单片机超声波测距系统设计 毕业设计.docx

编号：（ ）字 号本科生毕业设计单片机超声波测距系统设计 题目： 姓名： 学号： 班级： 二一四年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 设计题目： 单片机超声波测距系统设计 专 题： 指导教师： 职 称： 二一四年 六月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院信电学院专业年级 电气工程与自动化2010级 学生姓名 任务下达日期： 2013年12月30日毕业设计日期： 2013年12月30日至2014年6月10日毕业设计题目：单片机超声波测距系统设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1.熟悉at89c52单片机基本原理、软件设计方法及相关理论知识；2.设计超声波测距系统，测量距离50-400cm，精度1cm；3.在实现测距的基础上可以实现报警功能；4. 进行单片机、传感器以及led的硬件电路设计和软件编程；5.在完成软件功能实现和硬件调试的基础上，完成毕业设计论文。院长签字： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘要超声波具有指向性强，能量损失缓慢，传播距离远的特点，因此超声波经常用于测量距离。测距仪和物位测量仪等都是利用超声波测距实现的。超声波测距技术，能应用于汽车倒车、建筑工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。超声波测距技术迅速、方便、计算简单、可做到实时测量，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。所以在移动机器人的研制上也得以广泛的应用。该超声波测距仪用at89s52单片机为控制核心，采用74hc04反相器和cx20106芯片搭接电路实现了超声波的发射与接收。测量范围50-400cm，精度为1cm，与被测物体无直接接触测量，可以清晰稳定地显示测量的结果。此设计易于调试，成本低廉，具有很强的实用价值。关键词：超声波，单片机，测距仪abstractbecause of the strong point of ultrasonic energy consumption, slow, medium of communication in the longer distance, which are often used for ultrasonic distance measurement. ultrasonic ranging, can be applied to car parking, construction sites and some industrial site location monitoring, and can also be used for liquid level, depth, pipe length measurement occasions. use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient, simple, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry.thisdistance measuring system design using at89s52 scm as the control core of the range finder, 74hc04inverter and cx20106lap circuit to realize the ultrasonic transmitter and receiver. ultrasonic distance measurement instrument for measurement in the range of 50-400cm, precision 1cm, with the measurement of the measured object without direct contact, can clearly demonstrate the stability of the measurement results. in the mobile robot has been developed on a wide range of applications. this design easy debugging, low cost, has the very strong practical value.key words: ultrasonic, single chip microcomputer, range finder.