基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p>　　基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　摘要:本設(shè)計是以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對前方物體距離的測量。根據(jù)超聲波指向性強(qiáng),能量消耗慢,在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)的特點,利用超生波傳感器對前方物體進(jìn)行感應(yīng)，經(jīng)過單片機(jī)中的程序?qū)Τ暡▊鞲衅靼l(fā)射和接收的超聲波信號進(jìn)行分析和計算處理，最后將處理結(jié)果在LCD1602上顯示。STC89C52單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng),此系統(tǒng)根據(jù)超聲波在空氣中傳播反射原理

2、,把超聲波傳感器作為接口部件,利用超聲波在空氣中傳播的時間差來測量距離,設(shè)計了一套超聲波檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個基本模塊構(gòu)成，用接收部分接收超聲波。本設(shè)計利用兩個中斷，在發(fā)射信號時，打開定時器中斷0和外部中斷0使定時器計時，接收到發(fā)射超聲波信號時，外部中斷0關(guān)閉中斷，這時定時器中斷0計錄的時間就為超聲波傳播經(jīng)過測距儀到前方物體的來回時間。利用公式S=T×V／2（V為

3、超生波傳播速度，本設(shè)計設(shè)定值340m/s）,經(jīng)過單片機(jī)處理得到距離值S并且通過LCD1602顯示出來。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)STC89C52，HC-SR04超聲波傳感器，LCD1602</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p

4、>　　超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減。它也有自已的特性，如它的頻率可以非常高，達(dá)到兆赫級，因此，它在介質(zhì)中傳播時能量可以集中在很小的范圍內(nèi)，具有良好的成束性，也就是方向性好。</p><p>　　1.有關(guān)于超聲波的簡單介紹</p><p>　

5、　1.1 課題研究背景</p><p>　　超聲波[1]是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)

6、部、液位高度的測量等。近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。</p><p>　　1.2 課題研究意義</p><p>　　由于超聲測距是一種非接觸[2]檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，對于被測物處于黑暗、

7、有灰塵、煙霧、電磁干擾等惡劣環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高料位測量、車輛自動導(dǎo)航、物體識別與定位、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)乃至地形地貌探測等許多領(lǐng)域中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，

8、直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機(jī)器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車</p><

9、p>　　1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況</p><p>　　國內(nèi)的超聲波測[3]量主要集中在對0~10 m固體和液體的測量，一般測量精度高，回波穩(wěn)定[4]。近年來隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機(jī)器人視覺識別等方面。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。</p><p>　　國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)的一

10、些學(xué)者也作了大量相關(guān)的研究。</p><p>　　南昌航空工業(yè)學(xué)院的江澤濤[5]在《溫度對液體中超聲波速度的影響》一文中，洋細(xì)地分析了溫度對超聲波在液體中傳播速度的影響，導(dǎo)出了超聲波速度同液體壓縮系數(shù)及密度的關(guān)系，研究了壓縮系數(shù)及密度同溫度的關(guān)系，進(jìn)而研究了溫度對聲速及聲時的影響， 用實驗測量了不同的液體成分下的聲時同溫度的關(guān)系。</p><p>　　Figneroa J．F．，Laman

11、cusa J．S．[6]在《A method for accurate detection of time of arrival：AnalysiS and design of ultrasonic ranging system}一文中，提出一種新的計時方法，該方法的原理是回波時延由峰值時延和相位時延相加而得，分別用不同的檢測方法得到峰值時延和相位時延，相加后即得回波的傳播時間。</p><p>　　2.課題設(shè)計的

12、任務(wù)和要求</p><p>　　主要內(nèi)容根據(jù)所學(xué)知識，設(shè)計一個基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)。</p><p>　?。?）硬件設(shè)計：選擇單片機(jī)型號和超聲波模塊，設(shè)計主要的電路模塊，主要包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤接口模塊、超聲波接口電路模塊和顯示模塊；</p><p>　　（2）軟件設(shè)計：使用Keil C51設(shè)計系統(tǒng)軟件，并完成聯(lián)機(jī)調(diào)試，軟件設(shè)計的主要模塊有：系統(tǒng)初始化、

13、鍵盤掃描、超聲波測距和測量結(jié)果顯示。 </p><p>　?。?）需要實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：探測距離：2cm-450cm </p><p>　　精度：可達(dá)10mm

