超声波倒车报警系统毕业设计,南京理工大学紫金学院

1、南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作作 者者: 学学 号：号： 系系：电子工程与光电技术系专专 业业: 电子信息工程题题 目目:超声波倒车报警系统设计指导者：指导者： 高级硬件研发工程师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2013 年 5 月 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计（论文）评语学生姓名： 班级、学号：题 目： 超声波倒车报警系统设计 综合成绩： 指导者评语： 超声波倒车报警系统是满足在倒车时测定障碍物与车辆的安全距离,防止倒车时对距离判断不清导致的车辆受损。该生能够充分利用超声这一方式设计倒车报警系统，思路比较清晰， 设计

2、比较严谨。同时论文对相应的理论和相应的设计逻辑清晰合理。对相应的设计电路与软件能够进行严格的验证，并能够做出相应的实物。该生能够充分理解电子工程的相关基础理论，同时在设计过程中学习和补充其它的高级电子设计知识，完满完成了该设计。建议该生进行并通过毕业论文答辩。 指导者(签字)： 2013 年 5 月 14 日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语： 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要超声波技术是一门通用技术，它包括超声波产生、传播以及接收等物理过程。目前超声波技术广泛应用于超声波探

3、测、超声焊接、超声检测和超声医疗方面。本系统设计利用 STC89C52RC 单片机为主控芯片，利用单片机程序产生频率为40KHz 方波信号，通过推挽放大驱动超声波发射器向外发射超声波信号，同时开始计时，超声波信号经障碍物反射后被超声波接收器接收，利用接收芯片接收并将信号传至单片机，停止计时，单片机计算超声波发射与接收之间的时间差，即可计算障碍物的距离。并通过利用四位数码管将探测结果直观显示出来。基于单片机的超声波测距系统易实现、成本低、精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性。 关键词 单片机 超声波 测距 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要Title The d

4、esign of a Silent Wave Measure Distance AbstractUltrasonic technology is a general technology have to be used, it comprises an ultrasonic generation, propagation and receiving physical process .Currently, the ultrasonic technology is widely used in ultrasonic detection, ultrasonic welding, ultrasoni

5、c testing and ultrasonic medical. This system is designed by using STC89C52RC as the main control chip. Using the single chip microcomputer program to generate 40 kHz square wave signals. Through the push-pull amplifier drive ultrasonic emitter to the launch ultrasonic signal, at the same time start

6、 the timer. The ultrasonic signal reflected by an obstacle, receiving by ultrasonic receiver. The receiver receives and transmit signals to the microcontroller, stop the clock. Single chip microcomputer calculate the time differences between the transmitter and receiver, can calculate the distance t

7、o the obstacle. And through four digital tube display detection results. Microcontroller-based ultrasonic system is easy to implement, low cost, high accuracy and easy to do real-time control, with strong practicality.Keywords microcontroller ultrasound ranging 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 I 页 共 页 目目

8、录录1 引言 .11.1 选题背景及研究意义 .11.2 超声波的国内研究现状 .11.3 超声波的国外研究现状 .21.4 超声波测距的实现主要技术 .31.5 研究步骤与方法 .52 超声波测距原理 .62.1 超声波测距系统分析 .62.2 压电式超声波发生器的基本原理 .62.3 超声波测距误差分析 .72.4 系统整体方案的论证 .82.5 系统整体方案设计 .83 系统硬件电路设计 .83.1 系统工作原理分析 .83.2 单片机简介 .103.3 时钟电路 .123.4 复位电路 .133.5 电源电路 .133.6 单片机程序 ISP 下载接口 .143.7 超声波发射电路 .

9、143.8 超声波接收电路 .153.9 HC-SR04 超声波传感器.163.10 显示电路 .174 系统的软件设计 .184.1 软件设计的整体方案分析 .184.2 主程序 .194.3 中断服务程序 .204.4 距离计算子程序 .214.5 显示子程序 .225 调试与结果分析 .245.1 软件调试 .245.2 遇到的问题与解决方法 .245.3 测量结果对比分析 .24 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 II 页 共 页 6 制作的实物 .25结 论 .27致 谢 .28参 考 文 献 .29附录 A：程序.30 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论

10、文文） 第 1 页 共 32 页 1 1 引言引言随着科学技术广泛地使用及科技成果的迅速发展，给人民的日常生活增添许多方便。本着这个宗旨，超声波测距仪就是利用超声波功能为我们测距服务。只有在20Hz - 20kHz 频率范围的声音人耳才能听见，人类听不见的声音可分为高于频率20kHz 的超声波和低于频率 20Hz 的次声波。超声波频率在几千赫兹到几十兆赫兹不等。超声波这些性能特点往往用于距离测量。由于超声波具有波长短，方向性好以及能穿透物体等特点，所以在超声波检测和工业生产等领域得到广泛地运用。该设计利用提供了 LED 数码管显示电路的小型单片机开发板以及配合独立的 HC-SR04 超声波传感

