2017毕业论文-基于AT89C51单片机的超声波测距系统的设计.doc

中文摘要 I 摘 要 论文的内容是基于 AT89C51 单片机超声波测距系统的设计，主要是利用 超声波的特点和优势，将超声波测距系统和 AT89C51 单片机结合于一体。该 系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。 论文概述了超声波测距的发展及基本原理，对于系统的一些主要参数进 行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构 成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统 各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并 阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统 功能。 该系统设计主要由主控制器模块、超声波发射模块设计、超声波接收模 块、报警模块和显示模块等五个模块构成。这套系统抗干扰能力强、实时性 良好，经过系统扩展和升级，可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生 活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。 关键字：关键字： 单片机、超声波、传感器、LED、测距 Abstract II Abstract The paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. The paper outlines the development and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design comparison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function. This system mainly by master control module design, ultrasonic launching module design, ultrasonic receiving module, alarm module and display module five module. The system hardware and software design is reasonable, anti-jamming ability, good real-time performance, after system extension and upgrade, can be widely used in industrial production, medical examination, the daily life, the robots, automatic operation of the automatic lead car, robots, level gauge, etc. Keywords: SCM、 Ultrasonic、Sensor、LED、Ranging 目录 III 目 录 摘 要I Abstract.II 目 录 .III 第一章 引 言 .1 1.1 选题背景 1 1.2 设计意义 2 1.3 近年来国内外发展状况2 1.3.1 超声波测距系统在国外的发展.2 1.3.2 超声波测距系统在我国的发展.3 第二章 系统构成及工作原理.5 2.1 超声波简介与应用 5 2.2 系统的设计思路 6 2.3 系统的工作原理 7 第三章 系统硬件电路设计.9 3.1 单片机的选择 9 3.2 超声波测距发射电路方案选择与设计13 3.2.1 发射电路方案选择与论证13 3.2.2 发射电路方案的设计13 3.2.3 反相器 74LS04 简介14 3.3 超声波测距接收电路方案的选择与设计.14 3.3.1 接收电路方案的选择与论证14 3.3.2 接收电路的设计 15 3.4 显示模块方案的选择与设计18 3.4.1 显示模块方案选择与论证.18 3.4.2 显示模块的设计 .19 3.4.3 LED 数码管简介 19 3.5 报警模块的设计 .20 3.6 时钟电路的设计 .22 目录 IV 3.7 复位电路的设计 .23 第四章 软件系统的设计.24 4.1 软件设计分析 .24 4.2 系统软件设计 .24 4.2.1 主程序 .25 4.2.2 超声波产生子程序.26 4.2.3 数据读取和储存 .27 4.2.4 延时子程序 .28 4.2.5 显示子程序 .28 第五章 结论 .32 参考文献 .33 致谢 .34 附录一 电路图 .35 附录二 程序 .36 第一章 引言 1 第一章 引 言 1.1 选题背景 随着科技发展的不断进步，自动测量技术不断更新，非接触式测量技术也 有了长足的发展。在很多工控场合，测量的物体是不能够直接接触到的，或者 是测量物体不宜直接接触, 这个时候就要用到非接触式的测量仪器。自物理学 上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波 的办法，从此超声波技术得到广泛运用。而在超声波测量领域，尤其是在测距 领域，结合各种其他技术的应用，超声波测量变得十分普及。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一， 纵向分辨率较高。超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感，因此超 声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境 下有一定的适应能力，在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷达、物体识别 等方面有着广泛的运用。与其他测距方法相比，超声波测距方法有其自己的特 点： (1) 相对于声波，超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减 较小、反射能力较强等优势。 (2) 相对于光学方法，超声波的波速小，可以直接测量较近目标的距离， 纵向分辨率较高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗，有灰 尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。特别是在海洋勘 测方面具有独特的优点。 (3) 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于 小型化与集成化。 