14、 </p><p>　　第二章 超聲波測距原理</p><p><b>　　1.研究方案及選擇</b></p><p>　　1.1方案一：基于ARM[7]的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　以S3C2410為核心，通過對其進(jìn)行軟件編程，實

15、現(xiàn)該芯片對其外圍電路的適時控制,并提供給外圍電路各種所需的信號,包括頻率振蕩信號、數(shù)據(jù)處理信號和譯碼顯示信號等等，大大簡化了外圍電路的設(shè)計難度，同時更重要的是該種設(shè)計方案大大節(jié)省了設(shè)計成本，并且由于采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計電路時可以將其他更多的功能設(shè)計進(jìn)去[8]。頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40kHz左右，具有一定間隔調(diào)制脈沖波信號。測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。系統(tǒng)由測距系統(tǒng)

16、、控制和顯示部分組成。</p><p>　　圖2.1基于ARM的超聲波測距系統(tǒng)框圖</p><p>　　1.2方案二：采用CPLD來控制的超聲波測距儀</p><p>　　采用CPLD來控制的超聲波測距儀，主要是在軟件上運用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）編寫

17、程序使用MAX+plus II軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計的仿真和調(diào)試，最終實現(xiàn)測距功能。使用本方案的優(yōu)點在于在超聲波測距儀設(shè)計中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高頻率可達(dá)175.4MHz，可用于組合邏輯電路、時序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設(shè)計。充分利用了其多達(dá)128個宏單元、68pin可編程I/O口，使該器件可以將分頻功能、計數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時平均的特點

18、，保證了測距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點是方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,還需要一塊用來存儲波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計的成本較高。同時在FPGA中還要用硬件描述語言(VHDL語言)編寫程序來實現(xiàn)硬件電路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法復(fù)雜，所以在軟件實現(xiàn)起來編程也復(fù)雜。</p><p>　　1.3方案三：采用51單片機(jī)控制的超聲波測距系統(tǒng)</p><p>　　采

19、用單片機(jī)來控制的超聲波測距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個信號，經(jīng)過信號線，把信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：</p><p><b>　　S=vt

20、/2</b></p><p>　　原理框圖如2.2所示。</p><p><b>　　t 障礙物</b></p><p><b>　　s</b></p><p><b>　　超聲波發(fā)射</b></p><p><b>　　超聲

21、波接收</b></p><p>　　圖2.2 超聲波的測距原理</p><p>　　方案一統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動測距、自動探傷和實時顯示功能，集探傷、測距等多種功能于一體，所有運算、處理、顯示都實現(xiàn)數(shù)字化；并且操作簡單。使用方便，所有功能都有按鍵控制；測量速度快、準(zhǔn)確，結(jié)果顯示直觀；儀器依靠電池供電，設(shè)有低功耗模式；體積小，攜帶方便，適用于室內(nèi)、野外等各種條件下作業(yè)。</p>

22、;<p>　　方案三計硬件簡單，容易實現(xiàn)，測距范圍適中。測量誤差可以控制在士1 c m左右。系統(tǒng)軟件采用合理算法，提高了測量精度，具有較好的應(yīng)用價值。另外其使用的51系列單片機(jī)以8051為內(nèi)核，兼容MCS-51系列單片機(jī)，內(nèi)部含有Flash存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)可以反復(fù)擦寫；用靜態(tài)時鐘方式，可以節(jié)省電能；支持ISP（在線編程），不需要把單片機(jī)從電路板取下來就可以擦寫程序；晶振頻率高達(dá)24M，運行速度更快，價格也比較便宜；增了看

23、門狗電路，防止程序“走飛”，更加安全可靠。與第二種方案相比，第三種使用的是單片機(jī)，編譯語言可以用C語言來實現(xiàn)，所以比較簡單。</p><p>　　2.超聲波測距的原理</p><p>　　2.1 超聲波的基本理論</p><p>　　超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全

24、和設(shè)備安全運作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。</p><p>　　超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。</p><p>　　超聲波是聽覺閾值之外的振動，其頻率

25、范圍在10——10Hz，其中通常的頻率大約在10——3之間。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的范圍）傳播時，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用：</p><p>　　1 超聲波的傳播速度</p><p>　　超

