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超声波
测量
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超声波测量系统,超声波,测量,系统
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摘 要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以 STC89C52 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案， 最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。 为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、 波形整形、 速度变换、 语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明.实现障碍物的距离测试、显示和报警，超声波测距范围 30CM-300CM，精度在十厘米左右。 这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：测量液位、井深、管道长度等场合。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。 关键词: STC89C52，超声波，传感器，LCD，测量距离 Abstract Along with the science and technology fast development, the ultrasonic wave more and more will be broad in the science and technology application .This article has carried on the theoretical analysis to the ultrasonic sensor range finder possibility, the use simulation electron, the digital electron, the microcomputer connection, the ultrasonic wave transducer, as well as the ultrasonic wave in medium knowledge and so on dissemination characteristic, uses take STC89C52monolithic integrated circuit as the core low cost, the high accuracy, the microminiaturized numeral demonstrated the ultrasonic wave distance gauge the hardware electric circuit and the software design method has designed the system overall concept in this foundation, finally has realized each function module through the hardware and the software. Key words: STC89C52, ultrasonic wave, sensor, LCD, Measuring distance 桂林电子科技大学毕业设计报告用纸 目 录 1 引 言.1 1.1 课题背景.1 1.2 课题设计的意义：.1 1.3 超声波测距在汽车上应用的介绍：.1 2 课题的方案设计与论证.3 2.1 系统总体设计.3 2.2 设计方案的论证.5 3 系统的硬件结构设计.6 3.1 单片机的选择.6 3.2 发射电路的设计.11 3.3 接收电路的设计.15 4 系统软件的设计 .22 4.1 超声波汽车防撞电路的算法设计 .23 4.2 主程序流程图.24 4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序.26 5 调试.28 5.1 硬件调试.28 5.2 软件调试.29 总 结.31 致 谢.33 附录 1：.35 附录 2：.37 附录 3：.39 1 引 言 1.1 课题背景 随着经济的发展与汽车科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。同时，随着汽车工业的飞速发展，汽车的产量和保有量都在急剧增加。但公路发展、交通管理却相对落后，导致了交通事故与日剧增，城市里尤其突出。智能交通系统 ITS 是目前世界上交通运输科学技术的前沿技术，它在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通赌塞，改善城市环境等方面的卓越效能，已得到各国政府的广泛关注。中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。汽车防撞系统作为ITS 发展的一个基础，它的成功与否对整个系统有着很大的作用。从传统上说，汽车的安全可以分为两个主要研究方向:一是主动式安全技术，即防止事故的发生，该种方式是目前汽车安全研究的最终目的;二是被动式安全技术，即事故发生后的乘员保护。 目前汽车安全领域被动安全研究较多， 主要从安全气囊、 ABS(防抱死系统)和悬架等方面着手，以保证驾乘人员的安全。从经济性和安全性两方面来说，这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行保护，有很大的局限性，因而车辆的主动安全研究尤为重要，引出了本文研究的基于单片机的超声波测距系统。这个系统是一种可向司机预先发出视听语音信号的探测装置。它安装在汽车上，能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物;能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。 1.2 课题设计的意义 随着现代社会工业化程的发展，汽车这一交通工具正为越来越多的人所用，但是随之而来的问题也显而易见， 那就是随着车辆的增多， 交通事故的频繁发生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。 对于公路交通事故的分析表明，80%以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引起的，超过 65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明：若驾驶员能够提早 1S 意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。 因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要的作用。