目 录1绪论11.1选题背景及其意义11.2 国内外超声波测距技术的研究现状和发展趋势12超声波测距原理及影响测距因素分析42.1超声波测距基本理论42.1.1声波类型42.1.2超声波换能器42.2超声波测距原理和方法52.2.1相位检测法52.2.2渡越时间检测法52.3影响测距精度因素分析52.3.1超声波在介质中传播速度变化因素62.3.2回波不稳定因素62.3.3单片机本身因素63超声波测距系统硬件设计73.1换能器选择73.2超声波发射电路选择73.2.1hc-sr04模块73.2.2 rc振荡型超声波发射电路83.2.3晶振型超声波发射电路93.2.4发射电路方案比较及确定123.3超声波接收电路选择123.3.1 运放+集成比较器接收电路123.3.2 cx20106a接收电路123.3.3 电平比较电路133.3.4 ta8141s接收电路143.3.4接收电路方案确定153.4控制电路153.5电源与开关接口电路163.6显示电路163.7报警电路173.8单片机的外围晶振电路设计174软件设计194.1超声波测距仪实现基本功能194.2程序编写204.2.1程序初始化204.2.2 40khz超声波发射程序204.2.3 防止超声波干扰程序214.2.4 测距程序214.2.5报警程序214.2.6显示程序224.3关于程序的几个问题224.3.1 开始延时问题224.3.2关于keyscan()问题224.3.3程序设计总体思路225总设计方案确定及硬件调试235.1总方案确定235.2硬件调试问题235.3材料清单245.4实际测量256总结与展望27参考文献28附录30外文文献30中文译文41致谢46 中国矿业大学2014届本科生毕业设计 第48页1 绪论1.1选题背景及其意义超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都要使用的通用技术。超声波技术广泛应用于冶金、机械、船舶、医疗等工业部门超声波清洗、超声波金属探伤、超声波检测、超声波焊接和超声波医疗等方面，并取得了很好的经济效益和社会效益。因此，我国对超声波技术及其传感器的研究十分重视1。超声波测距技术是对超声波的一种常见的应用。日常生活中，我们经常要对距离进行测量，而采用的方法一般为米尺测量。但是在一些特殊情况下，我们无法进行传统意义上的测量，这时候，我们就需要一些特殊方法。比如：超声波测距、激光测距、ccd探测和雷达测距等2。在这些方法中，ccd探测具有无需信号发射源、使用方便、同时获得大量场景信息等特点，但视觉测距需额外的计算开销3。“雷达测距具有全天候工作，适合在恶劣环境中进行短距离、高精度测量的优点”4，但易受电磁波的干扰。激光测距具有高亮度、高方向性、测量速度快的优势，尤其是对雨雾具有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但成本高、数据处理复杂5。与这些方法相比，超声波测距具有可直接测量近距离物体为位置，适用范围广，分辨能力强，方向性强，结构简单，成本低的优点。同时由于声波抗干扰能力强，因而该测距方法不受光线、烟雾、电磁场的影响，并且覆盖面也比较大。因而目前超声波测距叫技术已广泛应用于倒车雷达、机器人小车定位与避障、建筑工程测量、物位测量等领域。当然，超声波测距也有很多局限性：超声波难于精确捕捉、温度对声速影响较大、超声波测量有盲区等问题都有待解决；这对于超声波测距技术的发展具有重要意义。1.2 国内外超声波测距技术的研究现状和发展趋势19世纪末20世纪初，物理学上发现了压电效应以及逆压电效应。人们也因此能利用电子技术产生超声波，由此超声波技术开始迅猛发展。hua hong，wang yongtian等人曾研制出一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波，通过接受和发射信号之间的相位差与两传感器之间的正比关系，用相位法测量传感器间动态距离。文中给出了设计原理，硬件设计，实验结果。结果表明在15米内精度可达1毫米7。李建法等人在超声波测距的电路设计与单片机编程中设计了一款简易超声波测距仪，他利用555芯片发出40khz超声波，fps-4091红外接收组件和超声波探头接收波，制作简单，成本低，可满足一般要求。华南理工大学硕士牟海荣在超声波测距仪的设计中给出了一种超声波测距仪的设计，该测距仪采用555电路，两级放大和电平比较的方法解决了超声波发射接收的问题。虽然实现了测距功能，但是测量距离只有30cm-120cm17，无法进行推广。牛余朋在基于单片机的高精度超声波测距电路中设计了一种更加实用超声波测距仪，当然该仪器电路更加的复杂。他采用单片机作为频率控制电路，门控电路控制超声波发射和接收，用高频管9018和三极管对信号放大构成发射电路19，用两级同向交流放大器作为接收电路，用集成运放741作为信号筛选电路后面再加入整形电路，距离显示电路等。期间也考虑了温度补偿等因素。该仪器测量距离有了极大的提高，可达15米，而且精度也有1cm，可以作为一种有效的非接触式测距仪进行推广。虽然这些仅仅是一部分人对超声波测距仪的设计，但是由此可见超声波技术是一项重要的技术，许多人对此进行研究，尝试提高测距范围，最终使得超声波测距范围达到可在实际生活中应用多得程度，成为人们生活中不可分开的一部分。同样还有一些人对于超声波测距精度也有所研究，也作出了不可磨灭的贡献。卜英勇等人在一种高精度超声波测距仪测量精度的研究中利用小波分析理论提出回波信号的包络峰值检测方法9，该方法利用回波信号包络峰值时刻和回波前沿达到时刻差值不变的原理消除了由于检测回拨时间点变化引起的误差。通过实测表明在有效测量范围2m内，改善前测量盲区200mm9改善后系统的测量盲区为100mm，同时误差也极大的缩小了。水利水电科学研究所的马志敏等人在超声检测中弱信号的提取方法针对超声界位检测中回波信号弱、信噪比低的问题给出了窄带滤波、同步迭加、相关分析10等方法。这些方法有效的滤除了来自外界的噪声干扰，使得超声波测距仪抗干扰性极大地增强，有利于超声波技术得传播与推广。