随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广。但就目前技术水平 来说，人们可以具体利用的超声波技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃 发展而又有无限前景的技术及产业领域。 第一章 引言 2 1.2 设计意义 距离在很多场合和控制中需要实时检测，所以，测距就成为数据采集中重 要的一环。尽管测距有多种方式，比如：激光测距、微波测距、红外线测距和 超声波测距等。但是超声波测距不失为一种简单可行的方法。虽然超声波测距 电路多种多样，可是有的电路复杂、技术难度大，有的调试困难，有的元件不 易购买，这就在一些方面限制了超声波测距系统的应用。本设计的电路，成本 低廉、性能可靠、所用元件易购，结合单片机的数据处理，电路实现容易，工 作稳定可靠。 由于超声波指向性强，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。 利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单。超声波智能测距仪具有广泛 的实际用途，超声波测距仪广泛应用于生活、军事等各个领域，如施工建筑单 位对空间距离的测量、汽车倒车防撞系统、潜水艇的超声波探测定位系统。 超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，如汽车倒车雷达等，它们 测距精度一般较低。目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。展望未来， 超声波作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间， 它将朝着更高精度，更大应用范围，更加高定位高精度的方向发展，以满足日 益发展的社会需求。 1.3 近年来国内外发展状况 1.3.1 超声波测距系统在国外的发展 一般认为，关于超声波的研究最初起始于 1876 年 F.Galton 的气哨实验， 这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜 为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度 的影响。在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。法国人 Langevin 使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的 这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。 1929 年，Sokolov 首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔 2 第一章 引言 3 年，1931 年 Mulhauser 获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做 更多的工作。4 年之后，1934 年 sokolov 首次发表了关于在液体槽子里用穿透 法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能 量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人 Bergrnann 在他的论著ULTRASONIC中，详细的论述了有关超声波的大量 早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作。 美国的 Firestone 首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了 更重要的阶段。在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性， 其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技 术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无 数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。目前，在超声无损检测中， 脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。 1.3.2 超声波测距系统在我国的发展 超声波测距技术作为检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要 的作用。由于其信号的高频特性，超声测距早期仅使用模拟量信号的分析，大 部分检测设备仅有 A 扫描形式，需要通过有经验的人员对信号进行人工分析才 能得出正确的结论，对分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影 响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。 八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的 数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波测距设 备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮 廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点， 通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。另外，也有大量的 文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些 处理方法都取得了较好的效果。 目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波测距 系统的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析 系统。