超声波测距电路的设计学年论文.doc

学 号： 3101350121 题目类型： 设计 (设计、论文、报告)桂林理工大学GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY学年论文设计(论文)题目： 超声波测距电路的设计 学 院： 理学院 专业(方向)： 应用物理学 班 级： 2010级1班 学 生： 莫敬沛 指导教师： 2013年 04 月 10 日目 次摘要I1 超声波测距的简介及电路设计的主要内容 11.1 超声波测距的简介 11.2 电路设计的主要内容 12 超声波测距电路主要器件的介绍 12.1 AT89S52单片机 12.2 超声波传感器 32.3 HD74LS04芯片 52.4 CX20106A芯片 52.5 整流二极管及7805稳压芯片62.5.1 整流二极管 62.5.2 7805稳压芯片 72.6 PNP型三极管 83 超声波测距电路的硬件设计 83.1 电源部分的设计 83.1.1 电源电路的基本原理 83.1.2 电源的电路设计 93.2 超声波测距电路的方案比选 103.3 显示部分的设计 123.3.1 复位电路 123.3.2 时钟电路 123.3.3 显示电路 133.4 测距部分的设计 143.4.1 超声波发射电路 143.4.2 超声波接收电路 143.5 电路的制作流程 154 电路的软件设计 164.1 超声波测距电路的算法设计 164.2 主程序的程序设计流程 174.3 子程序的程序设计 174.3.1 中断程序的设计 174.3.2 延时程序的设计 184.3.3 数码管显示程序的设计 184.4 超声波测距的程序代码 195 超声波测距电路的调试 196 超声波测距电路的改进 197 结论 20致谢21参考文献21附录1 22附录2 2626摘 要在当今社会，由于超声波测距是一种非接触式的检测技术，不受光线以及被测对象颜色等因数的影响，较其它仪器而言更加卫生，更耐潮湿、耐粉尘、耐高温、耐腐蚀性气体等恶劣环境，对于被测物体处于黑暗、有灰尘、有烟雾、有电磁干扰等恶劣环境都有一定的适应能力。具有维护少、不污染、高可靠、长寿命等特点，于是超声波测距电路的运用越来越广泛。对于传统的测量方法在很多特殊场合使用都不方便。如：带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷，超声波测距却能很好地解决此类的问题。在这些装置中，我主要是利用超声波的指向性能强，能量消耗相对缓慢，在介质中传播的距离较远的优点，所以超声波才经常用于对距离的测量。同时，利用超声波测量距离往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面达到了工业的指标要求。在机器人制作中，为了使机器人能够自动躲避障碍物而行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取与障碍物的位置信息。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。近年来，随着电子测量技术的发展，运用单片机制作超声波测量装置，同时加上软件的设计，对的距离作出精确测量已成可能。随着经济的发展，单片机的应用也越来越广泛，而单片机制作的超声波测量由于有精确高，成本低，性能稳定等优点而备受青睐。关键词： 超声波测距；单片机；软件设计1 超声波测距的简介及电路设计的主要内容超声波这个词对于我来说并不陌生。比如：B超设备就是利用到超声波的功能实现其作用的，还有倒车雷达，距离测量等等。然而，对于超声波的相关研究，超声波的特性，以及超声波是如何产生的，超声波是如何进行接收的，还有它是如何传播的。这些对于我来说就显得有一些陌生了。1.1 超声波测距的简介国外人士在提高超声波测距方面的研究做了很大的贡献，国内的一些学者也作了大量的相关研究。南昌航空工业学院的江泽涛在温度对液体中超声波速度的影响一文中，洋细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度同液体压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系，进而研究了温度对声速及声时的影响，用实验测量了不同的液体成分下的声时同温度的关系。在生活中，我所描述的超声波是指频率高于20KHz的机械波。我在设计电路的时候使用的是超声波传感器来发射和接收超声波，习惯上我称之为超声波换能器（或超声波探头）。超声波传感器分为发射器和接收器两部分，超声波传感器是利用压电效应的原理将电能同超声波相互的转换。即：在发射超声波的时候是把电能转化，从而发射超声波；在收到回波的时候是将超声波的震动转化为电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOFA（timeofflight）。即：首先是测量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可以得到超声波的发射源与障碍物之间距离的两倍值，用此距离再除以二就可以得到实际的超声波发射源与障碍物之间的距离。1.2 电路设计的主要内容本论文主要是对单片机制作的超声波测距系统的原理，以及单片机的应用等进行了分析；对超声波的发生电路和接收电路，数码管显示电路，以及硬件和软件等进行了设计。