 统 硬 件 电 路 的 设 计 3.1 系 统 芯 片 介 绍 3.1.1 stc89c52 单片机 stc89c52 是低电压、高性能 cmos 8 位单片机，片内含 8kb 的可反复擦写的程序 存储器和 12b 的随机存取数据存储器（ram） ，器件采用高密度、非易失性存储技术生

44、 产，兼容标准 mcs-51 指令系统，片内配置通用 8 位中央处理器（cpu）和 flash 存储 单元，功能强大的 stc89c52 单片机可灵活应用于各种控制领域。stc89c52 单片机属 于 stc89c51 单片机的增强型，与 intel 公司的 80c52 在引脚排列、硬件组成、工作特 点和指令系统等方面兼容。 其主要工作特性是： 片内程序存储器内含 8kb 的 flash 程序存储器，可擦写寿命为 1000 次； 片内数据存储器内含 256 字节的 ram； 具有 32 根可编程 i/o 口线； 具有 3 个可编程定时器； 中断系统是具有 8 个中断源、6 个中断矢量、2 个级

45、优先权的中断结构； 串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口； 具有一个数据指针 dptr； 低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式； 具有可编程的 3 级程序锁定位； stc89c52 工作电源电压为 5（1+0.2）v，且典型值为 5v； stc89c52 最高工作频率为 24mhz。 stc89c52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含 2 个外中 断口，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，stc89c52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 flash 存储器结 合在一起，特别是可反复擦写的

46、 flash 存储器可有效地降低开发成本。stc89c52 有 pdip、pqfp/tqfp 及 plcc 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性： 兼容 mcs51 指令系统 8k 可反复擦写(1000 次）flashrom。 32 个双向 i/o 口，256x8bit 内部 ram。 2 个 16 位可编程定时/计数器中断，时钟频率 0-24mhz。 2 个串行中断，可编程 uart 串行通道。 2 个外部中断源，共 6 个中断源。 2 个读写中断口线，3 级加密位。 低功耗空闲和掉电模式。 软件设置睡眠和唤醒功能。 3.1.1.1 stc89c52 单片机外部接口 stc8

47、9c52 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器，采用工业标准的 c51 内核， 在内部功能及管脚排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。主 要管脚有：xtal1（18 脚）和 xtal2（19 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12mhz 晶振。rst/vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。vcc（40 脚） 和 vss（20 脚）为供电端口，分别接+5v 电源的正负端。p0p3 为可编程通用 i/o 脚， 其功能用途由软件定义。外部引脚如图 3-1 所示。 图 3-1 外部引脚 p0 口：p0 口是一组 8 位漏极开路型双向 i/o 口

48、，即地址/数据总线复用口。作为输 出口用时，每位以吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 逻辑门电路，对端口 p0 写“1”时， 可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地 址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 flash 编程时，p0 口 接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 p1 口：p1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 的输出缓冲级可驱动（吸 收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到 高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内

49、部存在上拉电阻，某个引脚被外部 信号拉低时会输出一个电流(iil)。与 stc89c51 不同之处是，p1.0 和 p1.1 还可分别作 为定时/计数器 2 的外部计数输入（p1.0/t2）和输入（p1.1/t2ex） 。flash 编程和程序校 验期间，p1 接收低 8 位地址。 p2 口：p2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。对端口 p2 写“1” ，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。在访问外

50、部程序存储器或 16 位地址的外部 数据存储器（例如执行 movxdptr 指令）时，p2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 movxri 指令）时，p2 口输出 p2 锁存器的内容。 flash 编程或校验时，p2 亦接收高位地址和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p3 口输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。对 p3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻 拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 p3 口将用上拉电阻输出电流（iil） 。p3 口除了作为一般的 i/o 口线外，更重

51、要的用途是它的第二功能 p3 口还接收一些用于 flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 p3 口也可作为 stc89c52 的一些特殊功能口，管脚备选功能如下所示： p3.0rxd（串行输入口） ； p3.1txd（串行输出口） ； p3.2/int0（外部中断 0） ； p3.3/int1（外部中断 1） ； p3.4t0（记时器 0 外部输入） ； p3.5t1（记时器 1 外部输入） ； p3.6/wr（外部数据存储器写选通） ； p3.7/rd（外部数据存储器读选通） ； p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两

