说明07通信初稿2

1、目 录目 录I摘 要IIIAbstractIV前 言1第一章绪论211系统的发展状况212超声波及传感器的应用313单片机的发展4第二章超声波测距原理及系统方案621超声波传感器的介绍622超声波检测623利用超声波传感器测距的原理及实现82. 4超声波测距系统总体方案9系统主要参数102. 525.1声速102.5.2指向角102.5.3脉冲宽度102.5.4测距的工作频率11第三章超声波测距硬件部分设计1231 超声波模块设计123. 1. 1超声波检测总体电路方案设计12312超声波发射电路13313超声波接收电路1432显示单元方案设计15第四章超声波测距部分的设计2041 超声波测距

2、系统程序流程图2042 主程序的设计204. 3显示程序的设计2344子程序的设计26第五章系统误差分析及改进2851 误差产生的原因2851. 1 环境对测量的影响285. 1. 2 回波测量的计时准确度2852 系统改进方案29参考文献31附 录32附录一 单片机系统的程序设计32致 谢43诚信承诺书44老师评语：1 排版要按学院要求格式；2 参考文献格式要规范。基于单片机摘要系统设计摘要正文：自从我国加入 WTO，我国经济就迅速发展起来。随之也带动着交通运输业的日益兴旺，汽车的拥有量在我国的最近的一，二年里也大幅度增加，但也因此经常造成交通堵塞、交通事故频频发生，给人们的生活和带来了巨大

3、的损失。而安全驾驶成为大家热切关注的焦点，其中防撞系统的设计显得非常重要和迫切，针对这一点设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞系统尤为迫切。而超声波测距是一种最常见的测距方法。本文介绍的就是利用基于超声波测距法设计的一种防撞系统。本文研究的内容主要是基于 STC89C52 单片机防撞系统的设计，主要是将超声波测距系统与 52 单片机结合起来，再利用超声波测距的优势加之单片机系统控制的方便性。设计出一种高效、节能并基于 52 单片机的防撞系统。此设计过程主要涉及防撞系统各组成单元方案设计，系统的实现，超声波的测距原理和系统误差的分析及改进。其超声波工作模块主要包括超声波接收器，超声波等。

4、工作时，超声波不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由单片机装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与物之间的距离，到达规定距离时会发出信号，并由液晶显示屏显示出数据。对此本文将详细介绍防撞系统的设计。本还介绍了系统的结构通过编程来实现系统的功能。：52 单片机超声波测距显示To design a reversing assist system based on the singlechipAbstract：In recent years, the transporion safety has received significantention.With the

5、 radevelopment of economy, the number of people owning the carincreases dramatically, and the traffic accidents occur frequently which endangerpeoples property and even their life. Thus, it is very important to design a safe andefficient reversing assist system. Since ultrasound hase one of the most

6、popular ways to measure distance, we willroduce a reversing assist system whichbased on the singlechip and ultrasonic sensorhe following.The main content of the pr is to combine the singlechip of AT89C51 andthe ultrasonic sensor to design a reversing assist system.ly, the thesis mainlydescribes the

7、theory of distance measurement using ultrasound, errorimplemenion and the program compiling etc. Secondly, the main theory of distance measurement includes the ultrasonic launcher,ysis, systemmodule of the the ultrasonicreceiver and the alarm and display circuit. The ultrasonic transmitter will emit

8、 asucsful pulse when it works, which will be handled by ultrasonic receiver. Thenthe pulse will be deliveredo the singlechip system to calculate the time differenceand the distance betn car and the obstacle. When the distance reaches the designedrang limit, the system will transmitarming signal to w

9、arn the driver. Finally, thethesis alsosoftware.roduthe progress how to design the system of the hardware and theKey words：singlechip； ultrasonic；range acquisition；display;warning deviceAbstract前言超声波是频率高于 20000的声波，它具有好的方向性，能力强，易于获得较集中的声能，在水中距离远，可用于测距，测速，焊接，碎石、杀菌等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听