随着测距技术研究的不断深入，对超声测距系统功能要求越来越高，单 第一章 引言 4 数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声 测距仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存 储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研 制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测 仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制 管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接 微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有 断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序 的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重 大突破和创新，达到了国际先进水平。 第二章 系统构成及工作原理 5 第二章 系统构成及工作原理 2.1 超声波简介与应用 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。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。 超声波是指振动 频率大于 20000Hz 以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉 的上限（20000Hz） ，人们将这种听不见的声波叫做超声波。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，其不同点是超声频率高，波长短，在一定 距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 由于超声波具有如下特性：超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质 中有效传播；超声波可传递很强的能量；超声波会产生反射、干涉、叠加和共 振现象；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。 超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面： 1 超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能 透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超 声成像技术。超声测量是利用超声波直线传播的特性，从发射器发出超声波， 超声波遇到障碍物是会反射回来，进而由接收器接收测量出相应的距离。超声 测距技术已在各方面获得普遍应用。 2 超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进 行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、 促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了 广泛应用。 3 基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过 程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收 （见声波） 。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的 第二章 系统构成及工作原理 6 研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距， 在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在 1012 赫以上的特超声波，波长 可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵 结构。点阵振动的能量是量子化的，称为声子（见固体物理学） 。特超声对固 体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对 固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中声 现象的研究构成了近代声学的新领域。 2.2 系统的设计思路 超声波测距系统包括超声波的发射与接收系统、报警系统和显示系统。其 结构框图如图 2-1 所示： 超声波接收 单片机 控制器 LED 显示 扫描驱动 报警装置 超声波发射 图 2-1 超声波测距系统的结构框图 超声波测距系统能够在必要的时候（例如：汽车倒车）通过单片机控制发 射电路发射超声波，超声波向前传播。当超声波遇到障碍物时会反射回来，由 接收电路接收。接收电路会把信号传送到单片机中，由单片机进行相关的数据 处理。所得到的结果会通过 LED 数码管显示出来。如果距离小于一个特定的值， 单片机会发出指令让报警装置发出相应的警报声。在此过程中，如果发射装置 与障碍物之间有相对运动，那么 LED 数码管会不断地显示两者之间最新的距离。 而单片机会对距离的变化情况发出不同的指令。如果两者的距离超出一定的范 围（本次设计是四米） ，就不再会进行报警。但是如果两者之间的距离不断缩 小，那么报警的声音就会发生变化，以便能够给人们提示。 第二章 系统构成及工作原理 7 本系统的设计主要分为系统硬件电路的设计和系统软件程序的设计两部分。 系统硬件电路部分由单片机最小系统模块、显示模块、语音报警模块、时钟模 块、复位模块组成。单片机为系统主控芯片，超声波传感器作为测量器件，通 过单片机进行程序处理，最后通过显示模块显示出测量的距离值并进行报警。 系统软件程序部分采用模块化设计方法。整个系统由主程序、系统初始化 子程序、超声波发射程序、超声波结束程序、显示程序、报警程序等模块组成， 如图 2-2 所示 。 图 2-2 超声波测距系统软件框图 2.3 系统的工作原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波向 前传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止 计时。假设超声波在空气中的传播速度为 v，根据计时器记录的时间 t，发射 点距障碍物的距离 H，如图 2-3 所示： 第二章 系统构成及工作原理 8 图 2-3 超声波测距原理 图2-3中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走 过的距离用L表示，由图中关系可得 : H= Lcos (1) =arctan( M/H ) (2) 将式( 2) 代入式( 1) 得: H =L cosarctan(M/H ) (3) 在整个传播过程中， 超声波所走过的距离为: 2L = vt (4) 上式中: v 为超声波的传播速度；t为传播时间，即为超声波从发射到接 收的时间。