11、器模块实现测距功能。超声波传感器模块上面具有发送和接收端口，工作时发送端口发送超声波脉冲，脉冲在空气中传输直至遇到障碍物反射回接收端口。以超声波传播的速度和传播的时间间隔来计算出距离。考虑到该电路的硬件系统易于实现，成本低廉，能够稳定可靠的实现基本功能，在此基础上可以做出适当的拓展。数码管显示值能够根据超声波传感器的测得距离的变化作出相应的改变。利用超声波技术能够准确、方便、快捷地测得测距仪到被测物体间的距离。测距仪在日常的生活和生产中也有广泛的应用，本文是将超声波测距技术运用到倒车报警系统中，减小因人眼盲区给用户带来的不必要损失。1.11.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 由于超声波

12、具有能耗慢，波长短，方向性好以及能穿透物体等特点，因此在测距仪和液位测量等中得到广泛地使用。在生活，军事以及其他领域超声波测距仪都具有广泛的实际应用，如日常交通中的超声波倒车报警系统。由于该设计是超声波倒车报警系统，因此这种测距必须是非接触式的。设计者需要拥有扎实的数、模电知识，单片机编程能力，超声波发射与接收知识，以及能将这几方面的知识进行有机结合的能力。通过单片机的计算和处理，最后将被测物体的距离结果能够清晰的，稳定的显示在 LED 数码管上。感应角度：不大于 15 度；测量范围：2cm450cm；精度 0.2cm。1.21.2 超声波的国内研究现状超声波的国内研究现状 近十年来，国内科研

13、人员进行了大量理论分析与研究主要包括：超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发和超声波发射脉冲选取等方面，同时提出温度 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 32 页 补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施来减少实际的误差。超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣主要受到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度的影响，同时超声波探测定位系统的精度和反应速度也受此影响。消除由于回波信号强弱变化而造成的测量时间的误差主要是通过双比较器整形结合软件确定回波前沿的测量方法，从而能够使测量精度得到进一步提高，将超声波在空气中近距离测量达到厘米级的精度。

14、目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，超声波探测定位的关键技术仍将是作为一个重要的研究方向。 随着超声波发射和回波信号的处理方法不断完善，为了进一步拓宽超声波测距的应用空间，当前主要集中在如何研发新型、高性能超声波换能器两个问题上。 同时，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。 现金市场上所销售的超声波测距系统，大都采用发射单超声脉冲的方法，但是当它采用较高频率超声波时，有效测量距离会因空气吸收而较快衰减从而导致精度

15、降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽1。1.31.3 超声波的国外研究现状超声波的国外研究现状一般认为，人类首次有效产生的高频声波即超声波的研究最初起始于 1876 年F.Galton 的气哨实验。在之后的三十年中，超声波始终是一个鲜为人知的东西，对超声波的研究主要受到了当时电子技术发展缓慢一定程度的影响2。1925 年，Pierce 使用石英传感器和镍传感器来产生和探测超声波，而且频率扩展到兆赫级；至此，Debye,Sears,Lcas 分别发现了超声波的衍射光栅，用超声波来研究液体和

16、气体的声学特性方法得到稳定发展。1927 年 Hantalnnn 和 Tro11e 解决了超声汽笛的许多细节问题，这些汽笛被证明在流体中最高功率可达 50W。1929 年，用超声波探查金属物内部缺陷的建议由 Sokolov 首先提出。1931 年，Mulhauser 获得关于检测超声方法的一项专利。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 32 页 Sokolov 在 1934 年，首次发表关于在液体槽子里利用穿透法作实物试验的参数结果，他尝试各种方法做了这方面的相关实验，检测穿过试验物体的超声波能量，其中就有利用光学法观察由超声波在液体表面形成波纹的实验。德国 Be

17、rgrnann 在著作ULTRASONIC中，阐述了大量早期关于超声波的详尽的资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作3。继 1950 年后，雷达技术的发展大大促进了超声波探伤技术发展，由于电子计算机、激光技术等新技术的快速发展，不仅加速了雷达技术的发展，同时也加速了超声波技术的发展。超声波的脉冲调制技术在无损探测、医疗诊断及各种工业控制也得到了广泛地应用。1965 年，在深入研究了新材料、新技术以及微波传播的相关理论之后，可以产生频率超过 100GHz 的超声波。继此之后，超高频的超声波开始应用于物理学基础研究、通信和计算机技术等领域中。1980 年，美国国家仪器有限公司(NationalI