显然，此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。 1.3 超声波测距在汽车上应用的介绍： 超声波倒车测距仪( 俗称电子眼)是汽车倒车防撞安全辅助装置 ,能以声音或者更为直观的数字形式动态显示周围障碍物的情况。 其较早的产品是用蜂鸣器报警 ,蜂鸣声越急 ,表示车辆离障碍物越近。 后继的产品可以显示车后障碍物离车体的距离。其大多数产品探测范围在 0.41.5 m,有的产品能达到 0.352.5 m,并有距离显示、声响报警、区域警示和方位指示 ,有些产品还具备开机自检功能。目前市场上还出现了具有语音报警功能的产品。这些产品存在的主要问题是测量盲区大 ,报警滞后 ,未考虑汽车制动时的惯性因素 ,使驾驶者制动滞后 ,抗干扰能力不强 ,误报也较多。 汽车防撞雷达之所以能实现防撞报警功能, 主要有超声波这把无形尺子, 它测量最近障碍物的距离, 并告诉给车主。 其实超声测距原理简单: 它发射超声波并接收反射回波, 通过单片机计数器获得两者时间差 t, 利用公式 S=Ct /2 计算距离, 其中 S 为汽车与障碍物之间的距离, C 为声波在介质中的传播速度。 本文介绍的超声测距系统共有 2 只超声波换能器( 俗称探头) , 分别布置在汽车的后左、后右 2 个位置上。能检测前进和倒车方向障碍物距离, 通过后视镜内置的显示单元显示距离和方位, 发出一定的声响, 起到提示和警戒的作用。系统采用一片 STC89C52 单片机对两路超声波信号进行循环采集。 超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯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接收器，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） 。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 。测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现触发单元。 利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法： （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，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。 本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。 在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波） ，通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。 2 课题的方案设计与论证 2.1 系统总体设计 系统总体框图 构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。 图 2-1 超声波汽车防撞原理框图 根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距传感器 TCT4016T/R（T 表示发射传感器，R 表示接收传感器），最大探测距离为 6m，发射扩散角为 60 度。 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。当它的两电极加脉冲信号(触发脉冲) , 若其频率等于晶片的固有频率时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波。 相反, 电极间未加电压,则当共振板接收到回波信号时,将压迫两压电晶片振动,从而将机械能转换为电信号,此时的传感器就成了超声波接收器。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。 超声波传感器用来分析共振频率附近的超声波换能器的特性:换能器的器械能用 Qm ;电能用 Qe 表示。Q 恰好是电路的串联支路的Q 值。设换能器在空载( Z1 = 0) 和有载( Z1 = R1) 时的 Q 值分别为 Qm0 、Qm ,则有 00100101RWCRWLQm= 超声波发射器 放大电路 超声波接收器 放大电路 检波电路 定时器 单片机控制 显示器 报警系统 )(110011001RRWCRRWLQm+=+= 0000RWCQe= )(1000RRWCQe+= 超声波换能器的工作效率为 011RRR+= 相临两片的压电陶瓷片极化方向相反，芯片的数目成偶数，以使前后金属盖板与同一极性的电极相连，否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈，会导致结构不必要的增大，两芯片之间，芯片与金属盖板间通常以薄黄铜片（厚度小于0.1mm） ，作为焊接电极引线用；芯片，电极铜片用强力胶胶合，在压电组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成一体， 圆锥状谐振子的边缘部分装有圆环弹性橡胶减振器，使之与外壳固定，起声阻匹配作用。在电声变换部分的前面的超声波束整形板，是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个开口，使超声波波束指向尖锐，吸声片吸收多余反射声波。 目前市面上出售的超声波传感器种类有通用型，拓宽型，宽带域型，防水型和高频型等这几类。虽然通用型超声波传感器有频率带宽较窄的缺点，但是却可以换来高灵敏度，抗噪声干扰强的优点。超声波基本应用电路主要分为三类： 1）直射型，主要用于遥控及报警电路 2）分离反射型，主要用于测距，料位测量等电路 3）反射型，主要用于材料的探伤，测厚电路。 鉴于成本的考虑，选用了普通的 T/R-40 系列的超声波发射/接收传感器。T/R-40 系列超声波传感器典型的工作频率为（39-41）KHZ，其具体参数见表 2.1和表 2.2。 表 2.1 外形尺寸（T/R-4XX 中的“XX”表示传感器的外径尺寸） 型号 A(mm) B(mm) C(mm) D（mm） T/R-40-12 12.7 9.5 6.2 8.5 T/R-40-16 16.2 12.2 9.2 10.0 T/R-40-18A 18.0 14.2 10.8 11.8 T.R-40-24A 23.8 14.6 10.2 11.8 表 2.2 电气参数 接 收灵 敏度 工作频率（KHZ） 带宽（KHZ） 型号 声平电压 在 40KHZ 时 发送 接收 电容（pF） T/R-40-12 112db 最小值-67db （ 39-41）KHZ 最小5/100db 最小5/-75db （2475-2525）% T/R-40-16 115db 最小值-64db （ 39-41）KHZ 最小6/103db 最小6/-71db （2375-2425）% T/R-40-18A 115db 最小值-64db （ 39-41）KHZ 最小6/103db 最小6/-71db （2375-2425）% T.R-40-24A 115db 最小值-64db （ 39-41）KHZ 最小6/100db 最小6/-71db （2375-2425）% 传感器位置 由于是测距系统是采用超声波发射和接收分离反射型结构，所以发射头和接收头应该在同一平行直线上。 