10、觉上限而得名.超声波测距是利用声波特性来实现的非接触式距离测量，其应用范围很广泛，如检测，定位，测量等.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用的要求因此在测控系统的研制上得到了广泛应用本文介绍一种以 STC89C52 单片机为的低成本高精度微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和设计方法。目前，国内一般使用非单片机的集成电路测距仪器，因而成本高，功能单一。而设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞系统势在必行。超声波测距应用于汽车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车防撞系统中，超声波可作为一种特殊的声波同样具有基本的物理特性折射，反射，

11、等等特性。同时其也具有束射性、性等。将超声波测距同 STC89C52 单片机结合于一体，利用超声波的高频率和短波长所决定的其特性。就设计出一种基于单片机的系统。当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的物方位，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到物的距离及位置通知驾驶，起到安全倒车的作用。第一章绪论11系统的发展状况系统是汽车或者要停车时的辅助性安全检测装置，它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围物的具体情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时所引起的困扰，帮助驾驶员提高驾驶的安全性。常见的系统通常是由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器等几部分组成。随着技术发展和用户需求量地不断

12、提高跟变化，在近几年里系统经过了大致五代的发展。第一代：时通过喇叭提醒驾驶员。但现在只有小部分车辆还在使用。只有在驾驶员在倒档时，它发出声音作为提醒但通常对周围的人起到的作用大于对驾驶员所起到的作用，而且设计较为不严谨，所以通常都是淘汰了。随着时间的推移、经济的迅速发展，研发出了第二代：采用不同声音的蜂鸣器来提示。这时系统真正开始引入。在的时候，若车身后1.8 米-1.5 米处有物，蜂鸣器就会开始工作。但也没有距离显示，虽然知道有物，但不能确定物离车有多远，对驾驶员帮助不大。经过技术的改进，研发出了第三代系统：利用数码波段显示具体距离的范围。这一代可以具体显示车身后面物的具置而且可以显示出距离

13、物的具体距离。例如：如果车身进入离物 1.5 米至 1.8 米之内的话，就可以在显示屏上显示出来的。这一代通常采用的显示方式是数码显示距离数三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用。这样可以有效地提醒驾驶员物的具置，并及时处理以免发生。但这项技术刚研制出来很多地方还不完善，比如美观方面，放在车厢内会给驾驶员带来不变。所以就接着研制出第四代：液晶荧屏动态显示。是在屏幕上显示动态显示系统。这时在驾驶员不用挂倒档的时候，只要发动汽车，就会在显示器上出现汽车周围物的距离，外表美观，轻巧方便。可直接放在上，安装很方便。但不强，灵敏度差等诸多问题的存在，所以经常导致误报。随着技术的发展，研制出了第五代产

14、品：智能轨迹系统。这一代完全弥补了以往的缺陷，利用 DSP 导航器来引索的。在国内，系统主要是为驾驶员在时不用回头便可知车后有无障碍物的存在。这样使得和停车更加容易和安全化了。近几年国内汽车产业也蓬勃发展，同时也带动着系统市场的发展。系统已经发展成一个较大的行业，每年还会迅速增长。中国的系统不但供应给国内还远销海外。但由于是在学生课堂实验中若要采用的话造价还是比较高的，由于材料的局限性，以及价格的约束性，只能做到基于 STC89C52 单片机利用超声波测距并显示其实际距离，以做到提示的作用。1. 2 超声波及传感器的应用所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到 20（Hz）-20

15、 千（kHz）的声波，低于 20的声波称为次声波或亚声波，超过 20 千的声波称为超声波。超声波是声波大中的一员，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，是一种能量和动量的形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线具有良好的束射性和方向性。总的来说与可闻波相比,超声波由于频率高、波长短,在过程中具有许多其特有的性质:1)方向性好。由于超声波的频率高,其波长较同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以超声波的方向好。2)能量大。超声波在介质中,当振幅相同时,振动频率越高能量越大。因此,它比普通声波具有大得多的能量。3)能力强。超声波虽