18、nstruments)研发出丰富的软件技术来进行超声波相关参数方面的测试及测量。1992 年由 FigneroaJ.F 提出一种新型超声波回波计时法，该方法得到的回波时延是利用峰值和相位相加；这种方法能达到的精度指标为：18 一 34 米，误差精度2%。Kimiyuki 等人于 1997 年提出一种新的超声波传感器，并证明出它的可行性，该传感器是基于像散焦点差的探测理论。HanneSElmer 于 2007 年提出实现超声波测距的高分辨率的方法,并且利用编码信号对高精度的超声波测距系统进行了研究和探索。2008 年，美国普力塞思测距仪公司在基于超声波测距原理的前提下推出了一系列的，体积相对较小

19、、更加易于携带，可以用于不同程度的测高检测3。近些年，伴随着压电陶瓷材料的迅速发展以及电子技术的进一步普及，超声波相关方面的检测技术也得到进一步的发展。美国 APRESYS 测距仪公司已经研制出一系列的能够满足各种不同要求的超声波测距仪，实现了更加高速和精确的长宽高等单一元素的测量及面积等符合元素的测量。新型超声检测仪接连不断的出现，使该技术在无损探伤、测温、测距、流量测量、液体成分测量等方面的应用领域得到不断的扩大。1.41.4 超声波测距的实现主要技术超声波测距的实现主要技术 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 32 页 超声波测距实现技术的关键技术包括数字信

20、号处理 DSP（Digital Signal Processing ）技术、现场可编程门阵列 FPGA（FieldProgrammable Gate Array ）技术、单片机技术等。数字信号处理（DSP）是将电子信号通过处理转换成数字方式表示并处理的理论和技术。其中主要包括数字信号处理与模拟信号处理是信号处理。数字信号处理主要是对连续的模拟信号进行滤波处理或者精确测量。所以需要将所要处理的信号在模拟域和数字域之间进行转换才能对其进行数字信号处理，这通常是需要通过 A/D 转换器来实现的。但是最终还是将经过数字信号处理过的输出结果变换到模拟域，这就需要通过 D/A 转换器来实现。数字信号处理的

21、算法往往需要利用计算机方面的设备或者专门用于处理 DPS 的设备，如数字信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）等。数字信号处理技术及设备具有灵活性强、精确度高、抗干扰能力强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。 现场可编程门阵列（FPGA）是将可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的 I/O单元阵列集成化的技术，一片 FPGA 包含丰富的逻辑门功能、寄存器和 I/O 资源。单片 FPGA 芯片就足以实现数百片甚至成千上万个标准数字集成电路能实现的系统。 FPGA 内部结构由于具有相当高的灵活性，因此用户可以根据自己的需要对逻辑单元、可编程内部

22、连线和 I/O 单元进行编辑，而且可以实现的逻辑功能更加广泛，基本上可以满足用户的各种设计需求。其速度快，功耗低，通用性强，在复杂的系统设计中得到广泛地使用。FPGA 还可以实现在线系统、重构动态的配置及硬件通过程序软化、软件通过硬件进行硬件化等功能。 我们在基于传统试验及控制器的研制过程中，把微机技术和 FPGA 技术两者做了有机的集合，全方位的提升控制器系统的性能，使整体的工作的效率、电气系统的可靠性以及控制精度参数方面都得到了很大的提高，并且达到了操作简便而又不缺乏先进的技术性，从而避免了由于高频疲劳试验机控制器控制规模上的庞大，功能复杂等缺点4。单片微型计算机简称单片机 ，单片机的电路

23、芯片大部分采用超大规模集成技术，它把中央处理器 CPU、只读存储器 ROM、随机存储器 RAM、定时器/计时器等功能 （可能还包括显示驱动电路、多路模拟转换器、脉宽调制电路、A/D 转换器等电路 ） 、多种 I/O 口和中断系统集成到一块小硅片上而构成的一个小而完善的微型计算机系 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 32 页 统 ，尤其是在工业控制领域的得到了相当广泛地应用。在软件的控制下，这些电路能够准确地、快速地、高效地完成程序设计者预先规定好的任务6。 因此，单片机的最大的特征就是它可以单独地现代化工业生产控制中所要求的智能化的控制功能，而这些能力恰恰是普通

24、的微处理器所不能及的。由于单片机的结构形式及其所采取的半导体工艺，使之具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。其主要特点可归纳如下：高性价格比。高集成度、所占空间小、高可靠性，由于单片机把各个功能模块集成在单片芯片上，且其内部采用总线结构，大大的减少了各芯片之间的连线，极大的提高了单片机工作的的可靠性与抗干扰能力；另外，由于单片机体积小的优点，在强磁场环境下容易于采取屏蔽干扰措施，在环境恶劣的情况下也能较好的工作。控制能力强，单片机上的指令系统均含有丰富的转移操作指令、I/O 口的逻辑操作指令以及位处理功能的能力；为了能满足更高要求的逻辑控制功能以及运行速度，单片机对二者的要求是