西交大卢文科等人在超声波式数字测距仪的研究18中专门对超声波换能器进行了研究。他们给出了一些对超声波测距产生影响的因素：发射探头给出波直接对超声波接收探头产生干扰；外界环境对探头接收探头的干扰；温度对声速的影响。而解决的方法分别是：加入门限电路滤波，用选频放大电路使外界干扰衰减或者滤除；用温度传感器对声速进行补偿。经过试验可以叫完满的解决这些问题。孙牵宇等人在一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法中针对移动机器人定位及导航系统研究了超声波测距技术，分析了造成超声波测距精度误差的因素。他们认为声波在空气介质中声速的变化及散射,衰减的随机不均匀性,引起接收信号在幅度和时间轴上的起伏20是除了正常因素以外影响精度的主要因素。并且过去给出的一些解决方案并不能在波形畸变的情况下解决问题。因此他们根据超声测距系统中引入了角度偏向误差修正技术,利用接收波形的特征宽度来对波形前沿进行校正,使门限检测飞行时间tof 的精度提高20。同时根据该技术设计了了基于单片机的大角度超声波高精度测量系统，并相应地进行了实验。结果表明该矫正方法可以有效地解决畸变波形产生精度误差问题，并且比一般方法简单实用。常静等人在减少超声波测距仪盲区的研究21中研究了产生盲区的原因，设计了一种减少超声波测距盲区的电路。在超声波测距过程中，由于rc振荡电路在工作结束后会有一个振荡衰减的过程，因此产生了一个“拖尾”，这很难与回波信号区分。这在测量远距离时影响不大，但测近距离时会有所混淆，盲区也因而产生了。他们对此给出了一个电路：在换能器（超声波探头）并联一较大的电阻和晶闸管的串联电路以增加回路衰减系数。经验证 效果极佳。figneroaj.f.等人在a method for accurate detection of time of arrival:analysis and design of ultrasonic ranging system22一文中，提出一种新的计时方法，该方法根据回波时延由相位时延和峰值时延相加得到，分别用不同的检测方法得到相位时延和峰值时延，相加后即可得回波传播的时间。通过以上的举例我们可以看出超声波测距技术在不断地发展，无论是测量范围还是测量精度。国内外对于超声波技术都十分重视，不仅仅是因为他可以无接触地测距，而是这门技术应用十分广泛，有着其他技术无法替代的优势：抗干扰强，成本低，结构简单，易于实现，可替代人在很恶劣的环境下测距。因此我相信超声波测距技术的未来必定会是广阔的。2 超声波测距原理及影响测距因素分析2.1超声波测距基本理论声波是介质中的微质点受声源机械振动影响而发生得以自身平衡位置为中心的往返运动。超声波是声波的一种，通常是指频率大于20khz的声波，其频率高，波长短。因此，具有良好的方向性和束射性。2.1.1声波类型（1）纵波质点振动的方向与波传播方向相一致的波，可以在固体，液体，气体中传播。超声波是一种纵波。（2）横波质点振动的方向与传播方向相垂直的波，只可在固体中传播。（3）表面波 质点的振动介于横波与纵波之间，且沿介质表面传播，其振幅随着深度增加而迅速衰减的波，表面波只是在固体表面传播。2.1.2超声波换能器 超声波换能器主要由压电晶片、吸收块、保护膜、引线等组成如图2.1。压电晶片多为圆形板块，厚度。超声波频率f与厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是为了降低晶片的机械品质，吸收声能量。假如没有阻尼块，当激励电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使得分辨率变差1。图2.1超声波换能器结构超声波传感器的主要材料有压电晶体和镍铁铝合金两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，可同时接收或发射超声波。现在仅介绍小型传感器，它适用于空气中传播，工作频率为23-25khz和40-45khz。这类传感器有测距、遥控、防盗等用途，具体有t/r-40-16，t/r-40-12等。另一种是密封式传感器，其主要特点是防水1。超社工办探头由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源组成。发送传感器由发送器与直径15mm的左右陶瓷振子换能器组成，其作用为将陶瓷振子点振动能量转换为声能量向空气中辐射。接收传感器由陶瓷振子与放大电路组成，其作用是接收发射波1。 2.2超声波测距原理和方法利用超声波测距实际上就是利用超声波的发射和接收产生时间差，再测量声波速度，最终计算得出距离。由于声波指向性强，能量消耗较缓慢，在介质中传播距离远，因此常用于测距，例如液位检测仪，物体厚度检测仪，超声波测距仪等等。而测量的方法也多种多样。2.2.1相位检测法 其原理为先向目标发射一连串经过调制连续的超声波，然后声波到达目标被反射。通过测量与接收波之间的相位差，计算出距离。这种方法检测精度较高，但是检测范围窄。因此本次设计不采用该方法11。2.2.2渡越时间检测法13-16其原理由单片机发射和接受超声波信号，再经过单片机计算输出显示被测距离，即超声波发生器t在某一时刻发出一段超声波信号，当超声波遇到（被测物体）后返回被r接受。该方法原理简单，软硬件都易于实现，测量范围大，成本低。所以本次设计采用该方法。其原理图如图2.2：rtt2t1图2.2原理图通过计算从发射超声波到接收超声波所用的时间利用公式便可计算出所要测量的距离。