16、然在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱。在不透明的固体中,超声波能够几十米的厚度,所以超声波在固体和液体中应用较广。4)引起空化作用。在液体中时,超声波与声波一样是一种疏密的振动波,液体时而受拉时而逐级压,产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段,空穴被压缩直至崩溃。在空穴时产生放电和发光现象,这种现象称为空化作用。也正是这些特点，使得超声波在工业、农业、医学、军事等众多方面都有着及其广泛的应用。包括超声波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波、超声波治疗等。超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬

17、度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声波和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、电镀等工艺过程中。超声波是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。应用在医学中的超声波发展甚快，已经成为医学上三大影象方法之一，与 X 线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波、肿瘤治疗和等。在农业中，可以用超声波对有机体细胞的的特性来进行灭菌，对作物进行超声波处理，有利于发芽和作物增产。此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油、大气除尘等。微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟

18、线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。超声波因其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中距离远等特点，而经常用于进行各种测量。如利用超声波在水中的发射，可以测量水深、液位等利用超声波测距，使用单片机系统，设计合理，计算处理也较方便，测量精度能达到各种场合使用的要求。13 单片机的发展单片机是单片微计算机（Single-Chipputer）的简称，也称为微处理（Microprosor）或微控制器（Micro-controller），通常统称为微型处理（MCU ：Micro Controller Unit）。 单片机具有高度集成,一个最小然而完善的计算机系统,它至少包括微处理器(CPU) ，随机存

19、取数据器(RAM)，只读程序器(ROM)，输入输出电路(I/O 口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD 或 LED 驱动电路)，脉宽调制电路()，模拟多路转换器及 A/D 转换器等电路。el-4004 是历史上第一颗单片机，由el 公司 1971 年生产出来的。自从el 4004 诞生后，CPU 遵从摩尔定律在运行速度、数据位数和器等方面迅速发展。 单片机大致经历了三个发展阶段。第一阶段以 MCS-48 系列为代表，它将 CPU 和计算机电路集成到一个芯片上，新型工业微控制器，取得了很大的成功。第二阶段以 MCS 系列中的 8031 为代表，它将单片机配置了完善

20、的外部并行总线和具有多机识别功能的串行通讯接口，规范了功能单元的特殊功能寄存器(SFR)控制模式及适应控制器特点的处理系统和指令系统，为发展具有较好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。第三阶段以 80C51 系列为代表，它扩展了外部接口电路，在总线方面配置了间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活段。此时实验用的单片机是 8052 单片机，它完全兼容 8051 单片机，并且具有更强大的处理能力，它的主要功能和资源如下：8 位 CPU8kbytes384bytes 的数据程序器(ROM)器(RAM)32 条I/O 口线111 条指令，大部分为单字节指令21 个寄存器2个可编程定时/计数

21、器5个中断源，2 个优先级（52 有 6 个）一个全双工串行通信口外部数据外部程序器寻址空间为 64kB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CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器； RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O 口：四个 8 位并行I/O 口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行

22、 I/O 口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接，最高振荡频率为12M使用 52 单片机已经远远达到能做铺垫！的要求，但是为了后期加入其它的扩展功第二章超声波测距原理及系统设计21超声波传感器的介绍超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的。超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。传感器的主要组成部分是压电晶片，既可以发射超声波，也可以接收声波。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射

23、超声波脉冲，这是逆压电效应，主要用于超声波的发射。超声波传感器利用传感器头部的压振陶瓷的振动产生高频人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体反射回来，而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，这是正压电效应，因此传感器就能接收到返回波。传感器依据声波波长和发射及接纳回波的时间差就能肯定传感器探头与物体之间的间隔。传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声渡的时阀差就能确定物体的距离2. 2 超声波检测超声波测距方法主要有三种：1)相位检测法。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；2)声波幅值检测法。声波幅值检测法易受反射波的影响；3)渡越时间检测法。

24、渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和设计上都容易实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。本系统设计中超声波测距采用的是渡越时间检测法。利用渡时间检测法的超声波传感器主要有两又可以分为两种检测方法：直接反射式的检测模式和对射式的检测模式。超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的，从而使传感器检测到被测物。还有部分超声波传感器采用对射式的检测模式。一套对射式超声波传感，两者之间持续保持“收听”。位于器包括一个和一个和发射器之间的被检测物将会阻断接收发射的声波，从而传感器