将式(4) 代入式(3) 可得: H = 0.5vt cos arctan(M/H ) (5) 当被测距离H 远远大于M 时, 于是式( 5) 变为: H = 0.5vt （6） 这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所 经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 第二章 系统构成及工作原理 9 第三章 系统硬件电路设计 10 第三章 系统硬件电路设计 超声波测距系统的设计包括硬件设计和软件设计，两者相互协调，构成一 个具有完整功能的系统。对一个系统来说，硬件电路是整个系统的基础，是整 个系统功能的实现平台。硬件电路的设计限定了系统主体的功能与性能，同时， 硬件电路的选择和连接也为软件程序的编写提供了依据。 系统硬件电路部分由 AT89C51 单片机最小系统模块、显示模块、语音报警 模块、时钟模块、复位模块组成。AT89C51 为系统主控芯片，用超声波传感器 作为测量器件，用单片机中程序进行处理，最后通过 LED 数码管显示出测量的 距离值（总体电路图见附录一） 。若此距离小于一定的数值（此次设计是四米） ， 则进行报警。 3.1 单片机的选择 在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务 的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。目前各半导体公 司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。 一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面： 单片机的基本性能参数。例如指令执行速度、程序存储器容量、I/O 引脚 数量等。 单片机的存储介质。对于程序存储器来说，Flash 存储器和 OTP（一次性 可编程）存储器相比较，最好是 Flash 存储器。 芯片的封装形式。如 DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC 有对应插座）封 装及表面贴附等。 芯片的功耗。比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几 mA 的电流， 选用 AT 单片机就是因为它能满足低功耗的要求。 供货渠道是否畅通、价格是否低廉。 芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。 AT89C51 在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准 8051 单片机完全兼容， 第三章 系统硬件电路设计 11 DIP40 封装系列与 8051 为 Pin-to-Pin 兼容。AT89 系列单片机高速(最高时钟 频率 90MHz)，低功耗，不占用户资源。根据本系统的实际情况，选择 AT89C51 单片机。 与其他的单片机相比，AT89C51 有其独特的特点。首先 AT89C51 是一个低 功耗高性能单片机，有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口。其 次内含 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。 同时 AT89C51 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 Flash 存储器可有效地 降低开发成本。 I/O 端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对 I/O 寄存 器进行编程。具体步骤如下： (1) 根据实际电路的要求，选择要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 伪指令定 义其相应的寄存器； (2) 初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出 现不确定状态，影响外围电路正常工作； (3) 根据外围电路功能，确定 I/O 端口的方向，初始化端口的数据方向 寄存器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为 I/O 的复位缺省 值为输入； (4) 用作输入的 I/O 管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其 内部配置上拉电阻； (5) 最后对 I/O 端口进行输出(写数据输出寄存器)和输入(读端口)编程， 完成对外围电路的相应功能。 第三章 系统硬件电路设计 12 图 3-1 AT89C51 的引脚图 图 3-2 AT89C51 单片机芯片外观图 根据系统设计要求，各接口功能如下： P1.0: 产生输出一个 40KHZ 的脉冲信号。 P1.1: 产生输出一个 40KHZ 的脉冲信号。 P1.2: 产生输出一个 40KHZ 的脉冲信号。 INT0: 产生中断请求，接前方测距电路。 INT1: 产生中断请求，接前方测距电路。 第三章 系统硬件电路设计 13 P1.3: 接 ICA3 输入端，用于中断优先级的判断。 P1.4: 接 ICA3 输入端，用于中断优先级的判断。 P0.0: 用于显示输出，接显示器。 P0.1: 用于显示输出，接显示器。 P0.2: 用于显示输出，接显示器。 P0.3: 用于显示输出，接显示器。 P0.4: 用于显示输出，接显示器。 P0.5: 用于显示输出，接显示器。 P0.6: 用于显示输出，接显示器。 P0.7: 用于显示输出，接显示器。 P2.7: 接报警电路。 P2.0: 接报警电路。 P2.1: 接报警电路。 XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入 端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，引脚应接地。 XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端 和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的 输入。 RST：AT89C51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片要复位时， 只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知 状态。 