26、聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波——質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波——質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波；表面波——質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟āM波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。</p><p>　　超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈

27、性特性有關(guān)。</p><p>　　超聲波在氣體和液體中，其傳播速度C=（）</p><p>　　式中 ——介質(zhì)的密度；</p><p><b>　　——絕對壓縮系數(shù)。</b></p><p>　　可以推導(dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度。（T為環(huán)境溫度）。</p><p>　　超聲波在固體中的傳播速度分兩

28、種情況：</p><p>　　(1)縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度</p><p>　　其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān)。</p><p><b>　?。?xì)棒）</b></p><p><b>　　（薄板）</b></p><p><b>　?。o限介質(zhì)）</b>&l

29、t;/p><p>　　式中 E——楊氏模具；</p><p><b>　　——泊松系數(shù)；</b></p><p>　　K——體積彈性模具；</p><p><b>　　G——剪片彈性模。</b></p><p>　　(2)橫波聲速公式為</p><p>&

30、lt;b>　?。o限介質(zhì)）</b></p><p>　　在固體中，介于0——5之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。 </p><p>　　2 超聲波的物理性質(zhì)</p><p>　　當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時，一部分被反射；另一部分透射過界面，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖2.1.1所

31、示：</p><p>　　(1) 超聲波的反射和折射 </p><p>　　當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖2.1.1所示。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩</p><p><b>　　式求得：&l

32、t;/b></p><p>　　圖 2.1.1 聲波反射</p><p>　　式中：——分別為聲波的入射角和反射角；</p><p>　　——分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速滿足折射定律關(guān)系式：。</p><p>　　當(dāng)超聲波垂直入射界面時，即，則：</p><p>　　

33、如果sin>，入射波完全被反射，在相鄰兩個介質(zhì)中沒有折射波。</p><p>　　如果超聲波斜入射到兩個固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱波，而且還產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。</p><p><b>　　(2)超聲波的衰減</b></p><p>　　超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰

34、減。</p><p>　　在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下：</p><p>　　式中：——距離聲源x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；</p><p>　　——超聲波與聲波間的距離；</p><p>　　A——衰減系數(shù)，單位為（奈培/厘米）。</p><p><b>　　(3)超聲波的干涉&l

35、t;/b></p><p>　　如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。若以兩個頻率相同，振幅和不等，波程差為d的兩個波干涉為例，該兩個波合成振幅為</p><p>　　，其中為波長。從上式看出，當(dāng)d=0或d=（為整數(shù)）時，合成振幅達(dá)到最大值；當(dāng)d=時，合成振幅為最小值。當(dāng)時，；當(dāng)d的奇數(shù)倍時，兩波相互抵消合成幅度為0。</p><p>　　由于超

36、聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。</p><p>　　3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用</p><p><b>　　(1) 機(jī)械作用</b></p><p>　　超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點的運動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平

37、方成正比的質(zhì)點的加速度卻很大。有時足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。</p><p><b>　　(2) 空化作用</b></p><p>　　在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。</p><p><b&

38、gt;　　(3) 熱學(xué)作用</b></p><p>　　如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 </p><p><b>　　4 超聲波傳感器</b></p><p>　　超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類

39、，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。</p><p>　　壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時，就會產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為的交流電電壓時，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣的張弛，當(dāng)落在音頻范圍內(nèi)時便會發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機(jī)械振動作用于陶

40、瓷片使其發(fā)生微小的形變時，那么壓電晶片也會產(chǎn)生與振動頻率相同的微弱的交流信號。</p><p>　　超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　圖 2.1.2 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 2.1.3 超聲波外部結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2 超聲波測距系統(tǒng)原理</p><p>　　在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖

41、為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離；② 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 S=1／2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變 。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫

42、度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。</p><p>　　超聲波測距的算法設(shè)計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時）。X2是聲波返回的時刻，X1是聲波發(fā)聲的時刻，X2-X1得出的是一個時間差的絕對值，假定X2-X1=0.03S，則有34

43、0m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下： </p><p>　　圖 2.1.4測距原理</p><p>　　超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示：</p><p>　　圖 2.1.5 系統(tǒng)框圖</p><p>　　第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計</p><p>