25、将产生开关信号。超声波传感器特性：超声探头的结构不同但其都是其外套或者金属外套中的一块压电晶片。晶片的材料口丁以有许多种。晶片的大小，直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的使用前必须预先了解它的性能。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向等特点。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一般比较高。特别时用超声波探头使用功卒较小，所以工作温度比较低可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制

26、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，灵敏度低超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大，如其有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围300500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在1215的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。超声波检测为驾驶员提供汽车后方的信息。由于时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是的，因此在

27、系统中可以忽略效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。如驾驶员将手柄转到档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射40kHz 的超声波信号，经物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机STC89C2052将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与物距离小于1m 、0.5m、 0.25m 时发出不同的声，提醒驾驶员停车。23 利用超声波传感器测距的原理及实现超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。通常选择的是 40KHZ 的声波进行传输。为了以超声波作为检测，必须产生超生波和接收超声波

28、。完成这种功能的装置就是超声波传感器，上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化。即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF(time of flight)。单片机每隔一定时间间隔向超声波换能器发送一串频率为 40kHz(超声波换能器的谐振频率)的激励脉冲，使超声波换能器向需要探测的方向发射出超声波，同时开始定时，一旦接收到返回的超声波信号即停止定时，获得超声波往返时间，由超声波脉冲在

29、空气中传输的速度，便可计算出超声波换能器与目标物体间距离。首先测出超声波从发射到遇到物返回所经历的时间 t。再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与物之间的距离即:D=ct/2其中D为传感器与被测物之间的距离，C为声波在空气中的传输速度声波的传输需要一种媒质，声波在媒质中的速度，称为声速。由声波产生的物理过程可知，声速与质点速度是完全不同的，声波的只是扰动形式和能量的传递，并不把在各自平衡位置附近振动的媒质点传走。某种媒质中的声速主要取决于该媒质的密度和温度。由于空气没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体中声波的形式只能是纵波。也就是说，在声扰动下，气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动，形成稠密和

30、稀疏依次交替的传递过程，而且质点运动的方向与声波的方向一致。声波在相当大的频率范围内不随频率发生变化，也就是说超声波的速度与可听声波的速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等规律与可听声波并无质的区别，与一般声波相比，超声波具有更好的定向性，并且可以不透明物质。在空气中超声波传播速度主要与温度有关，在空气中的速度C为：式中T 为环境温度。由于超声波也是一种声波，其声速 c 与温度有关，附表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。附表声速与温度关系表如图（2.1）常温下可以大致的认为超声

31、波的速度是344m/s。由以上图表2. 4 超声波测距系统总体方案超声波测距的系统组成：主要分为两部分：（1）硬件部分：主要由单片机系统及显示电路，超声波发射电路和超声波检测接收电路与电路三部分组成（单片机由输出口触发控制超声波的发送，然后单片机不停的检测0，当0 由低电频变为高电频时就认为超声波已经返回，此时计数器开始计数，当0 由变为低电平的时候，计数器停止计数，那么计数器计数值就是超声波从发送到碰到物之后又反射回来总共用的时间（2）部分：主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接收中断程序及显示子程序等。系统的设计及器件的选择是在这个基础上进行的，系统结构：超声波发射电路主要用来产生不同形

32、式的超声波，以满足实际需要。发射电路通常有调谐式和非调谐式，而谐振频率通常由调谐电路的电容和电感来决定的，发射出的超声脉冲频带较窄。而非调谐电路没有调谐原件，所以发射出的超声频率主要由晶片的固有参数决定的，频带较宽。将一定的频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其发出超声。发射部分的脉冲电压很高，但由物回波引起的晶片频率电压很低，要对这样的小信号进行处理就必须放大到一定的幅度。电路超声波信号发射STC89C52控制器被测物1602 显示超声波信号接收温度-30-20-100102030100声速313m/s319m/s325m/s323m/s338m/s344m/s349m/s386m/