第三章 系统硬件电路设计 14 3.2 超声波测距发射电路方案选择与设计 3.2.1 发射电路方案选择与论证 方案一：利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生 40kHz 的超声波信 号，并直接驱动发生器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏 灵活性。 方案二：利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动 器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好， 但需要设计一个驱动电流为 100mA 以上的驱动电路。 综合上述情况，本次设计采用方案一。 3.2.2 发射电路方案的设计 发射电路主要由反向器 74ls04 和超声波发生器 T 构成，单片机 P2.5 端口 输出的 40kHz 的方波信号一路经一级反向器后送到超声波发生器的一个电极， 另一路经两级反向器送到超声波的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加 到超声波发生器两端，可以提高超声波的发射强度。电路设计如图 3-3 所示。 1A 1 1Y 2 2A 3 2Y 4 3A 5 3Y 6 GND 7 4Y 8 4A 9 5Y 10 5A 11 6Y 12 6A 13 VCC 14 U4B 74LS04 1K R2 1K R1 T1 VCC INTD 12 RESET 9 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 INTO 13 INTD 12 T0 14 T1 15 EAVPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 WR 16 RD 17 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P17 8 P00 39 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALEP 30 RXD 10 TXD 11 U5 AT89C51 VCC VCC 图 3-3 超声波发射器的设计 第三章 系统硬件电路设计 15 3.2.3 反相器 74LS04 简介 反向器 74LS04 是 6 非门，其工作电压为 5V，他的内部含有 6 个 CMOS 反 相器，74LS04 的作用就是反相把 1 变成 0。 下表 3-1 是其工作范围的分布情况，图 3-4 为引脚图介绍。 表 3-1 执行工作的极限值 符号参量最小值最大值单位 VCC 电源电压4.755.25V TA 工作温度范围075 C IOH 最大输出电流8 mA IOL 最小输出电流-0.4mA 图 3-4 74LS04 引脚图 3.3 超声波测距接收电路方案的选择与设计 3.3.1 接收电路方案的选择与论证 超声波测距系统接收电路包括超声波接收探头,信号放大电路及波形变换 电路三部分。超声波接受探头必须采用与发射探头对应的型号(主要是频率要 求一致，否则会因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收)。由于经接 收探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦信号不 能直接被处理器接收，因此最后必须进行波形变换。常用的波形变换的方法有 三种 ： 方案一：采用集成锁相环 NE567 对放大后的信号进行频率监视和控制。探 第三章 系统硬件电路设计 16 头接到回波，如果接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由 值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入 锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监 控。这种方法的特点是电路简单，但锁相环接收的频带较窄，不易锁相。 方案二：采用红外线检波接收的专用集成芯片 CX20106A，它常用于电视机 红外遥控接收器，由于红外遥控常用的 38kHz 载波与测距用的 40kHz 超声波接 近，当它没有接收到信号时输出为高电平，当它接收相近频率的信号时输出为 低电平。因此它可以用来作为超声波检测接收电路。这种方法的特点是不仅灵 敏度很高，抗干扰能力很强，而且还不需要放大电路，可使系统电路更为简洁。 方案三：采用集成运放芯片（LM324）作为比较器对放大后的信号进行波 形变换。当输入信号的电压大于基准电压时，输出为“1”；当输入信号的电 压小于基准电压时，输出为“0”；这样就起到对输入信号进行变换的目的。 这种方法的特点是电路简单，但选择比较电压非常关键。 综合考虑各种方案的特点，所以用方案二。 3.3.2 接收电路的设计 超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计 采用 TCT4016T/R，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。 由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波 信号不能直接被单片机接收，必须进行波形变换。按照上面所讨论的，单片机 需要的只是第一个回波的时刻。接收电路的设计采用 CX20106A，这是一款红外 线检波接收的专用芯片。考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距超声波 频率 40KHz 较为接近，可以利用它作为超声波发射电路。 下面对红外遥控接收器集成电路 CX20106A 做一个简要的介绍。 CX20106A 是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，采用单列 8 脚 直插式，超小型封装。CX20106A 的基本性能如下：(1）电源电压典型值 5V， 最大 17V。(2）电源电流 1.12.5mA(典型值为 1.8mA)。(3）输出低电平 第三章 系统硬件电路设计 17 0.2V。(4）电压增益 7779dB。(5）输入阻抗为 27k。(6）滤波器中心频率 f0 为 3060kHz。其内部结构如下图 3-5 所示，各引脚功能如下表 3-2 所示。 检波器及 前置放大 限幅放大 宽频带滤波器 比较器 整形 滞后比较器 + IN C1 C2 GND fo C3 OUT Vcc 18374652 ABLG 红外信号 输入端 增益 调节端 检测端地带通滤 波器调 整端 积分端信号 输出端 电源端 图 3-5 CX20106A 内部结构图 表 3-2 CX20106A 引脚功能 引脚名称功能 1IN 信号输入端 2C1 RC 网络连接端，该端与地串接一 RC 网络，以确定前置放大器的频 率特性与增益。R 阻值大，C 容量小，增益低；反之则高但 C 不宜 过大，否则瞬态响应速度会降低。 