25、均高于同档次的微机。能耗低、工作电压低，便于公司大规模的生产便携式的产品。外部总线增设 SPI 及 I2C 等串行总线的工作方式，从而缩小单片机的体积及结构的简化。单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。综上所述，局限于开发环境并且切合于毕业设计的实际条件情况的多方面考虑因素，本设计采用单片机开发技术来实现。1.51.5 研究步骤与方法研究步骤与方法1.5.1 硬件电路的设计超声波测距的硬件系统主要由单片机硬件系统、超声波发射模块、超声波接收模块及数码管显示电路组成。超声波传感器分为集成与独立的发送和接收到两种。本设计采用超声波传感器发射接受分离式。单片机的应用及语

26、言：比较常用的单片机有 INTEL 公司的 MCS-51 系列单片机，有两大系列 MCS-51 子系列和 MCS-52 子系列及 ATMEL 公司 AT89C 系列单片机。软件的实现何以用 C 语言或汇编语言来实现。本设计考虑到功能和成本选取了 STC89C52RC 单片机做控制器。显示器：液晶显示我们可以使用北京精电蓬远显示技术有限公司的 MDLS16265B 液晶 LCD 显示器或者八段数码管 LED。本设计选用八段数码管 LED 做显示器件。超声波测距的范围和精度：由于实际需要和传感器的性能限制，测距都要有一定的范围和精度，所以在设计测距仪时应该考虑这两方面的技术要求。本设计选取的传感器

27、要能达到要求的 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 32 页 测量范围和精度。1.5.2 软件的设计 由主程序，超声波发射子程序，接收中断子程序以及显示子程序四个主要部分组成超声波测距仪的软件系统。我们知道，C 语言程序有利于更复杂的算法，汇编语言编程效率高，精确计算运行时间，汇编语言程序设计简单。2 2 超声波测距原理超声波测距原理2.12.1 超声波测距系统分析超声波测距系统分析在超声波探测电路中，由于输出脉冲的个数与被测的距离成正比，即被测量的距离越大，那么它的脉冲宽度就越宽，这个脉冲宽度就是发射超声波的时间间隔。超声波测距主要有以下两种方法：一种是根据输出

28、脉冲的宽度，就是发射超声波与接收超声波的时间间隔 t；另一种就是根据输出脉冲的平均值电压与测量的距离成正比的关系得到测量结果。本系统的测量采用第一种方案。由于超声波的传播速度与传播媒介的温度有关，当然如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHz 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级5。假定 S 为超声波测距模块到被测物体之间的距离，被测时间为 t（s） ，超声波的传播速度为 v（m/s）表示，则有关

29、系式(2.1) S=vt2 (2.1)在考虑到温度在精度要求较高的情况下的影响，按式(2.2)为了减小误差，在此对超声波在空气中的传播速度加以修正。温度与声速的关系参照表 2.1。v=3314+0607T (2.2)式中：T 为实际温度，单位为；v 为超声波在介质中的传播速度单位为 ms。考虑到实际环境的温度变化不是很大，以及技术有限，所以本设计使用关系式（2.1）作为参考公式。表 2.1 一些温度下的声速 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 32 页 温度与声速参照表温度 T （）-30-20-100102030声速 v （m/s)313319322332337

30、3443502.22.2 压电式超声波发生器的基本原理压电式超声波发生器的基本原理压电式超声波发生器由两个压电晶片以及一个共振板组成，并且它是利用压电晶体的谐振方式来进行工作的。其内部结构如图 2.1 所示。图 2.1 超声波发生器的内部结构施加在压电晶体两端的电压为交流电时，当交流电的频率与谐振频率相等的情况下，压电晶体就会产生共振效应，继而产生超声波。若没有电压施加在压电晶体的两极，且压电晶体能感受到空气中有声压，就会产生一个电压输出，这个就是压电效应。所以此时只能做超声波接收器了。2.32.3 超声波测距误差分析超声波测距误差分析根据超声波测距公式 S=VT (2.3)可知测距的误差是由

31、超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。2.3.1 时间误差当要求测量误差小于 1mm 时，现在假设超声波的传播速度为 C=344m/s (20室温)，忽略声速的在空气中的传播误差。在测距上的误差为：St(0.001/344) 0.000002907s 即 2.907s若想将超声波测距的结果误差控制在 1mm 以内，就必须将超声波往返的时间差值精度控制在微秒级，当然要达到这一要求的前期必须是在空气中超声波的相对传播 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 32 页 速度非常准确的情况下。89C51 单片机是采用 12MHz 晶振作为时钟基准的，所以能很方便