1）硬件设计：选择单片机的型号和超声波的设计电路，设计主要的电路模块，包括：数码管显示模块、电源模块和超声波测距模块；2）软件设计：使用Keil C51设计系统软件，并完成联机调试，软件设计的模块有：系统初始化、超声波测距和测量结果显示。 3）需要实现的技术指标：探测距离为2cm-100cm。2 超声波测距电路主要器件的介绍在此次的电路设计中，使用到了一些电子器件。这些器件中有常用的器件，也有各种芯片。如：AT89S52单片机、超声波传感器、HD74LS04芯片、CX20106A芯片、7805稳压芯片、PNP型三极管、整流二极管等等。为了能够更好地了解它们，下面我对于这些器件的参数、使用方法、使用条件等给予一个详细的介绍。2.1 AT89S52单片机AT89S52单片机（如图一所示）是一种低功耗、高性能的微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51单片机产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统中可编程，亦适于常规编程器。使AT89S52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52单片机具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52单片机可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52单片机的功能非常强大，其引脚图（如图二所示）1） 各个管脚的功能如下：VCC: 电源GND: 地图二图一P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。2） 引脚号的第二功能如下：P1.0：T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1：T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5：MOSI（在系统编程用）P1.6：MISO（在系统编程用）P1.7：SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3.0: RXD（串行输入）P3.1:TXD（串行输出）P3.2:INT0(外部中断0)P3.3:INT0(外部中断0)P3.4:T0（定时器0外部输入）P3.5:T1（定时器1外部输入）P3.6:WR(外部数据存储器写选通)P3.7:RD(外部数据存储器写选通)RST: 复位输入。晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。2.2 超声波传感器3超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。也就是说，若在压电晶片两边加以频率为的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当落在音频范围内时便会发出声音。反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。1） 超声波传感器元件内部结构如图三所示，传感器超声波外部结构如图四所示。图四图三 2） 电气参数电气参数HC-SR04 超声波模块工作电压DC 5 V工作电流15mA工作频率40Hz最远射程4m最近射程2cm测量角度15 度输入触发信号10uS 的 TTL 脉冲输出回响信号输出 TTL 电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm3） 超声波时序图图五以上时序图表明你只需要提供一个 10uS 以上脉冲触发信号，该模块内将发出8个40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号,回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为 60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响。4） 实物规格（如图六所示）图六2.3 HD74LS04芯片HD74LS04芯片（如图七所示）主要是由六个反向器组成，再加上芯片的VCC以及GNG一共十四个管脚。其中，1A6A引脚为输入端，1Y6Y引脚为输出端，第七管脚与第十四管脚分别为GND与VCC。电源电压：7V输入电压：7V工作环境温度：070存储温度:-65150图八图七2.4 CX20106A芯片CX20106A芯片（如图八所示）的引脚说明以及其使用功能如下：引脚号说明1超声信号输入端，该引脚的输入阻抗约为40k。2该引脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值就能改变前置放大器的增益和频率特性。增大其串联的电阻或减小其串联的电容,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但电容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R=4.7，C=1F。3该引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3.3f。4接地端。5该引脚与电源间串入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，42kHz，若取R=220k，则其中心频率38kHz。