距离计算公式为：其中：d为被测物与测距器的距离 s为声速的来回路程 c为声速 t为声波来回所用的时间2.3影响测距精度因素分析在对渡越时间检测法的分析后，我们很容易找到影响测距精度的因素。具体如下：2.3.1超声波在介质中传播速度变化因素声速即为声音在超声波中传播速度，符号为c。超声波传播速度与介质密度弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切力所以仅有纵波的传播其公式为： 为介质密度bn为绝对压缩系数由于上述参数大都与温度有关，因此，超声波在介质中传播速度主要由温度决定。表2.1给出在不同温度下超声波传播速度:表2.1声速与温度关系表温度（）-100102030100声速（m/s）325323338344349386空气中声波近似传播速度可表示为：其中t为环境温度，。 则使得声速成为测距过程中的一个重要的误差因素，因此在设计时应予以考虑。2.3.2回波不稳定因素超声波正在空气中传播会因为空气气流变化，传感器接收特性不好，反射物体表面粗糙等问题使得接收信号不是一个规则的信号，这使得对触发阈值的设置成为难点，造成误差。2.3.3单片机本身因素（1）启动接收及时之间误差单片机一次只能处理一件事，因而启动发射和启动接收之间必然存在一个时差，这可以用软件弥补，或是忽略不计（当指令执行够快时）。（2）收到中断至中断响应停止计时之间误差这一误差是应为单片机的中端规律。在收到信号后，单片机不可能立刻响应，必须执行完当前指令，有时还会遇到其他中断服务。因此，滞后时间无法确定，导致测量结果误差。当然这可以通过提高单片机性能，用高优先级中断解决。（3）计时器误差 单片机计时功能是靠晶体振荡器实现，其稳定性和准确度是20-50ppm,想对声速而言，其带来误差是mm级。为了减小这一误差，晶振选择成为关键。3 超声波测距系统硬件设计超声波测距系统主要由超声波发射电路、接收电路，控制电路构成。为了考虑实际应用的成分，加入了报警电路。在设计电路时，有两种设计方法：一、直接采用超声波测距模块，这种方法优点在于直接，简单，可以较精确地测量距离。二、自己设计超声波发射接收电路，这种方法优点在于：可以自己控制测量的范围，精度，能按照自己的意愿实现测距标准，成本低。最终，在尝试了两种该方案后，我发现超声波测距模块只可测量3cm-250cm，而自己设计电路可以测50cm-550cm，二者精度相差不大，因此我选用方法二。下面是对各部分方案的讨论：3.1换能器选择在第二章中已给出换能器介绍，并确定选用t/r40-16，因此下面给出其参数：（1）适用范围家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；超声测距及汽车倒车防撞装置；液面探测；超声波近接开关 及其它应用的超声波发射与接收。（2）产品性能 1).标称频率（khz）：40khz 2).发射声压at10v（0db=0.02mpa）：117db 3).接收灵敏度at40khz (0db=v/ubar)：-65db 4).静电容量at1khz,1v (pf)：200030% 5).探测距离（m）：0.220 6).16db指向角：80。3.2超声波发射电路选择超声波发射电路的设计方法种类繁多，在选择时主要从发射超声波频率稳定性、器件体积、器件成本、硬件实现难易程度等方面选择合适的方案。3.2.1hc-sr04模块图3.1hc-sr04模块如图3.1此为hc-sr04模块，该模块具有收发一体功能，经实测可测量3cm-250cm，抗干扰回波能力强，价格18元。3.2.2 rc振荡型超声波发射电路方案一555他激振荡电路图3.2 555他激振荡电路图如图3.2，通过lm555时基电路和一些外围元件构成的40khz多谐振荡器电路，改变滑动变阻器rp阻值，可以改变振荡频率。从lm555第3脚输出端驱动超声波传感器t40-16，使其发射出超声波信号。电路简易，其工作电压9v，工作电流4050ma。发射超声波信号大于8m。lm555可用ne555直接替代，效果一样。该电路的特点是起振容易，但频率稳定性较差，555芯片的温度系数随工作频率的提高而变坏，10khz以下时为510-5 /，40khz时为210-4 /，温度变化10，频率变化约100hz。方案二晶体管反馈稳频振荡电路图3.3 晶体管反馈稳频振荡电路图如图3.3，电路中晶体管vt1、vt2组成强反馈稳频振荡器，振荡器频率和超声波换能器t40-16的共振频率相同。t40-16既是反馈耦合元件，又是电路的输出换能器。t40-16两端的振荡波形近似于占空比为50%的方波，电压振幅接近电源电压。当单片机发出驱动信号，就可以驱动t40-16发射出一连串40khz的超声波信号。该电路的工作电压9v，工作电流约25ma，发射超声波信号一般可传达到8m远。电路不需调试即可工作。方案三 六反向器振荡电路（采用cd4069或者74ls04）图3.4 六反向器振荡电路如图3.4，由u1au3a三门振荡器在u3a的输出为40khz方波，工作频率主要由c1、r1和rp决定，用rp可调电阻来调节频率。u3a的输出激励换能器t40-16的一端和反向器u4a，u4a输出激励换能器t40-16的另一端，因此，加入u4a使激励电压提高了一倍。电容c3、c2平衡u3a和u4a的输出，使波形稳定。电路中反向器u1au4a用cd4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。工作电压为9v。