32、的达到 1s 的精度。该系统采用的是以 51 为内核的定时器的 STC89C52RC 单片机，以此确保它的距离误差在 1mm 的测量范围以内8。2.3.2 超声波传播速度误差超声波的传播速度与空气的密度息息相关，空气的密度与超声波的传播速度成正比，即空气的密度越高超声波的传播速度就越快。要想使超声波测距的精度控制在 1mm 以内，就必须考虑到超声波传播的介质的温度。例如当温度 0时超声波速度是 332m/s,30时是 350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为 18m/s。若超声波在 30的环境下以 0的声速测量 100m 距离所引起的测量误差将达到 5m，测量 1m 误差将达到 5mm。2

33、.42.4 系统整体方案的论证系统整体方案的论证 根据超声波测距的原理，目前较简单实用的测距方法有两种：一种是适用于身高计的，在被测距离的两端设置一端为发射端，另一端则为接收的直接波方式；另一种是适用于测距仪的，它是利用发射波被被测物体反射回来之后接收反射波的方式达到测距的目的。本文系统的设计就是采用第二种。超声波传感器是种采用压电陶瓷作为材料的压电效应的传感器。超声波虽然具有低能耗，但是它在传播的过程还是会遇到不同频率带来的不同程度的衰减，所以超声波传感器的选择决定了测距仪的分辨率；短距离测量的时候应该选择高频率的传感器，因为高频率则高分辨率。反之，长距离的测量时就应该选用低频率的传感器9。

34、2.52.5 系统整体方案设计系统整体方案设计超声波常用于距离的测量是因为超声波具有能耗慢，波长短，方向性好以及能穿透物体等特点。由于超声波测距设计的软、硬件系统都比较容易实现，计算和处理的过程也不会太复杂，容易实现工业化生产以及其他领域的使用测量精度要求。 考虑到各方面的综合因素以及设计的要求，本文最终决定选取 STC89C52RC 单片机作为控制器，配合 LED 数码管的动态扫描方式实现显示功能，利用单片机的定时器驱动超声波传感器 HC-SR04 模块发射信号，再利用蜂鸣器配合红、绿色 LED 各一枚判断距离是否能实现倒车报警功能。3 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 本本科科毕毕业业

35、设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 32 页 3.13.1 系统工作原理分析系统工作原理分析 （1）设计控制电路技术、实现方式，使用单片机控制。 （2）采用超声波测距方式实现。 （3）采用 LED 数码管显示结果。 以上的设计目的、要求、功能实现、分析是超声波测距仪设计的依据。障碍物图 3.1 超声波测距仪原理图框图由图 3.1 可以看出，硬件电路设计主要包括单片机系统，超声波发射器和超声波接收器，显示电路四部分组成。或者用 STC89C52RC 单片机微控制器系列兼容系列代替。单片机对超声波发射器进行控制，超声波接受器把检测的信号输入到单片机中，然后通过内部程序传输的信号进行分

36、析，计算和处理，由 LED 数码管显示测量距离的最终值。该系统设计主要利用 STC89C52RC 为主控芯片，通过其配合发射电路，接收电路以及显示电路的协调工作，最终实现超声波测距的目的，系统的组成框图如图 3.2所示。超声波发生 器超声波接收 器单片机驱动电路数码管 LED 显示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 32 页 发射电路 接收电路MCU STC89C52RC单片机外围电路显示电路图 3.2 系统组成框图3.23.2 单片机简介单片机简介 单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机（Single Chip Microcomputer） 。它是中央处理单

37、元（CPU） ，随机存取存储器（RAM 或 EPROM，EEPROM）中，只读存储器（ROM） ，定时器/计数器，输入/输出端口（I/ 0）和其他主要功能集成到在一个集成电路计算机芯片的微型计算机。目前，有一种微控制器 A/ D 和 D/ A 转换器，高速输入/输出单元，DMA 通道，浮点运算和其他特殊功能的新类型7。 本设计中选用的单片机型号是宏晶科技的 STC89C52RC，它是一种与工业标准型80C51 单片机的指令系统和引脚完全兼容的单片机，具有功耗低、性能高、且采用的8 位微处理器是 CMOS 工艺的。可在线重新编程的片内 8K Flash 存储器，或者采用的存储器编程器是通用的非易

38、失性的。在一般的距离测量中，距离的变化速度不会太快，而且单片机可达到 s 级别的机器周期，即其计时精度能达到 s 级别，因此完全可以达到系统测量的要求，并且较低的成本，所以本设计中选用 STC89C52RC 型号的单片机。STC89C52RC 单片机,基于 STC89C51 内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统 STC89C51,速度快 812 倍,带 ADC,4 路 PWM,双串口,有全球唯一 ID 号,加 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 32 页 密性好，抗干扰强。主要特性如下：增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器