44、　　3.2 超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計</p><p>　　超聲波是一種振動頻率超過20 kHz的機(jī)械波，它可以沿直線方向傳播，而且傳播的方向性好，傳播的距離也較遠(yuǎn)，在介質(zhì)中傳播時遇到障礙物在入射到它的反射面上就會產(chǎn)生反射波[6]。由于超聲波的以上幾個特點，所以超聲波被廣泛地應(yīng)用于物體距離的測量、厚度等方面[6]。而且，超聲波的測量是一種比較理想的的非接觸式的測距方法[6]。</p><p&g

45、t;　　當(dāng)進(jìn)行距離的測量時，由安裝在同一水平線上的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，并且同時啟動定時器進(jìn)行計數(shù)[7]。首先由超聲波發(fā)射探頭向倒車的方向發(fā)射超聲波并同時啟動定時器計時，超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會被反射回來，當(dāng)接收探頭收到反射波后就會給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其立刻停止計時[6.7]。這樣，定時器就能夠準(zhǔn)確的記錄下了超聲波發(fā)射點至障礙物之間往返傳播所用的時間t（s）[7]。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播

46、速度大約為340 m/s[7]，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離為：</p><p>　　S=340×t/2=170×t </p><p>　　因為單片機(jī)內(nèi)部定時器的計時實際上就是對機(jī)器周期T的計數(shù)，而本設(shè)計中時鐘頻率fosc取12 MHz，設(shè)計數(shù)值N，則： </p><p>　　T＝12/fosc=1μ

47、s </p><p>　　t=N×T＝N×0.000001（s） </p><p>　　S＝170×N×T＝170×N/1000000（m） </p><p>　　在程序中按式S＝170×N×T＝170&#

48、215;N/1000000計算距離。</p><p>　　3.2.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計</p><p>　　超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動實際上就是一個信號的放大電路，本設(shè)計選用74LS04芯片進(jìn)行信號放大，超聲波發(fā)射電路如圖3.

49、5所示。</p><p>　　圖3.5 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　工作時，由單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的脈沖從P0.1口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。</p><p>　　3.2.2 超聲波接收電路設(shè)計</p><p>　　由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果

50、距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的信號進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路CX20106A芯片電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對超聲波信號進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機(jī)去請求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計時，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。</p><p>　　CX20106A

51、芯片的前置放大器具有自動增益控制的功能，當(dāng)測量的距離比較近時，放大器不會過載；而當(dāng)測量距離比較遠(yuǎn)時，超聲波信號微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。CX20106A芯片的5腳在外接電阻對它的帶通濾波器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場對芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。CX20106A芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而且靈敏度也比較高，所以，能滿足本設(shè)計的要求。超聲波接收電路如圖3.6所示

52、。</p><p>　　圖3.6 超聲波接收電路</p><p>　　3.2.3 HR-SR04超聲波集成模塊</p><p><b>　　1、產(chǎn)品特點：</b></p><p>　　HC-SR04 超聲波測距模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能， 測距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接

53、收器與控制電路。 基本工作原理：</p><p>　　(1)采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號; (2)模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回； (3)有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲</p><p>　　波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2;&l

54、t;/p><p><b>　　2、實物圖：</b></p><p>　　如右圖接線，VCC 供</p><p>　　5V 電源，GND 為地 線，TRIG 觸發(fā)控制 信號輸入，ECHO 回 響 信 號 輸 出 等 四 支 線。</p><p><b>　　圖一 實物圖</b></p>&

55、lt;p><b>　　3、電氣參數(shù)：</b></p><p><b>　　4、超聲波時序圖：</b></p><p>　　圖二、 超聲波時序圖 以上時序圖表明你只需要提供一個 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將</p><p>　　發(fā)出 8 個 40kHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信

56、號</p><p>　　回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號</p><p>　　時間間隔可以計算得到距離。公式：uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是：距離</p><p>　　=高電平時間*聲速（340M/S）/2；建議測量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號</p><p><b>

57、　　對回響信號的影響。</b></p><p>　　注：1、此模塊不宜帶電連接，若要帶電連接，則先讓模塊的 GND 端先連接，否則會影響 模塊的正常工作。</p><p>　　2、測距時，被測物體的面積不少于 0.5 平方米且平面盡量要求平整，否則影響測量的</p><p><b>　　結(jié)果</b></p><p