测量u3a输出频率应为40khz2khz，否则应调节rp。此电路发射超声波信号距离一般达到8m。3.2.3晶振型超声波发射电路晶振就是利用一种可以把电能和机械能相互转化的晶体，使其在共振的状态下工作，从而提供稳定的，精确的单频振荡。在一般工作条件下，常见的晶振的频率绝对精度可控制在百万分之五十，更高级的精度更高。一些晶振还可以通过外加电压在一定范围内改变频率，称为压控振荡器（vco）。在单片机系统里，晶振的地位非常重要，它可以结合单片机内部的电路，发出单片机必要的时钟频率，所有单片机的指令执行都是以此为基础的，晶振给的时钟频率越高，单片机的运行速度则越快。我们通过单片机晶振产生精确时钟信号，通过分频程序产生高稳定的40khz超声波发射信号。方案一 利用六反向器（cd4069或者74ls04）构成的门电路图3.5 六反向器超声波发射驱动电路一图3.5由cd4069六反向器中的四门反向器构成的超声波发射驱动电路，其输入信号由单片机内部晶振产生，输出级采用全桥式接法，增加了驱动电流，使发射器具有足够大的发射能量。cmos系列的cd4069功耗小，抗干扰能力强，驱动能力强。图中的cd4069可用74ls04代替，它具有cd4069相同的功能，只是工作电压等参数有所不同，功耗比起cd4069要大些。图3.6 六反向器超声波发射驱动电路二如图3.6，该电路是用门电路组成传感器振荡发射电路。单片机提供其输入信号。超声波发射器被四个成对的cmos缓冲器cd4069驱动。输出级采用全桥式接法，使得发射器有效电压翻倍。在暂停发送期间，电容器c4被用来阻塞输入电流中的直流成分，达到保护超声波发射器的作用。为使发送器能量最大，cd4069用正、负12v电压驱动，同时加在超声波发射器上的电压应为+12v-12v的脉冲信号。为了增加电流驱动能力，每路信号应经过两个并联的非门。非门用cmos产品，主要是应为其功耗小，驱动能力强，抗干扰能力强。本电路原理简单价格相对便宜，接线较为简单。方案二 利用六反向器cd4049图3.7 六反向器超声波发射驱动电路三cd4049六反向器是cd4069的同系列产品。如图3.7传感器的输出驱动电路是由12v电源提供能量同时提供18vpp驱动超声波发射器。18vpp 是由一个二进制非门cd4049(u9)桥电路来实现的。其中一个非门为驱动器的一侧提供180 度的相移信号。另一侧则由相内信号驱动。这种结构可以令输出端的电压提升一倍，从而为发射传感器提供18vpp 电压。两个门并联连接是为了每一侧都能够为传感器提供足够的驱动电流。电容c19、 c20 阻断了到传感器的直流通路。方案三 利用lm386构成的门电路图3.8 lm386超声波驱动发射电路lm386原本是一种音频功率放大器，主要被应用在低电压消费类产品中。为减少外围元件，内置电压增益为20。不同的是在1脚和8脚之间增加了一只电容和外接电阻，这就可将电压增益调节为任意值，直至200。输入端是以地位参考，而输出端则被自动地偏置到只有电源电压的一半，在6v电源电压供电情况下，它的静态功耗只有24mw，这使得lm386特别适用于一些电池供电的场合。3.2.4发射电路方案比较及确定由于rc振荡电路的振荡频率受温度影响较大，导致输出的超声波频率不稳定。晶振的振荡频率不受温度的影响，能够获得稳定的超声波频率。因此，我们选用晶振。而在晶振方案中，lm386放大电路由于功率问题测量距离有限，因此不采用。而cd4049需要驱动电压为12v，与单片机驱动电压差距太大，因此要设计电压放大电路，比较麻烦，故不用。最终我选用74ls04作为放大电路。3.3超声波接收电路选择由于接受的回波不免存在干扰信号，且信号的幅度由于传播过程中的衰减变得比较小，因此，接收电路的设计必须考虑对信号进行滤波、适当的放大，且灵敏度要高，当超声波返回时，接收器反应要灵敏，而且一定要消除超声波发送器的影响。在以上基础上，尽量使电路结构简单，成本低。提出以下几种方案：3.3.1 运放+集成比较器接收电路图3.9 运放+比较器超声波接收电路如图3.9，这是运算放大器lm318和比较器lm311组成的超声波接收电路，因为要接受的波形是40khz的脉冲，它的幅值大约为几十毫伏，故需放大100倍左右，选用增益带宽积在4m以上的放大器，例如ne5532、ad620、lm318等。将运放接成反相放大器，放大倍数为g=(r3+r5)/r2，通过调节变阻器r5的阻值，使得放大倍数为200-400倍，lm318带宽为15m，可以满足放大带宽的要求，从而让放大电路输出符合后面整形电路的要求。比较器lm311是不需要相位补偿的，可以适用于高速工作。比较器输出为0-5v脉冲信号。由于超声波在空气中传输时不可避免的引入干扰，则比较的基准电平是利用电位器调节的电压，通过调节电位器，可调节基准电平，消除干扰。3.3.2 cx20106a接收电路图3.10 cx20106a超声波接收电路集成芯片cx20106a原为红外线检波接收的专用芯片，其检测频率为38khz与测量超声波的频率40khz接近，可以利用它作为超声波检测电路。一些资料表明，在cx20106的1脚输入0.2mv的信号。在5脚则会输出滤波后放大的信号。在实测中，5脚并没有出现一个放大的信号。实际调试时，我们只关心芯片的7脚收到信号后是否产生一个下降沿。在本电路的调试过程中，若一直发射超声波，在7脚将会产生周期性的低电平。而不是像通常认为的那样，即一直发射信号时，7脚一直是低电平。这是刚用cx20106时的一个常见错误。通过单片机计算发射信号到接收信号产生下降沿所用时间，再通过公式，转化为距离，最后在显示器上显示。