3C2 检波电容连接端，该端与地接检波电容，电容量大，则为平均值 检波，瞬态响应灵敏度低；电容值小，则为峰值检波，瞬态响应 灵敏度高，但检波输出的脉宽变动大。 第三章 系统硬件电路设计 18 4GND 接地端 5f0 带通滤波器中心频率设置端，通过该脚与电源正端接一电阻 R 来 确定 f0，当 R=200 千欧时，中心频率 f0=40KHZ；当 R=220 千欧时， 中心频率 f0=38KHZ。 6C3 积分电容连接端，该脚所接积分电容标准值为 330PF，当电容值增 大时，则外部滤波干扰增强，而且输出脉冲的低电平持续时间增 加。 7OUT 信号输出端，该端口为集电极开路输出，当该脚与电源正端接一 22 千欧的电阻时，输出脉冲低电平的标准值约为 0.2V 8VDD 电源正端，接+5V CX20106A 的内部主要包括前置放大器，限幅放大，带通滤波，峰值检波， 积分滤波及波形整形电路等。基本原理如下：接收换能器把超声波回波转换为 相应频率的数字编码脉冲调幅波，并由 1 脚进入集成放大器的正相输入端。2 脚是放大器的反相输入端，外接 RC 负反馈网络，可以决定和调节放大器的频 率特性和电压增益，当电阻值小或者电容值大时，电压增益高，通频带窄；反 之，电压增益低，通频带宽。在放大器输入端设置有 ABLC 电路（即自动偏压 电路或者自动电平控制电路，它可使放大及限幅电路输出电平稳定的编码信号） ，可自动调整放大器的偏置电压，使放大器的输出电平稳定。然后，信号进入 限幅放大器，可以滤除杂乱的寄生调幅和其他干扰，输出包络脉冲顶部平直的 编码脉冲调幅波。信号再进入带通滤波器，滤除频率范围 30-50KHZ 以外的干 扰信号。5 脚外接电阻。调节其阻值可调节带通滤波器的中心频率值。然后信 号进入峰值检波器，对编码脉冲的调幅波进行振幅检波，解调出数字编码脉冲 信号，3 脚外接电容是峰值检波器的滤波电容。检波出的信号再送到整形电路 中进行波形转换与整形，最后由 7 脚输出数字编码脉冲信号，送至 CPU 去识别， 处理。6 脚外接积分电容，可以滤除已调波的载波频率分量。而由检波器输出 的数据编码信号，CPU 不能识别，故在检波器后设置由积分电路和磁滞回线型 第三章 系统硬件电路设计 19 比较器组成的整形电路，整形电路是一种波形变换电路，它可将检波器输出的 宽度编码脉冲整形变换为 CPU 所能识别的数字信号。而实用的波形整形电路是 积分电路和施密特比较器组成的电路。接收电路如图 3-6 所示， TX3 传传传 T2 传传传传传传传传 1K R3 1K R4 5100pF C5 1 2 3 4 5 6 7 8 CX2016A 100pF C8 1K R5 VCC 1+ TX4 传传传 TX1 传传传 TX2 传传传 TX5 传传传 1 100pF C6 100pF C7 图 3-6 超声波接收电路图 3.4 显示模块方案的选择与设计 3.4.1 显示模块方案选择与论证 方案一：采用 LCD 液晶显器，液晶显示器的显示功能强大，可显示大量文 字、图形、显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此 设计中不采用 LED 数码管。 方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极 管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相 对较高，所以也不用此种作为显示。 方案三：采用 LED 数码管动态扫描，LED 数码管价格适中，对于显示数字 最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。 所以采用了 LED 数码管作为显示。 第三章 系统硬件电路设计 20 3.4.2 显示模块的设计 显示模块的设计可采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率， 减小测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波所需的 40KHz 方波信号，利用 外中断 0 口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的共 阳 LED 数码管，位码用 PNP 三极管驱动。本设计的显示电路原理图如下图 3-7 所示。 图 3-7 显示电路的设计 3.4.3 LED 数码管简介 LED 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的，加上小数点就是 8 个。这些段分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。当数码管特定的段加上电 压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个 “2”字，那么应当是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮。LED 数码 管有一般亮和超亮等不同之分，也有 0.5 寸、1 寸等不同的尺寸。小尺寸数码 管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光 二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为 1.8V 左右，电流不超 第三章 系统硬件电路设计 21 过 30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发 光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。 常用 LED 数码管显示的数字和字符是 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。LED 结构图如图 3-8 所示。 3-8 LED 结构图 3.5 报警模块的设计 随着科技的发展和产品的集成化，语音芯片已经逐渐替代了多种语音设 备应用各场合。语音芯片主要特性是功耗低，抗干扰能力强，外围器件少， 控制简单，语音保存时间久（某些语音芯片可以保存内容100 年） ，掉电 不丢失语音，部分芯片还可以重复擦写语音内容。如汽车倒车雷达，公交车 报站器，银行排队机、语音玩具、防盗系统等设备都装备了语音芯片。 语音芯片从使用功能上，基本可以划分为录音语音芯片和放音语音芯片。 通常带有录音功能的语音芯片都具有回放语音的功能，所以我们选用 ISD1110 芯片，如图 3-9 所示。 第三章 系统硬件电路设计 22 图 3-9 ISD1110 结构图 图 3-10 ISD1110 引脚图 它是有 28 条引脚的双列直插式芯片。各条引脚的功能含义说明如下. A0-A7:引脚 1-6,9,10，地址输入端或控制命令输入端。 