58、><b>　　5、實物規(guī)格：</b></p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p><p>　　單片機(jī)在RESET端加一個大于20ms正脈沖即可實現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù)位和按鈕組合的復(fù)位電路如下：</p><p>　　圖3.2.2 復(fù)位電路</p><p>　　在系統(tǒng)上電的瞬間，RST與電源電

59、壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫崿F(xiàn)復(fù)位，即ms。一般取R1，C22uF。</p><p>　　當(dāng)人按下按鈕S1時，使電容C1通過R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，實現(xiàn)手動復(fù)位。</p><p><b>　　R1一般取200。</b></p><p>　　3.2.3 時鐘

60、電路</p><p>　　當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時鐘電路時，單片機(jī)的XATL1和XATL2用來接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，晶體一般可以選擇3M~24M，電容選擇30pF左右。我們選擇晶振為12MHz,電容33pF。</p><p>　　圖3.2.3 時鐘電路</p><p>　　3.2.4 按鍵電路</p><p>　　我們通過P1.0來啟動

61、測量，程序中通過查詢P1.0的電平來檢測是否按鍵被按下，電路原理如下：</p><p>　　當(dāng)按下按鍵時P1.0為低電平，單片機(jī)通過 查詢到低電平開始測量距離，當(dāng)松開按鍵，P1.0即為高電平。在軟件中通過軟件延時來消除按鍵的機(jī)械抖動。</p><p>　　圖3.2.4按鍵電路</p><p>　　3.2.5 蜂鳴器電路</p><p>　　報

62、警模塊通過單片機(jī)給定不同頻率利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。報警模塊電路圖如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.10 報警模塊電路圖</p><p>　　3.6 LCD顯示電路</p><p>　　本設(shè)計采用LCD液晶顯示屏顯示。其具有體積小、功耗低、界面美觀大方等優(yōu)點，這里使用YB1602液晶屏，1602顯示模塊用點陣圖形顯示字符，顯示模式分為2行16個字符。它

63、具有16個引腳，其正面左起為第一腳，如下圖所示：</p><p>　　第一腳GND：接地。</p><p>　　第二腳VCC：+5V電源。</p><p>　　第三腳VO：對比度調(diào)整端。使用時通過接一個10K的電阻來調(diào)節(jié)。</p><p>　　第四腳RS:寄存器選擇信號線。</p><p>　　第五腳RW:讀寫信號線。

64、</p><p>　　第六腳E：使能端，當(dāng)E由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r執(zhí)行命令。</p><p>　　第7~14腳：8位數(shù)據(jù)線D0~D7。</p><p>　　第十五腳BLA:背光電源正極輸入端。</p><p>　　第十六腳BLK:背光電源負(fù)極輸入端。</p><p>　　圖3.5.2 LCD顯示電路</p>

65、<p>　　表3.6.1 LCD1602操作指令</p><p>　　1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”?！　∫驗?/p>

66、1602識別的是ASCII碼，試驗可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。1602通過D0~D7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。顯示模式設(shè)置： (初始化)0011 0000 [0x38]設(shè)置16×2顯示，5×7點陣，8位數(shù)據(jù)接口；顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置： (初始化)0000 1DCB D顯示(1有效)、C光標(biāo)顯示(1有效)、B光標(biāo)閃爍(1有效)0000 01NS

67、N=1(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加1 &光標(biāo)加1)，N=0(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針減1 &光標(biāo)減1)，S=1 且 N=1 (當(dāng)寫一個字符后，整屏顯示左移)s=0 當(dāng)寫一個字符后，整屏顯示不移動數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80H，所以數(shù)據(jù)地址為80H</p><p><b>　　3.7 電源電路 </b></p><p>　　3．4 系統(tǒng)整體

68、電路</p><p>　　根據(jù)本章前面對設(shè)計的各個相關(guān)模塊的分別講述講述，再結(jié)合單片機(jī)的引腳功能，從而得到系統(tǒng)整體電路圖，如圖3.11所示。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計采用的是模塊化的思路來進(jìn)行設(shè)計和編寫程序，程序主要由系統(tǒng)主程序和中斷程序構(gòu)成。主程序完成單片機(jī)的初始化，超聲波的發(fā)射和接收、計算超聲波發(fā)射點與障礙物之間的距離