用cx20106a集成电路对接收换能器收到的信号进行放大、滤波，总的放大增益可达80db。以下是cx20106a的引脚注释：1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与地之间连接rc串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻r1或减小c1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但c1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为r1=4.7，c1=4.7f。3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为4.7f。4脚：接地端。5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用来设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取r=200k时，f042khz，若取r=220k，则中心频率f038khz。6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pf，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为200k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降，输出标准低电平为0.2v。8脚：电源正极，4.55v23。3.3.3 电平比较电路此部分电路主要是针对超声波接收电路输出信号的情况而设计，由于回波信号不可避免的存在很多干扰，而且回波信号的强度，即接收电路输出电压信号的大小，会随着障碍物的远近变化而变化，因此对于我们判断接收到回波信号后产生的低电平造成影响。我们希望通过实验，测出可能获得的接收电路输出电压信号的最大值，以此作为我们判断高低电平的依据，为此我们设计一个专门的比较电路。我们选择采用lm311，其为专用的高灵活性电压比较器。电路如3.11所示：图3.11电平比较电路图调节滑动变阻器r6的阻值大小，来设置比较门限电平的大小，这需要我们通过实验进行调整。3.3.4 ta8141s接收电路图3.12 ta8141s超声波接收电路ta8141s集成电路的性能比cx20106a稍好，可以替换使用，注意ta8141s的1脚为空脚，其29脚与cx20106的18脚对应。在上图中，r5控制带通滤波器的中心频率， r4和c3是控制ta8141s内部放大增益。一般取r4=4，c3=1uf，其余元件按图中所示取值。speaker为超声波接收头，out_int当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断上。一些资料表明，在ta8141s的2脚输入0.2mv的信号，在6脚将会输出滤波后放大的信号。在实测中，6脚并没有一个放大的信号输出。实际调试的时候只关心芯片的8脚在收到信号时是否产生一个下降沿。3.3.4接收电路方案确定由于放大器电路易受到外界环境影响，且需要后续的电平比较电路，焊接易出错，故不采纳。而cx20106a接收电路和ta8141s接收电路可以实现相同的功能。ta8141s要比cx20106a性能优越一些。但是由于其在电子市场上购买比较困难。因此，我们退而求其次，选用集成电路cx20106a。我们备选了电平比较电路，以保证接收电路输出信号的准确性，具体是否必要，需通过实际实验决定。3.4控制电路这里考虑用常规单片机：51系列单片机或者pic系列单片机都可实现汇编语言及c语言编程，产品种类比较多，能够找到性价比较高的单片机型号来满足倒车雷达信号处理及报警需求。通过研究，考虑采用at89s52单片机，用单片机开发板通过计算机com3接口对单片机写入程序。下面是at89s52的主要特性，at89c51只是不支持反复擦写，其它参数完全相同：与mcs-51 兼容4k字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8位内部ram32可编程i/o线两个16位定时器/计数器6个中断源全双工串行uart通道低功耗的闲置和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（wdt）及双数据指针灵活的在线系统编程3.5电源与开关接口电路图3.13 dc电源插口 图3.14 自锁开关 如图3.13，此为dc电源接口电路，其1脚接图3.14的3脚.图3,14实现了电源的通断，使整个系统更为完善。3.6显示电路图3.15 数码管显示电路如图3.15采用4位一体共阳极数码管作为显示电路，a-g为段引脚控制数码管显示数值，1h-4h为位引脚控制各位数码管。我选用p2.4-p2.7控制各位数码管。上拉电阻我选用10k的排阻。使用10k排阻原因为:oc门输出高电平时是一个高阻态，其上拉电流要由上拉电阻来提供，设输入端每端口不大于100ua,设输出口驱动电流约500ua，标准工作电压是5v，输入口的高低电平门限为0.8v(低于此值为低电平)；2v(高电平门限值)。选上拉电阻时：500ua x 8.4k= 4.2即选大于8.4k时输出端能下拉至0.8v以下，此为最小阻值，再小就拉不下来了。如果输出口驱动电流较大，则阻值可减小，保证下拉时能低于0.8v即可。