39、周期可以任意选择，完全兼容传统 8051 单片机指令代码；工作电压：5.5V3.3V/3.8V2.0V；工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的080MHz，实际工作频率可高达 48MHz；8K 字节的用户应用程序空间；单片机内部集成了 512 字节 RAM；通用 I/O 口，复位后为：P1/P2/P3 是准双向口，P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻；共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2；外部中断 4 路，采用下降沿中断或低电平触发电路，外部中断低电平触发中断方式可唤醒 Power Down 模式；

40、可用定时器软件实现的多个通用异步串行口（UART） 。STC89C52RC 单片机的工作模式：掉电模式，典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。空闲模式，典型功耗 2mA。正常工作模式，典型功耗 4Ma7mA。掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统及便携设备。STC89C52RC 引脚结构：图 3.3 STC89C52RC 引脚结构功能特性描述: 兼容 MCS-51 单片机产品、系统有可编程 Flash 存储器 8K 字节空间、可擦写 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 32 页 1000 次周期、全静态的操作：0Hz33Hz、具有

41、三级加密功能的程序存储器、32 个可编程 I/O 口线、3 个 16 位定时器/计数器、8 个中断源、全双工的 UART 串行通道、低功耗空闲和掉电保护模式、中断在掉电后依然可唤醒、看门狗定时器。STC89C52RC 引脚功能描述。P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。用每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平作为输出口。当需要访问外部程序和对数据进行数据存储器时，P0 口的功能可以用作低 8 位地址/数据复用。P0 口在这种模式下不需要外接上拉电阻。P0 口在 flash 编程时的功能是接收指令字节；与前面的情况不同的是，在进行程序校验时必须外接上拉电阻，才能输出指令字节。

42、P1 口：P1 口是 8 位双向 I/O 口，内部具有上拉电阻，具有能驱动 4 个 TTL 逻辑电平的输出缓冲器。P2 口：P2 口是 8 位双向 I/O 口，内部具有上拉电阻，具有能驱动 4 个 TTL 逻辑电平的输出缓冲器。P3 口：P3 口是 8 位双向 I/O 口，内部具有上拉电阻，具有能驱动4 个 TTL 逻辑电平的输出缓冲器。P3 口亦作为 STC89C52RC 特殊功能（第二功能）使用15。STC89C52RC 有 5 个中断源。中断是指计算机暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去处理相应的事件，处理完该事件后，到适当的时候返回断点，继续完成被打断的程序。由于计算机需要在工作时可

43、以及时的处理系统中许多随机的参数和信息，所以需要计算机解决 CPU 域外设置减速度匹配的问题，而中断技术能很好的解决这个问题，与此同时也大大的提高了计算机处理故障与应变的能力。5 个中断源分别为：外部中断 INT0、外部中断 INT1、定时器中断 0、一个定时器中断 1 和一个串行口中断。中断源内部都有个特殊功能寄存器 IE，用户可以通过清除或置位 IE 中的中断允许控制位使得中断源有效或者无效。IE 内部还包含了一次能禁止所有中断的中断允许总控制位 EA，使用时需要将 EA 置 1。中断源是在一个计算机系统对中断请求的来源，中断可以人为设定，它可以在应对突发随机事件设置。通常的 I / O

44、设备，实时控制系统的故障随机参数和信息源等。 较高优先级的中断，那么到更高的优先级响应。当运行时，中断服务程序，另一个中断高优先级中断请求产生，当电流 CPU 中断服务将暂停高级别中断处理应用，可完成先进的中断处理程序中断程序关闭，然后再返回到 CPU 原始点继续这一过程。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 32 页 3.33.3 时钟电路时钟电路本设计的时钟电路如图 3.4 所示，时钟电路主要结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。Y1 为

45、12MHZ 晶体振荡器，单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，C3与 C5 为负载电容。单片机的振荡电路由晶振和单片机的 XTAL0 和 XTAL1 端组成，振荡电路在工作时会产生谐波从而降低时钟电路的稳定性，但是对整个电路的工作影响不大。ATMEL 公司提出采用两个 10pf-50pf 的瓷片电容，使其一端接入晶振的两个引脚，另一端接地来消减谐波对时钟电路稳定性的影响，本设计 C3、C5 采用 22Pf10。图 3.4 振荡电路连接图3.43.4 复位电路复位电路本设计的复位电路如图 3.5 所示，具有上电复位和按键复位两种功能，上电复位电路是由电容 C11 与电阻 R22 串联组成，

46、电容接 VCC，电阻接地，RESET 脚接在它们中间，当上电时，电容相当于短路，此时电阻上的电压等于 VCC，经过一段时间后电阻电压逐渐变小直至为 0，以达到上电复位的目的。同时只要按下 S1 按键，同样可以达到复位的目的。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 32 页 图 3.5 单片机复位电路单片机的复位方法是让 VCC 上电，从而电容 C11 有交流电流通过，使得电阻 R22上有电压；在仅仅很短时间内，C11 就被充满了，此时 R22 开路，从而使单片机进行工作。在工作期间内，C11 通过按下 S18 进行放电。 根据公式：=R*C 可知，最小的单片机系统