52、个机器周期以上高电平将使单 片机复位。 ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出 脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ale 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定 的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据 存储器时将跳过一个 ale 脉冲。对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲 （prog） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的 8eh 单元的 d0 位置位， 可禁止 ale 操作。该位置位后，只有一条 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此 外，该引脚会被微弱拉

53、高，单片机执行外部程序时，应设置 ale 禁止位无效。 如果单片机是 eprom，在编程其间，prog 将用于输入编程脉冲。 psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 stc89c52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 psen 有效，即 输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 psen 信号。当访问外 部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，pc 的 16 位地址数据将出现在 p0 和 p2 口 上，外部程序存储器则把指令数据放到 p0 口上，由 cpu 读入并执行。 ea/vpp：外部访问允许。如 ea 端为高电平（接 v

54、cc 端） ，cpu 则执行内部程序存 储器中的指令。flash 存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必 须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp。程序存储器的内外部选通线，8051 单片机，内 置有 4kb 的程序存储器，当 ea 为高电平并且程序地址小于 4kb 时，读取内部程序存储 器指令数据，而超过 4kb 地址则读取外部指令数据。如 ea 为低电平，则不管地址大小， 一律读取外部程序存储器指令。 xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 stc89c52 共有 6 个中断向量：两个外中断（int0

55、和 int1） ，3 个定时器中断（定 时器 0、1、2）和串行口中断。 这些中断源可通过分别设置专用寄存器 ie 的置位或清零来控制每一个中断的允许 或禁止。ie 也有一个总禁止位 ea，它能控制所有中断的允许或禁止。注意 ie6 为保留 位，在 stc89c51 中 ie5 也是保留位。程序员不应将“1”写入这些位，它们是将来 stc89 系列产品作为扩展用的。 定时器 2 的中断是由 t2con 中的 tf2 和 exf2 逻辑或产生的，当转向中断服务程 序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是 tf2 或 exf2 产生中断， 而由软件清除中断标志位。定时器 0 和定时

56、器 1 的标志位 tf0 和 tf1 在定时器溢出那 个机器周期的 s5p2 状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定 时器 2 的标志位 tf2 在定时器溢出的那个机器周期的 s2p2 状态置位，并在同一个机器 周期内查询到该标志。 空闲节电模式：在空闲工作模式状态，cpu 自身处于睡眠状态而所有片内的外设仍 保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，同时将片内 ram 和所有特殊功能寄存器 的内容冻结。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲 状态只需两个机器周期有效复位信号，在此状态下，片内硬件禁止访问内部 ram，但 可以访问端口引脚，当用复位终

57、止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活 空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。 掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执 行的指令，片内 ram 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模 式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变 ram 中 的内容，在 vcc 恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器 重启动并稳定工作。 3.1.1.2 stc89c52 单片机内部结构 图 3-2 为 stc89c52 单片机的内部结构，它由以下几大部件组成：中央处理器 （

58、cpu） ，程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口 和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。 图 3-2 8051 内部结构 stc89c52 主要组成部分： （1）中央处理器 中央处理器（cpu）是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码，cpu 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运 算和控制输入输出功能等操作。 （2）数据存储器 stc89c52 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是 统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户

59、只能访问，而不能用于存放 用户数据，所以，用户能使用的 ram 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结 果或用户定义的字型表。 （3）程序存储器 stc89c52 程序存储器用于存放编制好的程序、表格和程序中用到的常量。flash 程 序存储器增加了 eprom 所没有的电可擦除和编程特性。对芯片的擦除操作将使整个程 序存储器都被擦除。块擦除功能可实现对任意 flash 块的擦除。对于程序存储器而言， 在系统编程和标准的并行编程都是可行的。片内产生的擦除和写入时序为用户提供了良 好的编程接口。 （4）定时/计数器 stc89c52 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计

60、数产生中断用于控 制程序转向。 （5）并行输入输出(i/o)口 stc89c52 共有 4 组 8 位 i/o 口（p0、p1、p2 或 p3） ，用于对外部数据的传输。 （6）全双工串行口 stc89c52 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串 行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 （7）中断系统 stc89c52 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串 行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 （8）时钟电路 stc89c52 内置最高频率达 12mhz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲 时序