33、s接收部分是由门限判别电路，三级放大电路及检波电路组成的，其中杂波抑制电路最终达到对回波进行放大，产生一个单片机可以识别的中断信号作为回波收到的标志。但是由于超声波有固有的弊端，即盲区的存在，这对回波的接收和处理造成了相当程度的影响。而电路频率应满足发射传感器的固有频率40KHZ，这样才能工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压越高越好，这对同一发射传感器而言电压越高其发射的频率就越大，这就能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大。2. 5 系统主要参数由于超声波在介质中匀速以及在遇到界面时都会发生反射、折射等特性，由于介质的疏密程度不同，当超声波在就要发生反射等。同时由于的角度不同都会引起时

34、间的确性。而系统的主要参数包括超声波传感器的声速、指向角、脉冲宽度、测距的工作频率等。接下来就将一一阐述。2. 5. 1 声速声速与介质的体弹性系数和密度有关。由于介质的弹性系数与温度有关，因此声速也与温度有关。一般介质的声速都是随着温度的增高而升高的。同时传播介质中声波的速度随温度和其所含杂质的量，还有介质的抗压能力的改变而变化。所以声速的精确程度决定了系统的测量精度。声速随温度的变化公式为V=331.4+0.607T（m/s）其中，T 是温度。通常可以看做是一定值，在常温下，声音在空气中的速度为 340m/s。2. 5. 2 指向角超声波传感器的指向角是声束半功率的夹角，是影响测距精确程度

35、的重要参数之一，它直接影响测量的分辨率。其大小与工作波长，传感器半径有关。当发射频率选定时，指向角就近似与传感器半径成反比，指向角越大，分辨率越低。但要求传感器半径大些，由于传感片规格有限，这样可以降低成本。通常我国选择的传感器的最大半径是 6.3mm,固经过计算指向角通常在 75 度。2. 5. 3 脉冲宽度发射脉冲的宽度决定了测距仪的测量盲区，同时也影响到测量的精度，还和信号的发射能量有关。据材料统计，脉冲宽度较小的话可以提高测量的精确程度，从而降低测量的盲区。但与此同时也减小了发射的能量，这对接收回波会产生不利的影响。由于过宽的脉冲会加强测量的盲区，这对回波的接收同样也造成严重的影响。在

36、设计中具体比较了 1 个 40KHZ 的脉冲24us,5 个 40KHZ 的脉冲120us,10 个 40KHZ 的脉冲240us,30 个 40KHZ 的脉冲720us这样最终选择用 120us 的发射脉冲宽度。2. 5. 4 测距的工作频率由于空气中超声波的衰减对频率很敏感，这就要求选择一个合适的频率，而通常选择的是 40KHZ。如果频率太高则超声波在空气中是无法出去的。所以传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响到超声波的扩散和吸收损失，物反射损失这样直接决定传器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点：（1）工作频率越高，传感器的方向性越，测量物越准，且波长较短的话，尺寸的分

37、辨率就较高。这样就可以提高工作频率了。（2）如果对测距要求较高，声波其损失就相对增加了，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，这样为减小损失就必须降低其工作频率。而从传感器设计角度看，工作频率低且传感器尺寸就越大。所以综合分析后，由于测量的量程并不是很大，所以选择测距仪的工作频率在 40KHZ 左右。这样可以避免噪声，提高信噪比，不会给发射和接受造成影响。第三章 超声波测距硬件部分设计超声波测距主要由超声波发射和接收电路、单片机检测定时电路、单片机控制显示电路、电路组成。下图就是超声波总体硬件电路图设计：超声波发射电路图超声波发射和接收电路是整个系统的重要组成部分，因此设计出一种良好的设