6该引脚与地之间串入一个积分电容，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22，没有接受信号时该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8电源正极，4.55.5V。2.5 整流稳压二极管及7805稳压芯片2.5.1 整流稳压二极管图十图九整流二极管（如图九所示）是一种用于将交流电转变为直流电的半导体器件。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。其结构如图十所示。P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时，使位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V）,称为正向导通状态。若加相反的电压,使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下，整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。2.5.2 7805稳压芯片7805三端稳压集成电路如图十一所示。顾名思义，三端是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便图十一宜。该系列集成稳压IC型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V。7805芯片对应的参数如下表所示：参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输出电压VoTj=254.85.05.2V5.0mA1o1.0A,Po15WVi=7.5v to 20v4.755.005.25V线性调整率VoTj=25,Vi=7.5V to 25V4.0100mVTj=25,Vi=8V to 12V1.650mV负载调整率VoTj=25,lo=5.0mA to 1.5A9100mVTj=25,lo=250mA to 750mA450mV静态电流IQTj=255.08mA静态电流变化率IQlo=5mA to 1.0A0.030.5mAVi=8V to 25V0.30.8mA输出电压温漂Vo/Tlo=5mA0.8mV/输出噪音电压VNf=10Hz to 100KHz,Ta=2542V纹波抑制比RRf=120Hz,Vi=8V to 18V6273dB输入输出电压差Volo=1.0A,Tj=252V输出阻抗Rof=1KHz15m短路电流1SCVi=35V,Ta=25230mA峰值电流1PKTj=252.2A78系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。7V的电压要想输出5V，则需要使用低压差的稳压集成块。也可以使用3只普通的整流二极管降压，也能得到5V的较为稳定的电压，二极管的允许电流大于你需要的电流即可。2.6 PNP型三极管PNP型三极管如图十二所示，它是共阴极，即两个PN结的N结相连做为基极，另两个P结分别做集电极和发射极；电路图里标示为箭头朝内的三极管。由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管,称为PNP型三极管。也可以描述成,电流从发射极E流入的图十二三极管.PNP型三极管发射极电位最高,集电极电位最低。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源重新补给，从而形成了基极电流。这就是说，在基极补充一个很小的，就可以在集电极上得到一个较大的，这就是所谓电流放大作用。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。3 电路的硬件设计3.1 电源部分的设计在电源部分的设计中，主要讲解的是我所设计的电源的原理，其中包括电源的整流、电源的滤波、电源的稳压和二次滤波；以及电源的原理图和PCB图的设计、制作，器件的选择与购买。3.1.1 电源电路的基本原理直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压、再次滤波五个环节才能完成。一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图十三所示：二次滤波整流稳压路滤波电路整流电路电源变压器图十三其中，1) 电源变压器：是降压变压器，它的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。变压器的变比由变压器的副边确定，变压器副边与原边的功率比为（式中是变压器的效率）。2) 整流电路：利用单向导电元件，将50的正弦交流电变换成脉动的直流电。3) 滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分滤除。滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。4) 稳压电路：稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。5) 二次滤波：可以再一次除掉第一次没有完全滤去的波，最后达到输出端为完全是直流电的目的。