A7,A6 同时为高电平时,A4-A0 为控制命令；否则,A7-A0 为地址。 DGND：引脚 12，数字信号地线。 AGND：引脚 13，模拟信号地线。 SP-，SP+：扬声器连接端，输出音频信号。 V+：模拟信号电源，+5V。 MIC：引脚 17，话筒输入端。 MIC REF：引脚 18，话筒参考输入端。 AGC：引脚 19，自动增益控制端。 ANA IN：引脚 20，模拟信号输入端。 ANA OUT：引脚 21，模拟信号输出端。 PLAYL：引脚 23，放音控制电平触发端。当该端为低电平时，芯片进入放 音周期；当该端为高电平时，停止放音。 第三章 系统硬件电路设计 23 PLAYE：引脚 24，放音控制脉冲触发端。该输入端由高变低时放音。 RECLED：引脚 25，录音显示端。 XCLK：引脚 26，时钟端。 REC：录音端，引脚 27。低电平为录音状态。 VDD：引脚 28，V+ 声音报警是测距系统探测到的距离小于所设定的安全值（此次设计是4米） 时，发出声音提醒用户，可直接驱动蜂鸣器发声或经外接功放推动扬声器放音。 电路图如图3-11所示。 470 R8 D1 VCC 51K R9 LS2 Bell Q1 PNP VCC INTD 12 RESET 9 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 INTO 13 INTD 12 T0 14 T1 15 EAVPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 WR 16 RD 17 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P17 8 P00 39 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALEP 30 RXD 10 TXD 11 AT89C51 图 3-11 报警模块 3.6 时钟电路的设计 时钟电路引脚是 X1 和 X2，如图 3-11 所示。为了产生时钟信号，在 AT89C51 内部设置了一个反相放大器，XTAL1 是片内振荡器反相放大器的输入 端，XTAL2 是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。 当使用自激振荡方式时，XTAL1 和 XTAL2 外接石英晶振，使内部振荡器按照石 英晶振的频率振荡，就产生时钟信号，本系统使用的石英晶振频率为 12MHZ。 产生时钟信号电路如图 3-11。 第三章 系统硬件电路设计 24 图 3-11 时钟电路 3.7 复位电路的设计 复位功能的引脚是 RST9 脚，在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振 荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高 电平，51 芯片便循环复位。复位后 P3 口均置 1 引脚表现为高电平，程序计数 器全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，复位电路停止工作。如图 3- 12。 图3-12 复位电路 INTD 12 RESET 9 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 INTO 13 INTD 12 T0 14 T1 15 EAVPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 WR 16 RD 17 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P17 8 P00 39 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALEP 30 RXD 10 TXD 11 AT89C51 30pF C2 30pF C1 12 Y1 XTAL VCC 第四章 软件系统的设计 25 第四章 软件系统的设计 超声波测距系统的设计包括硬件设计和软件设计。硬件电路的设计包含 着软件的设计思路，软件的设计又能更好的发挥硬件的功能。软件对整个系统 来说是至关重要的，如果说硬件是一个系统的躯体，那么软件就是这个系统的 灵魂，整个系统的执行操作都是在软件的协调指挥下进行的。当系统的硬件电 路确定之后，系统的主要功能还要靠软件来实现，软件的设计在很大程度上就 决定了产品的性能。 4.1 软件设计分析 系统软件的设计，它所需要完成的主要是针对系统功能的实现及数据的处 理和应用。根据以上所述系统硬件设计和各个电路功能，系统软件需要实现以 下功能： 1、信号控制。在系统硬件中，已经完成了发射电路、回波检测接收电路 的设计。在系统软件中，要完成发射脉冲信号及输出显示。 2、数据存储。为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻计 数器的计数值，然后存储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器 清零，以备后续处理。 3、信号处理。RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出，超声 波从发射出去碰到障碍物返回接收传感器的时间，需要通过软件定时器来记录。 根据这个时间才能计算出障碍物的距离。 4、数据传输与显示。经软件处理得到的距离要以十进制的方式送LED显示。 4.2 系统软件设计 超声波测距软件设计主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断 程序，显示子程序以及报警程序组成。C 语言程序有利于实现较复杂的算法， 汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确据算程序运行的时间，而超声波 测距器的程序既有较复杂的计算(计算距离时)，又要求精确计算程序运行时间 第四章 软件系统的设计 26 (超声波测距时)，所以控制程序可采用 C 语言和汇编语言混合编写。 4.2.1 主程序 主程序采用 C 语言编写。主程序流程图如图 4-1 所示。主程序首先对系统 环境初始化，设置定时器 T0 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一个超 声波脉冲。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 T0 中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即 可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取 20C 时的声速为 34