47、的复位时间受到复位电路的极性电容 C9 的大小的影响，C9 的一般取值范围为 1030uF，复位时间随 51 单片机最小系统电容值变大而变短。3.53.5 电源电路电源电路本设计使用稳压电路确保单片机的工作电压稳定在 5V，电源电路如图 3.6 所示。本设计采用三端稳压集成电路 LM7805 作为稳压芯片。二极管 D1 起到保护作用，C1与 C3 为输入滤波电容，C2 与 C4 为输出滤波电容，由于本设计的功率很小，在电路实际测量中，LM7805 的输出电流为 0.4A，远没有达到额定的最大输出电流 1.5A。所以，不需要为 LM7805 加散热器。图 3.6 稳压电源电路 本本科科毕毕业业设

48、设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 32 页 3.63.6 单片机程序单片机程序 ISPISP 下载接口下载接口图 3.7 单片机 ISP 下载接口电路为方便单片机的程序下载以及调试，不需每次烧写程序时将单片机从电路板上取下来，本设计为单片机提供了 ISP 程序下载接口，如图 3.7 所示。通过 ISP 下载线将电脑和电路板连接，打开 ISP 下载软件，软件会自动搜索到硬件设备，搜索完成后，可对单片机进行配置和下载程序。3.73.7 超声波发射电路超声波发射电路超声波发射模块主要由超声波发射换能器 T 和反相器 74LS04 组成，单片机 P1.0 端口输出高电平驱动振荡电路产生

49、的 40KHz 方波信号一端经过反相器送达至超声波换能器一端，方波信号的另一端经过两极反相器送达至超声波换能器另一端。方波信号经过推挽形式的变换再加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。为了进一步增强单片机的工作驱动能力，采用两个反相器并联在输出端。上拉电阻 R10、R11 不仅缩短其自由振荡的时间，而且可以增强反相器的驱动能力和改善它的阻尼效果11。超声波发射电路原理图如图 3.8 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 32 页 图 3.8 超声波发射电路原理图3.83.8 超声波接收电路超声波接收电路 下图 3.9 是超声波通过超声波发射换能

50、器发射并在空气中进行传播，遇到障碍物就会返回，为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器进行转换变成电信号这就需要超声波的接收部分，其功能就是对电信号进行放大、滤波、整形等处理，本设计采用的集成芯片 CX20106 是由索尼公司生产的，中断信号靠单片机的P3.2(INT0)引脚得到一个负脉冲。接收电路的电路图如图 3.9 所示。联系实际可以发现，在接收部分电路中集成芯片 CX20106 起了很大的作用。CX20106 是一款专用于红外线检波接收的芯片，其功能较强、性能相对优越、外围接口比较简单、成本相对较低。由于红外遥控常用的载波频率 38kHz 比较接近于测距的超声波频率 40kHz，并

51、且其 5 脚外接电阻可调节 CX20106 内部设置的滤波器中心频率 f0，阻值与中心频率成反比，变化范围为 3060kHz。因此它比较适合用来做接收电路。 CX20106 内部构成包括前置放大器、检波器、带通滤波器、限幅放大器、积分器及整形电路。具体的工作步骤如下：接收到的回波信号先经过前置限幅放大器，将信号转换成合适的矩形脉冲，其频率在经由滤波器进行选择后，可以滤除干扰噪声信号，整形后送给输出端 7 脚。输出端 7 脚输出低电平只有当其接收到与 CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，并且输出端 7 脚直接接到 STC89C52RC 的 INT0引脚上，以触发中断12。 本本科科毕毕

52、业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 32 页 图 3.9 超声波检测接收电路1脚：超声信号阻抗约为40k的输入端。2脚：该脚与地之间能够构成RC串联网络，它们能够组成负反馈串联网络，前置放大器的增益和频率特性通过控制改变它们的数值。在实际使用中常常选用 R14=4.7，C5=1F。 3脚：检波电容连接于该脚，当电容量小于平均值检波值时，其灵敏度会相应将低；假使容量小，峰值检波会使其灵敏度瞬间会相应变高，但为了防止其检波输出的脉冲宽度变动大造成较大的误差，推荐参数为C6=3.3f。 4脚：接地端。 5脚：该脚通过一个用以设置带通滤波器的中心频率f0的电阻接入电源间，中心频率会

53、随着其阻值变化。 6脚：利用标称值C7=330pF积分电容并接在该脚与地之间，探测距离的精度受电容值影响。 7脚：该引脚外接一般阻值为R13=22k的上拉电阻到电源端，以此达到集电极开路输出方式可以遥控命令输出端的目的。 8脚：电源+4.5+5V7。 3.93.9 HC-SR04HC-SR04 超声波传感器超声波传感器综上所述，将超声波发射模块及接收模块集成为一个模块，所以本设计采用 HC-SR04 超声波传感器模块实现超声波的发送和接收。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 32 页 3.9.1 产品特点HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非