由于输入电压发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。3.1.2 电源的电路设计绘制的原理图如图十四所示： 图十四根据原理图购买的器材如下：1)选择电源变压器：首先，确定副边电压。根据性能指标要求：；，并且电路中的器件也会消耗电压。则：经过整流桥之后的电压必须要大于，于是，。则：变压器的输出电压必须大于或等于5V,又由于，所以选择的变压器输出为9V/3W的。2）选择整流电路中的二极管：因为变压器的伏变电压 ，所以桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：，桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为： 。 查手册选整流二极管IN5408,其参数为：反向击穿电，允许通过的最大电流为：，故选择二极管IN5408作为整流二极管。3）选择集成三端稳压芯片：LM78XX置有过载保护、安全区保护等多种保护电路，用LM78XX系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，内部还有过流、过热及集成管的保护电路，使用起来可靠、方便，且价格便宜。LM7805其特性参数：输出电压为5V ；最大输出点流为1A；输入与输出工作压差为2V；工作电压为8V30V；纹波抑制比为734）其它元件的选择：电解电容（2200uF/25V）,瓷片电容0.33uF ，瓷片电容1uF ，电阻，LED，排针排。 5）绘制PCB图：在原理图的基础上，以及购买的元器件中，测量各个元器件的管脚之间的距离，在封装库中寻找到相应的封装添加到原理图中对应的器件中，对于没有封装的器件，要进行建立封装库，再添加到软件中，最后添加到原理图库对应的器件中。保存好原理图之后，再将原理图导入到PCB图中，在PCB窗口中将各个元器件的封装整齐排列，再用导线将各个封装连接起来。经过绘制，得到如下图（图六）对应的PCB图：图十五3.2 超声波测距电路的方案比选方案一：基于ARM的超声波测距系统设计以S3C2410为核心，通过对其进行软件编程，实现该芯片对其外围电路的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去。频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，发射的超声波被调制成40kHz左右，具有一定间隔调制脉冲波信号。测距系统结构如图十六所示。系统由测距系统、控制和显示部分组成。图十六发射电路接收电路S3C2410温度补偿数码管显示方案二：采用CPLD来控制的超声波测距仪采用CPLD来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）编写程序使用MAX+plus II软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高频率可达175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。充分利用了其多达128个宏单元、68pin可编程I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测距结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPROM，那么设计的成本较高。同时在FPGA中还要用硬件描述语言(VHDL语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。方案三：采用52单片机控制的超声波测距系统采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，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。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。方案一统能够实现自动测距、自动探伤和实时显示功能，集探伤、测距等多种功能于一体，所有运算、处理、显示都实现数字化；并且操作简单。使用方便，所有功能都有按键控制；测量速度快、准确，结果显示直观；仪器依靠电池供电，设有低功耗模式；体积小，携带方便，适用于室内、野外等各种条件下作业。综上所述，方案三中硬件简单，容易实现，测距范围适中。测量误差可以控制在1 cm左右。系统软件采用合理算法，提高了测量精度，具有较好的应用价值。另外其使用的51系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机，内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写；用静态时钟方式，可以节省电能；支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序；晶振频率高达24M，运行速度更快，价格也比较便宜；增了看门狗电路，防止程序“走飞”更加安全可靠。与第二种方案相比，第三种使用的是单片机，编译语言可以用C语言来实现，所以比较简单。根据此超声波测距电路的要求，我采用的是AT89S52单片机作为主控器件。使用动态扫描法实现数码管的显示，超声波的驱动信号使用的是单片机的定时器来完成。