38、计方案关系到整个系统的精确性和安全可靠性。本章就将介绍一种较优的方案。3.1 超声波模块设计3. 1. 1 超声波检测总体电路方案设计为了开发和调试的方便采用已经集成的HC-SR04 超声波模块，本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的 SRF05,SRF02 等超声波测距模块相媲美。模块高精度，盲区（2cm）超近,稳定的测距是此产品成功市场的有力根据！1) 主要技术参数:(1)使用电压：DC5V；（2）静态电流：小于 2mA；（3）电平输出：高 5V；（4）电平输出：低 0V；（5）感应角度：不大于 15 度；（6）探测距离：2cm-450cm；（7）高精度：可达 3mm.2) 电气参数：3

39、）超声波时序图一个控制口发一个 10US 以上的,就可以在接收口等待输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了。4）模块工作的原理：(1)采用 IO 触发测距，给至少 10us 的信号;(2)模块自动发送 8 个 40khz 的，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO 输出一，持续的时间就是超声波从发射到返回的时间测试距离=(时间*声速(340M/S)/2。3. 1. 2 超声波发射电路超声波在空气中功率及精度与频率成正比，比较和分析几个常用超声波频率的特点，最终选取频率

40、为 40 kHz。为了便于超声波的发射与接收。超声波发射探头采用频率为 40 kHz 超声波发射电路 16 探头，超声波发射电路主要由超声波换能器和反相器 74LS04。首先，若单片机 P3.3 端口一次只输出一个超声波脉冲信号，则距离较远时就接收不到了。所以要输出 40 kHz 间断，由于叠加的结果，就有较大振幅了。则此时定时器开始计时，信号经反相器送到超声波换能器的两个电极，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，可以提高驱动能力。电阻R，、月：可以增加超声波换能器的阻尼效果，这样可以缩短振荡时间，提高 74LS04 输出的驱动能力。超声波发射电路原理图如图 2 所示。3. 1

41、. 3 超声波接收电路接收电路主要功能是对接收到的超声波信号进行处理和接收。其主要由回波放大接收电路及比较电路组成，如图 3 所示。首先调节可调电阻 R 使比较器A1 同相端电压高于 2.5V。由于 D1 输出低电平，而反相器 N 输出，所以有RS 触发器的S 非为 0，R 非为 1，Q 为 1，0 非为 0.当 P1.0 发出启动信号则经微分电路形成的同步脉冲信号通过反相器N 的反相功能，R 非为 0，D1 位S非为 1，Q 为 0，0 非为 1，T0 计数器开始记数，脉冲经过之后S 非=R 非=1，Q=00 非=1.回波信号经过放大滤波送至比较器A1 的反相端，它是叠加在2.5V上的频率为

42、 40KHZ 的高频电压信号。其上升沿使 A1 输出低电平，S 非=0，R 非=1，Q=1，0 非=0 ；即0 非获得负跳沿信号，CPU 响应中断请求，使 T0 计数器停止计数，记数值N 送存到 RAM。超声波接收电路采用SONY公司的CX20106A集成电路，对接收探头收到的信号进行放大、滤波。它是一款红外线检波接收的，有较强的性和灵敏度。管脚1是超声波信号输入端，其输入阻抗约为40欧姆；管脚2的c：、尼决定接收换能器的总增益，增大电阻尺或者减小c，将使放大倍数下降，负反馈量增大，电容c的改变会影响到频率特性，实际使用中一般不改动，选择参数R=47 It，C=33F；管脚3与GND之间连接检

43、波电容，考虑到检波输出的脉冲宽度变动大，参数33 IAF；管脚5上的连接电阻月。用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低，取R=200欧姆时，中心频率约为42kHz；管脚6与GND之间接入一个积分电容，标准值为330，如果该电容取得太大，会使探测距离变短；管脚7是命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻阻值为R=220欧姆，没有接收信号时该端输出为，有信号时则会下降；管脚8接电源正极，455 V。超声波接收电路原理图如图3所示。3.2 显示单元方案设计显示器是一个典型的输出设备，应用广泛。最简单的显示器是 LED 发光二极管，而复杂的较完