54、接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈。模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/213。3.9.2 管脚及功能简介图 3.10 HC-SR04 超声波测距模块+5V 供电电源，GND 接地，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出。3.103.10 显示电路显示电路图 3.11（a）图为数码管的引脚图abcdegGND

55、fdpGNDabcefgddpabcdefgdpdpgfedcba5V（a）（b）共阴极共阳极(c) 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 19 页 共 32 页 图 3.12 数码管动态扫描每位的段码线（a、b、c、d、e、f、g、dp）分别与 1 个 8 位的锁存器输出相连，由 STC89C52RC 控制组合 09 十个数据，如令共阴极数码管显示 1 则 b、c 引脚（即2、3 引脚）送高电平，此时数码管显示 1。由于各位的段码线并联，8 位 I/O 口输出段码对各个显示位来说都是相同的。当数码管正常工作时必须接上拉电阻，数码管点亮一般要 510mA 的电流，P0 输出电流

56、不到 1mA，同时上拉电阻起到一个限流的作用。将四位八段数码管位选端通过并联的方式在一起显示，由 P0 控制。P0 端口并行输出口控制所有 LED 的段选码，因此，四位数码管只能四位同时显示相同的字符。若想显示不同的字符，最常用的方法就是扫描法。在不同的时间段，P0 并行输出口与位选输出控制相应字符段选码，以保证该位显示相应的字符。这样就能保证每位在不同的时间段显示该位应显示字符。由于人眼的相关特性以及二极管断电后的余辉的效应，必须采用延时程序使数字看起来很连续14。4 4 系统的软件设计系统的软件设计4.14.1 软件设计的软件设计的整体方案分析整体方案分析本系统采用单片机内部自带的定时器/

57、计数器 T1 的中断，记录精确的超声波的 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 20 页 共 32 页 往返时间。本系统采用方波输出程序控制单片机管脚 P1.2 输出 40kHz 方波信号。定时器中断 1 口负责监测超声波传感器有无接收到回波信号,然后单片机不停的检测 P1.1引脚，如果超声波已经返回，P1.1 引脚的电平则会由高电平变跳变为低电平。计数器记录的则是超声波在介质中传播的往返时间，通过简单的计算就可以得到要测的距离。4.1.1 超声波时序图超声波测距模块工作的时候通过给 P1.2 端口发送脉宽为 12s，频率为 40KHz的方波信号，并且打开计数器 T0 进行计时

58、。超声波测距仪主程序利用单片机的 P1.1端口检测回波信号，当检测到回波信号（P1.1 引脚出现高电平)，立即进入中断程序并且立即停止计时器 T0 计时。并且同时读取计数值，对测量结果进行计算，然后显示测量结果。本设计采用的是周期 800ms。下图 4.1 为 HC-SR04 的超声波产生的时序图。图 4.1 超声波时序图4.24.2 主程序主程序本设计采用的晶振的中心频率为 12MHz,计数器 T0 中的 time 值（即超声波往返时间）在主程序检测到接收成功的标志位之后按式（4.1）计算即可测得两者之间的距离8,假设空气中的声速为 340 m/s 则有：S=(V*time)/2 =time

59、*1.7/10mm (4.1)其中 time 为计数器 T0 的计数值，超声波脉冲重复测量过程，然后经过编码转换由四位 LED 数码管显示测出的距离结果。主程序流程图如图 4.2 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 21 页 共 32 页 开始初始化定时器启动定时器 T0发射超声波脉冲延时一段时间有无回波信号关闭定时器 T0读取数值 time计算距离 S显示测量结果YN回波端口准备接收回波图 4.2 主程序流程图4.34.3 中断服务程序中断服务程序中断响应的过程：（1） 在每个指令结束时，系统自动检测指令中是否含有中断请求，当 CPU 遇到中断请求信号，那么进入响应

60、中断状态。（2） 保护之前，在一般保护，禁止中断，以防止现场销毁现场的一幕。保护现场的指令一般用于堆叠在原程序中使用到堆栈中的寄存器。（3） 中断服务的相应的中断源是服务。（4） 恢复现场，禁止中断现场，以防止破坏现场。现场恢复，开放中断。（5） 返回时，CPU 继续执行被断点前被中断的程序。超声波测距模块工作的时候通过给 P1.2 端口发送脉宽为 12s，频率为 40KHz的方波信号，并且打开计数器 T0 进行计时。超声波测距仪主程序利用单片机的 P1.1端口检测回波信号，当检测到回波信号（P1.1 引脚出现高电平)，立即进入中断程序并且立即停止计时器 T0 计时。单片机中断响应程序流程图如