当输出高电平时，忽略管子的漏电流，两输入口需200ua，200ua x15k=3v即上拉电阻压降为3v，输出口可达到2v，此阻值为最大阻值，再大就拉不到2v了。选10k可用。3.7报警电路图3.16报警电路如图3.6，采用蜂鸣器，发光二极管作为报警电路的主要组成部分，当距离小于80cm时，二极管会发光，蜂鸣器会响，实现报警功能。3.8单片机的外围晶振电路设计单片机外围的晶振电路分两种：有源晶振和无源晶振。无源晶振与有源晶振的区别、应用范围及用法如下：1、无源晶振无源晶振需要用单片机片内的振荡器。没有问题的被动晶体电压，信号电平是可变的，也就是说从振荡器电路根据决定，时钟信号可用于各种单片机的不同电压的要求，且价格通常较低，因此对于一般的应用建议，如果条件允许的情况下用无源晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。相对于有源晶振,无源晶振缺陷是信号质量差，通常需要精确地匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），在更换不同频率的无源晶振时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用高精度的石英晶体，尽可能不要采用低精度的陶瓷晶体24。2、有源晶振有源晶振不需要单片机的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的pi型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。通常有源晶振的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。与无源晶振相比，有源晶振的缺陷是信号电平固定，需要合适的输出电平，灵活性较差，而且价格高。对时序要求敏感的地方，使用有源晶振较好，因为我们可以选用精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些单片机内部没有起振电路，只能使用有源晶振，如ti的6000系列。有源晶振相比于无源晶振通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小24。几点注意事项：1、需要倍频的单片机需要配置好锁相环（pll）周边配置电路，主要是隔离和滤波；2、20mhz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，20mhz以上的大多是谐波的（如3次谐波、5次谐波等等），稳定度差，因此强烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的锁相环电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感，其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件24；3、时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，与其它印制线间距尽可能大，紧靠器件布局布线，必要时可以走内层，以及用地线包围；4、通过背板从外部引入时钟信号时有特殊的设计要求，需要详细参考相关的资料。考虑到制作成本以及性能满足情况，无源晶振已经足以满足我们的需求。51单片机最常用的是12mhz的晶振，分析如下：1、12mhz晶振能够准确地划分成时钟频率，与uart(通用异步接收器/发送器)量常见的波特率相关。特别是较高的波特率(19600，19200)，不管多么古怪的值，这些晶振都是准确、常被使用的。2、当定时器1被用作波特率发生器时，波特率工作于方式1和方式3是由定时器1的溢出率和smod的值(pcon.7双倍速波特率)决定：方式1、3波特率= 2smod/32(定时器1的溢出率)特殊时，定时器被设在自动重装模式(模式2，tmod的高四位为0100b)，其为：方式2波特率=2smod/64()更换一种计算方式，它将以修改公式达到我们需求的波特率来计算出晶振。最小晶振频率=波特率3842smod这就是我们所需波特率的最小晶振频率，此频率能成倍增加达到我们需求的时钟频率。例如：波特率为19.2khz的最小晶振频率：3.6864=192003842(波特率为19.2khz的smod为1 )11.0592=3.68643其中th1是由被乘数3确定：th1=256-3=253=0fdh用来确定定时器的重装值，公式也可改为被乘数的因子：晶振频率=波特率(256-th1)3842smod这是波特率为19.24khz的晶振频率。以上的例子可知，被乘数(3)是用来确定th1：th1=256-3=253=0fdh19.2khz波特率的晶振为：11.0592=19200(256-0fdh)3842(19.2khz的smod为1)其它值也会得出好的结果，但是11.0592mhz是较高的晶振频率，也允许高波特率。晶振电路匹配的电容典型值根据实际情况选择，通常取3010pf。51单片机外围晶振电路和自动复位电路如图3.7所示：图3.17 外围晶振及复位电路4 软件设计根据超声波测距仪要实现的功能，我确定了程序的框架，具体内容如下：4.1超声波测距仪实现基本功能用40khz方波实现对物体距离测量，显示障碍物距离。当距离小于一定量时报警，二极管发光。报警采用蜂鸣器实现。