44、整的显示器应该是CRT 监视器或者屏幕较大的LCD 液晶屏。综合单片机的接口资源，系统显示电路采用简单实用的 1602 液晶。1602A 是一种字符型液晶模块，可以显示 2 行*16 个字符，每个字符是由5*8 点阵组成的字符块集。字符型液晶显示模块由字符型液晶显示屏（LED），控制驱动主及其扩展驱动。且 1602A 应用于智能仪器仪表、通讯、办公自动化以及领域。主要特性：8 位并行数据接口，可选 4 位并行数据方式，具有字符发生器ROM，含 10880 位，同时具有字符发生器 RAM，含有 512 位，其低功耗、高可靠性。其引脚说明如下表：第1脚：VSS 为地电源。第2脚：VDD接5V正电源

45、。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W 为读写信号线，时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W 为时可以读忙信号，当RS为R/W 为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第符号引脚说明符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数

46、据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。紧接着就要介绍1602LCD的指令说明及时序：1602液晶模块的控制器共有11条控制指令，如表所示：14：控制命令表 1602 液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1 为、0 为低电平）指令 1：清显示，指令码 01H, 光标复位到地址 00H 位置。指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。指令 3：光标和显示模式设置 I/D ：光标移动方

47、向，右移，低电平S:屏幕上所有文字是否或者右移。表示有效，低电平则无效。指令 4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，闪烁，低电平不闪烁。指令 5：光标或显示移位 S/C ：高电序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址0

48、01显示数据存贮其地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从 CGRAM 或DDRAM读数11读出的数据内容平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令 6：功能设置命令 DL：时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线N：低电平时为单行显示，时双行显示F: 低电平时显示 5x7 的点阵字符，时显示 5x10 的点阵字符。指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。指令 8：DDRAM 地址设置。指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令 10：写数据。指令 11：读数据。读操作时

49、序：RStSP1tHD1R/WtFtPWtREtDtHD2DBO-DB7Valid Datatc写操作时序：RStSP1tHD1R/WtPWtFEtRtSP2tHD2Valid DataDBO/DB7tc电路设计系统的电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为 1K，R26 的阻值为 10K。对于二级运算放大,都采用 F007.两级放大电路均是负反馈接法,即反相比例运算电路.而反相比例运算电路中,输入信号从反相输入端输入,同相输入端接地.根据“虚短”和“虚断”的特点，即 u_=u+,i_=i+=0.u+=0.而所谓“虚短”是由于理想集成运放 Au0第四章 超声波测距部分

50、的设计超声波测距仪的设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。4.1超声波测距程序流程图：主程序触发超声模块发射超生波是否收到反射波是是否符合条件是主程序首先对系统环境初始化，设置定时器TO工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出个超声波脉冲，为避免超声波从直接传送到引起的直接波触发。需延迟1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为1US，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数(即超声波来回所用的时

51、间)，通过计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离，4.2 主程序：1602 液晶显示单片机处理数据初始化（单片机和液晶初始化）void main(void)/ 主程序udistance_data;uchar k;/定义变量i指向字符串数组元素Threshold=150;/为阀值赋值，当距离小于这个值时，启动蜂鸣器LcdInitiate();/调用LCD初始化函数delay(10);/延时10ms，给硬件一点反应时间WriteAddress(0 x01);/ 从第1行第2列开始显示k = 0;/指向字符数组的第1个元素while(stringk != 0)WriteData(stringk);k

52、+;/指向下字符数组一个元素WriteAddress(0 x41);/从第2行第2列开始显示WriteData(J);/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(U);/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(L);/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(I);/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(:);WriteData(digitqian);/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(digitbai);/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(digitshi);/将千位数字的字符常量写入LCDWriteData(digitg

53、e);/将百位数字的字符常量写入LCDWriteData( );/将百位数字的字符常量写入LCDWriteData(C);/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(M);/将万位数字的字符常量写入LCDi=0;Tx=0;/首先拉低脉冲输入引脚TMOD=0 x09;/定时器0，16位工作方式/由变低电平，触发外部中断IT0=0;ET0=1;/打开定时器0溢出中断EX0=0;/关闭外部中断while(1)/程序循环WriteAddress(0 x46);/从第2行第2列开始显示WriteData(digitqian);/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(digitbai)