此超声波测距电路的原理框图如图十七所示：扫描驱动数码管显示单片机控制器超声波发射超声波接收图十七3.3 显示部分的设计3.3.1 复位电路单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位的电路如图十八所示：图十八 在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即ms。一般取R1，C22uF。3.3.2 时钟电路当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XATL1和XATL2用来接石英晶体和微调电容，如图十九所示，晶体一般可以选择3M24M，电容选择30pF左右。我选择晶振为12MHz,电容30pF。图十九 3.3.3 显示电路在此部分中，使用的是AT89S52单片机来实现对于CX20106A红外接收芯片以及HD74LS04红外发射芯片的控制。同时，也通过单片机控制四位一体数码管的显示控制。AT89S52单片机通过P3.2引脚发射脉冲，从而控制超声波的发射；然后，单片机不断地检测外部中断0的INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时，就认为超声波的信号已经返回。同时，计数器所计数的时间就是超声波从发射到接收所经历的时间。通过计算就可以的到超声波发射接收装置与障碍物之间的距离，显示电路采用的是四位一体共阳数码管显示输出的距离值，位码采用的是PNP三极管驱动。单片机的系统以及显示电路如图二十所示：图二十单片机的系统以及显示电路的PCB图如图二十一所示：图二十一3.4 测距部分的设计3.4.1 超声波发射电路在超声波发射的电路中，使用的是HD74LS04的芯片产生震荡40KHz的超声波信号，使之与换能器40KHz的频率一致。使用的是5V的电源驱动HD74LS04芯片的工作。其中，P3.2口为超声波的发射控制口，由单片机进行控制，再加上一个指示灯作为电源的指示。超声波发射部分的电路如图二十二所示：图二十二 3.4.2 超声波接收电路1)超声波的接收电路部分:超声波的接收电路部分采用的是CX20106A芯片，这是一款红外线检测波接收的专用芯片。常用在电视中的红外遥控接收芯片，由于红外遥控采用的频率为38KHz，这个频率与超声波的频率40KHz较为接近，所以利用它在超声波的检测电路中。通过实验发现此芯片具有很强的灵敏度以及较强的抗干扰能力。同时，还可以通过该改变接入电容的大小，从而改变接收电路的灵敏度以及抗干扰能力。超声波测距电路的接收部分如图二十三所示：图二十三2) 超声波测距电路（含发射与接收）的PCB图：图二十四3.5 测距电路的制作流程1) 了解电路的制作原理：懂得我所需要制作的电路的原理，电路是如何工作的，如何才能够更好地实现电路的功能。同时，使用做简单、最少的器件实现电路。在此次的超声波测距电路中的基本原理在3.13.4节已经进行了详细的介绍。2) 绘制原理图：首先，在Altium designer软件中新建一个PCB工程，添加原理图绘制窗口，以及PCB绘制窗口。其次，在Altium designer软件中寻找到各个元件所对应的器件，将各个器件在原理图绘制窗口中将器件有序地排列起来，再用导线将各个器件连接起来；最后，将PCB工程保存起来。这样就可以绘制出我所需要的原理图以及PCB图。绘制成的原理图如图十四、图十八、图十九、图二十二、图二十三所示，绘制成的PCB图如图十五、图二十一、图二十四所示。3) 检查原理图是否有问题：在Altium designer软件中使用检查错误的选项对原理图进行连接的检查，并且运用以往所学的知识以及查阅资料对原理图进行理论的检查。通过检测得到所绘制的全部原理图都是正确的。4) 根据原理图购买器材：对于电源部分材料的购买已经在3.1节进行了详细的陈述，下面陈述一下对于显示部分以及测距部分的材料购买。在显示部分：所需要购买的材料有AT89S52单片机一片，四位一体共阳数码管一个，电阻若干，电容若干，PNP型三极管2N3906四个，10K的排阻3个，排针一排，排针插孔一排，晶振一个。在测距部分：所需要购买的材料有超声波探头一对，HD74LS04芯片1片，CX20106A芯片一片，电阻若干，电容若干，LED一个。5） 打印并制作电路板：利用转印纸将图六所示的PCB图打印出来，再利用制板机将打印出来的电路图压制到覆铜板上，用腐蚀掉多余的铜板，从而形成电路线路在覆铜板上。最后，利用打孔机在覆铜板上打出要放置元件的过孔。6） 根据原理图放置元件并焊接：安装元件时，先安装比较小的原件，所以先安装整流电路，再安装稳压电路，最后再装上电容。安装时要注意，二极管和电解电容的极性不要接反。在焊接的时候，要等到电烙铁完全热了之后再进行焊接，最好以最快的速度、最好看的焊点焊接元件，在焊接芯片时要注意不能长时间地用电烙铁接触芯片的管脚，以免芯片过热，烧毁芯片。检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用万用表检查整流后输出LM7805/LM7905的输入端电压Ui的极性，若Ui的极性为负，则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路，就会损坏集成稳压器。检查后接通电源，若输出电压满足设计指标，说明稳压电源中各级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。7）最终制作成超声波测距电路板（见附录2）。