程序实现具体功能：（1） 单片机内部分频发出40khz的超声波，通过p1.0口发出。（2） 在发出8个周期的超声波后，定时器t0开始计时，延时打开接收端口（外部中断int0，p3.2口），避免接收器接收刚发射的超声波，产生误报警。（3） 接收到回波后，关闭计时，不再接收回波，计算往返时间。（4） 在算出距离后比较是否到达报警距离，是则报警，不是则显示距离。根据以上分析可以画出程序流程图如图4.1：图4.1程序流程图4.2程序编写这是第一次编写程序，因此许多部分参考了别人的程序，具体模块如下：4.2.1程序初始化根据我们的需要，程序的初始化主要包括：调用库声明、函数声明、变量声明还有定时器初始化、中断初始化等。特别是注意定时器在每次使用前都要重新装入初值，基本操作过程是：关定时器、读定时器值，重装定时器；变量类型基本上使用unsigned int（最大65535）和unsigned char（最大255）型即可满足变量需求。4.2.2 40khz超声波发射程序由于超声波发射器的中心频率是40khz，且必须保证驱动信号频率在3842khz范围内，它才能很好的工作。所以必须产生频率满足要求、且稳定的超声波信号。如何利用超声波产生一定频率的方波信号，有很多种方法，主要是利用定时器或者延时函数。（1）延时函数法：即用延时函数实现，由于40khz频率较高，周期很短，所以采用“空指令_nop_()”实现比较简单。/40khz超声波产生程序#include #includesbit send=p00;/超声波发送函数-40khzvoid main(void) do send=send; _nop_ (); _nop_ (); _nop_ (); _nop_ (); _nop_ (); _nop_ (); _nop_ (); _nop_ (); while(1);（2）定时器计时法即利用定时/计数器计时，然后中断重新装入数值，p1.0口取反的办法实现方波发生。由于要产生40khz的波，因此周期为1/40000s=25us，根据工作方式1公式：可知在th0=0 x9e,tl0=0 x57时可以取到需要的周期。考虑到使用12mhz晶振，所以用定时器方法可以准确产生40khz方波。4.2.3 防止超声波干扰程序单片机停止发送脉冲后，由于电阻尼效应，换能器不会立即停止振动，任会发射超声波，因此这段时间内不可开启int0接收回波，要等待一段时间避免发送端余波直接射到接收端影响测量，这段波被称为“余振”。设定从发射开始一直到“余振”结束这段时间，不开放int0中断申请，可以有效躲避干扰，但也会造成测试的“盲区”。本次假设为1 ms，认为温度为20，那么测量的盲区是:s172 cm。下面是部分程序： i=mqs; /盲区 while(i-) i=0; while(csbint) i+; if(i=4000) /上限值 csbint=0; tr0=0; /中断计时4.2.4 测距程序 程序主要功能是将定时器时间读取，然后由公式计算距离。程序如下 t=th0; t=t*256+tl0; t=t-29; s=t*shengsu/2; tr1=1; flag=0; csbint=1;4.2.5报警程序该程序较为简单，主要是将测量距离和报警距离作一个比较，然后决定是否给信号。程序如下：if(s80)bj=1;4.2.6显示程序主要采用取一位，读一位，延时的办法。由于人的视觉暂留效应，可实现整体示数，程序如下：void scanled() /显示功能模块 led=buffer0; led3=0; delay(200); led3=1; led=buffer1; led2=0; delay(200); led2=1; led=buffer2; led1=0; delay(200); led1=1; 4.3关于程序的几个问题4.3.1 开始延时问题程序开始用到了t0计时溢出延时65ms，这样就进入了t1中断服务子程序，p1.o开始发出超声波。而t0又可以开始计时，实现测量时间的功能。4.3.2 关于keyscan()问题此为原为判断键盘是否按下的程序，但由于我利用了p3.4口的第二功能，即定时/计数器0输入功能，因此，这便使程序有了判定超声波是否发出、发出几次,并判定是否超出发射距离的功能4.3.3程序设计总体思路程序初始化后，先延时65ms，该功能由t0完成，然后进入中断发出超声波，数量为8，在延时1ms后，开始接收回波，在收到回波后，打开int0中断，关闭t0计时，读取时间，计算距离，判断是否超出，或是在报警距离，决定显示内容，判断是否报警。5 总设计方案确定及硬件调试5.1总方案确定通过第三章对硬件的设计，以及第四章对软件的设计最总确定方案如图5.1：图5.1整体设计方案该设计采用74ls04作为发射放大电路，用cx20106作为接收电路，4位数码管作为显示电路，并加入了蜂鸣器报警。5.2硬件调试问题开始，我分别焊接了发射和接收模块，对于发射模块，我做过proteus仿真，证明可以对信号实现放大，因此，焊接完成测量时也实现了想要的功能。而在调试接收模块时，我出现了问题。因为cx20106接收电路是比较常见的电路，故大多都给出了，我按照图5.2焊接图5.2cx20106电路结果7脚始终显示高电平，电路无发接收信号，对此我做了大量的调试，并问了一些专业人士，最后发现问题如下：（1）在1脚应接入一473的电容。因为外界信号十分繁杂在探头上并联已73电容可以有效的滤除无关的信号（2）在2脚处电阻和电容控制了放大倍数，应适当增加电容以增大放大倍数，这样可以实