54、;/将万位数字的字符常量写入LCDWriteData(digitshi);/将千位数字的字符常量写入LCDWriteData(digitge);/将百位数字的字符常量写入LCDEA=0;Tx=1;delay_20us();Tx=0;/产生一个20us的脉冲，在Tx引脚succeed_flag=0;/清测量成功标志TL0=0;/定时器0清零/修改TH0=0;/定时器0清零/修改TR0=1;/启动定时器0/修改while(Rx=0);/等待Rx回波引脚变EX0=1;/打开外部中断EA=1;while(Rx=1);/等待低电平的到来和终端TR0=0;/关闭定时器1/修改EX0=0;/关闭外部中断/修

55、改if(succeed_flag=1)dieH;/测量结果的高8位distance_data=8;/放入16位的高8位/与低8位合并成为16位结果数据distance_data=distance_data|eL;distance_data= distance_data/58;if (distance_data Threshold) /小于阀值，进入函数warn();conver(distance_data);delay(1000);warn_beep = 0;/每次检测时把蜂鸣器关闭4.3 显示程序：void LcdInitiate(void)/液晶初始化函数delay(5);/延时15ms，

56、首次写指令时应给LCD一段较长的反应时间/显示模式设置：162显示，57点阵，8位数据接口WriteInstruction(0 x38);delay(5);/延时5ms，给硬件一点反应时间WriteInstruction(0 x38);delay(5);WriteInstruction(0 x38);/连续三次，确保初始化成功delay(5);WriteInstruction(0 x0c);/显示模式设置：显示开，无光标，光标不闪烁delay(5);WriteInstruction(0 x06);/显示模式设置：光标右移，字符不移delay(5);WriteInstruction(0 x01)

57、;/清屏幕指令，将以前的显示内容清除delay(5);unsigned charBusyTest(void) /液晶显示闲忙判断函数bit result;RS=0;/根据规定，RS为低电平，RW为时，可以读状态RW=1;E=1;/E=1，才允许读写_nop_();/空操作_nop_();_nop_();_nop_();/空操作四个机器周期，给硬件反应时间result=BF;/将忙碌标志电平赋给resultE=0;/将E恢复低电平return result;void WriteInstruction (unsigned char dice) /液晶显示写指令函数whiusyTest()=1);/

58、如果忙就等待RS=0;/根据规定，RS和R/W同时为低电平时，可以写入指令RW=0;E=0;/E置低电平(根据表8-6，写指令时，E为高脉冲，/就是让E从0到1发生正跳变，所以应先置0_nop_();_nop_();/空操作两个机器周期，给硬件反应时间P0=dice;/将数据送入P0口，即写入指令或地址_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/空操作四个机器周期，给硬件反应时间E=1;/E置_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/空操作四个机器周期，给硬件反应时间E=0;/当E由跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令void WriteData(

59、unsigned chary)/液晶显示写数据程序whiusyTest()=1);RS=1;/RS为，RW为低电平时，可以写入数据RW=0;E=0;/E置低电平(根据表8-6，写指令时，E为高脉冲，/就是让E从0到1发生正跳变，所以应先置0P0=y;/将数据送入P0口，即将数据写入液晶模块_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/空操作四个机器周期，给硬件反应时间E=1;/E置_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/空操作四个机器周期，给硬件反应时间E=0;/当E由跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令4.4 子程序的设计主要实现和中断的程序控制

60、当距离小于定义阀值开始驱动蜂鸣器void warn(void)/函数warn_beep = 1;O_()errupt0/外部中断是 0 号eL =TL0;/取出定时器值/修改eH =TH0;/取出定时器值/修改succeed_flag=1;/至成功测量的标志TR0 = 0;/关闭定时器 0外部中断 0，用做判断回波电平O_()errupt 0/外部中断是 0 号eL =TL0;/取出定时器值/修改eH =TH0;/取出定时器值/修改succeed_flag=1;/至成功测量的标志TR0 = 0;/关闭定时器 0定时器 0 中断，如果出现中断则此次计时，超过超声波模块接受的范围，等待进入下一次循