4 电路的软件设计4.1 超声波测距仪的算法设计超声波测距软件部分主要由主程序（包含：超声波发射程序、超声波接收中断程序）、判断回波电平子程序、数码管显示子程序以及延时程序组成。下面主要介绍超声波测距电路的算法。超声波测距的原理如图二十五所示：距离测量公式为：其中，为被测量物体与测距仪器之间的距离，为超声波的往返路程，为超声波的速度，为超声波往返所需要的时间。 T R图二十五4.2 主程序的程序设计流程主程序首先对系统环境进行初始化，设计定时器T0的工作模式为16位的定时器计数模式。置位总中断允许位EA并给显示端P0和P2清零，然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器，需延时20us后才打开外部中断0接受返回的超声波信号，这也就是超声波测距电路会有一个最小测量距离的原因。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：超声波往返所需要的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离，在设计的时候取时的声波速度为，于是有（其中T0为计数器T0的计数值）。然后，将测量的距离以十进制的方式显示在数码管上，最后将再一次发射超声波脉冲重复测量的过程。计算距离并显示结果等待接收超声波脉冲发送超声波脉冲系统初始化开始图二十六4.3 子程序的程序设计 4.3.1 中断程序的设计中断程序指的是我在执行主程序的时候，如果中断程序到来了，那么我首先执行完中断程序之后再执行主程序。此次的程序设计中的中断程序是外部中断0以及定时器0的中断1。对于外部中断0，首先取出定时器高八位的值，再取出定时器低八位的值，再者置至成功测量的标志，最后关闭外部中断。对于定时器0的中断1，首先给出THO和TL0的值，再写入定时器0初始值，最后用switch语句设计数码管的显示位。两个中断的程序代码如下：INTO_() interrupt 0 /外部中断0，用做判断回波电平 outcomeH =TH1; outcomeL =TL1; succeed_flag=1; EX0=0; timer0() interrupt 1 / 定时器0中断1，用做显示 TH0=0xfd; TL0=0x77; switch(flag) case 0x00:P0=ge; P2=0xf7;flag+;break; case 0x01:P0=shi;P2=0xfb;flag+;break; case 0x02:P0=bai;P2=0xfd;flag+;break;case 0x03:P0=qian;P2=0xfe;flag=0;break; 4.3.2 延时程序的设计在延时程序中主要是运用for函数实现单片机工作的延时。代码如下：void delay_20us() uchar b ; for(b=0;b60;b+); 4.3.3 数码管显示程序的设计数码管的显示程序指的是通过程序来控制数码管的显示，在数码管的显示程序中主要是通过除与整除来实现数码管上各个位的显示数字。如：使用数码管显示“10”，即十位显示“1”，个位显示“0”；通过“10除以10等于1”和“取出10除以10之后的余数0”分别在数码管的两每个八段码上显示。超声波测距程序中数码管的显示程序如下：void conversion(uint temp_data) /显示数据转换程序 uchar ge_data,shi_data,bai_data,qian_data;qian_data=temp_data/1000; temp_data=temp_data%1000; bai_data=temp_data/100 ; temp_data=temp_data%100; shi_data=temp_data/10 ; temp_data=temp_data%10; ge_data=temp_data; qian_data=SEG7qian_data;bai_data=SEG7bai_data; shi_data=SEG7shi_data&0x7f; ge_data =SEG7ge_data;EA=0;qian = qian_data; bai = bai_data; shi = shi_data; ge = ge_data ; EA=1; 4.4 超声波测距的程序代码（见附录1）5 超声波测距电路的调试在超声波测距电路的调试中，主要分为硬件的调试与软件的调试两部分。1) 硬件的调试：主要包括硬件的焊接是否真确，硬件是否有损坏，电路的连接是否导通等等。首先是电源的调试，主要是通过测量输出的电压在误差允许是否满足5V的输出，以及电流的输出是否满足超声波测距电路的工作要求。经过调试确定电源部分的电压输出为5.1V，电流输出为300mA，满足超声波测距电路的工作要求。其次是显示部分的调试，在显示部分的调试中主要是给单片机输入数码管的显示程序，通过程序来测试数码管显示是否正常，通过调试之后数码管的显示部分正常。最后是测距部分的调试，在测距部分的调试中，通过软件的辅助来调试测量距离的准确。2） 软件的调试：在软件的调试中，主要是使用Keil C51软件把编写好的程序进行测试语法是否有误，以及检查结构是否正确，同时还要注意软件与硬件的对应，再注入到AT89S52单片机进行测试。6 超声波测距电路的改进在本设计中，为了使精度更加高，可以通过对多次测量的数据对比然后进行一个修正，同时在安装系统的时候，超声波发射头和接收头之间的距离应该为48cm