69、、數(shù)碼管顯示和蜂鳴器報警等。系統(tǒng)程序設(shè)計的主要的功能是發(fā)射超聲波、接受超聲波、計算測量距離、數(shù)據(jù)計算、蜂鳴器報警和數(shù)碼管顯示。</p><p>　　4.1 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)</p><p>　　(2)基于YB1602的顯示模塊，分為初始化子程序、寫入子程序以及顯示子程序；</p><p>　　(3)距離計算模塊、分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序、</p>

70、;<p>　　(4)本次設(shè)計使用C語言編寫程序，C語言相比匯編有許多的優(yōu)勢；編譯器使用Keil Version2進(jìn)行程序編譯，Keil功能強(qiáng)大使用方便。</p><p>　　主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及各個子程序的調(diào)度管理等部分。如圖4.1.1所示描述了各個模塊的關(guān)系：</p><p>　　圖 4.1.1 系統(tǒng)軟件方框圖</p><p><

71、;b>　　4.2 系統(tǒng)主程序</b></p><p>　　本設(shè)計主程序的思想如下：</p><p>　　(1)距離為四位顯示單位為mm；</p><p>　　(2)超聲波每隔60ms發(fā)送一次。</p><p>　　(3)按鍵S為測量啟動鍵；</p><p>　　(4)系統(tǒng)采用STC89C52的內(nèi)時鐘：

72、12MHz；</p><p>　　(5)沒有使用看門狗功能；</p><p>　　(6)超聲波發(fā)送一定時間后才開始啟動檢測，避免直達(dá)信號造成誤判。所以系統(tǒng)最小測量約為112mm；</p><p><b>　　系統(tǒng)主程序如下：</b></p><p>　　void main(void)</p><p&g

73、t;<b>　　{</b></p><p>　　uchar i,j;</p><p>　　for(i=0;i<255;i++)</p><p>　　for(j=0;j<255;j++); //延時，等待系統(tǒng)外圍復(fù)位完成 </p><p>　　sys_init();

74、 //初始化</p><p>　　display(); //顯示</p><p>　　sta_flag=0; //標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位 </p><p>　　waitforstarting: //檢測按鍵</p><p>　　while(START);</

75、p><p>　　for(i=0;i<20;i++)</p><p>　　delay1ms();</p><p><b>　　if(START)</b></p><p>　　goto waitforstarting;</p><p>　　BUZZER=0; //蜂鳴器鳴音一

76、次提示按鍵按下</p><p><b>　　i=100000;</b></p><p>　　while(i--);</p><p><b>　　BUZZER=1;</b></p><p><b>　　i=100000;</b></p><p>　　whi

77、le(i--);</p><p>　　TR0=1; //啟動定時器0</p><p><b>　　ET0=1;</b></p><p>　　testtemp(); //啟動溫度轉(zhuǎn)換</p><p>　　while(1) <

78、;/p><p><b>　　{ </b></p><p>　　if(sta_flag) //60MS到了，超聲波已經(jīng)發(fā)送 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　while(0==CSBIN); //等待超聲波返回</p>

79、<p><b>　　TR1=0;</b></p><p>　　jsh=TH1; //停止計數(shù)</p><p><b>　　jsl=TL1;</b></p><p>　　if(15==count) //1S到，檢測溫度</p><p><b&g

80、t;　　{</b></p><p>　　temp=wd(); </p><p><b>　　count=0;</b></p><p>　　testtemp(); //重新啟動轉(zhuǎn)換</p><p>　　display(); //刷新顯示</p><

81、;p><b>　　}</b></p><p>　　computer(); //計算距離</p><p>　　hextobcd(); //轉(zhuǎn)化成BCD碼</p><p>　　sta_flag=0; //標(biāo)志清零</p><p><b>　　} <

82、/b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void sys_init(void)</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　uchar i;&l

83、t;/b></p><p>　　for(i=0;i<29;i++) //顯示清零</p><p>　　{ num[i]=0;}</p><p>　　TMOD=0x11;</p><p><b>　　TH0=0x15;</b></p><p><b>　　TL0=

84、0xA0;</b></p><p><b>　　P0=0;</b></p><p>　　CNT=0; //超聲波發(fā)送關(guān)閉</p><p><b>　　CSBIN=1;</b></p><p>　　EA=1; //開放總中斷