出于距离和发射夹角所引起的误差以及超声波信号在传播过程中衰减问题的考虑，发射和接收探头距离不可以太远，而又为了避免发射头对接收头接收信号产生的干扰，二者也不能间隔太近。经过参考前人的经验以及调试时的实际情况，应保持超声波发射头和接收头中心轴线平行并相距4-8cm 即可。 2.2 设计方案的论证 超声波探测技术主要用于中程测距、结构探伤、智能控制等领域，超声波换能器是其核心部件，换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器；按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器；按其工作频率又可分为 38KHz、40KHz 等不同等级。本设计选用气相、窄波束、40KHz 的超声波换能器。 当利用超声波探测器测距时常用两种方法强度法和反射时间法， 强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离， 被测物越远其反射信号 越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除， 在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效， 由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。 反射时间法其原理是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式 S=V（T/2）(其中 S 为被测距离、V 为空气中声速、T 为回波时间（21 TTT+=）计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服，因此这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高，本设计中选用此方法。 而超声波传感器一般要在 40KHZ 才能得到最大的震荡，超声波才能传的更远， 而要产生 40KHZ 的方波可以直接通过单片机输出 PWM 信号或通过外部震荡电路来产生，这里我采用的是 52 单片机，没有多余的资源完成这么多工作，故摒弃了由单片机直接产生 PWM 信号的方式，而采用了外部电路产生。 单片机的功能特点及测距原理 40KHZ 的发射频率由 NE555 提供给软件进行处理控制发射及停止，回波经过 STC89C52 对接收到的信息进行处理后，被测的距离在 LCD 上显示，显示部分采用动态扫描显示。满足显示精度；若该距离小于预置的汽车低速安全刹车范围(如：1m 或 0.5m)，报警电路发出适当的警告提示音，由 P2.4 口的蜂鸣器输出控制报警电路的工作。 3 系统的硬件结构设计 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。选择好合适的单片机可以最大地简化单片机应用系统，而且功能优异，可靠性好，成本低廉，具有较强的竞争力。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面： （1）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。 （2）单片机的增强功能。例如看门狗、多指针、双串口等。 （3）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。 （4）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。 （5）芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。如果设计户外产品，必须选用工业级。 （6）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 STC 单片机就是因为它能满足低功耗的要求。 （7）供货渠道是否畅通、价格是否低廉。 （8）技术支持网站的速度如何，资料是否丰富。包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序等。 （9）芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。 STC89 系列单片机是 MCS-51 系列单片机的派生产品。它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准 8052 单片机完全兼容，DIP40 封装系列与 8051 为pin-to-pin 兼容。STC89 系列单片机高速(最高时钟频率 90MHz)，低功耗，在系统/在应用可编程(ISP，IAP),不占用户资源。根据本系统的实际情况，选择STC89C52 单片机， 单片机(STC89C52)外观如图 3-1 图 3-1 STC89C52 外观 单片机(STC89C52)的引脚功能图 3-2 图 3-2 STC98C52 引脚图 单片机的引脚功能说明： 1. 电源引脚 Vcc 40 脚 正电源脚，工作电压为 5V。GND 20 脚 接地端 2. 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 为了产生时钟信号，在 8052 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。 产生时钟信号电路如图 3-3： 图 3-3 时钟信号电路 本系统使用的石英晶振频率为 12MHZ。 3.复位 RST 9 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，52 芯片便循环复位。复位后 P0P3 口均置 1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。 当复位脚由高电平变为低电平时， 芯片为 ROM 的 0000H 处开始运行程序。常用的复位电路如下图所示。 图 3-4 复位电路图 复位电路是手动复位电路如图 3-5： 图 3-5 复位电路图 4.输入输出(I/O)引脚 Pin39-Pin32 为 P0.0-P0.7 输入输出脚，称为 P0 口，是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 口。内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，P0 口能以吸收电流的方式驱动八个 LSTTL 负载电路。通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0 口是分时转换的地址(低 8 位)/数据总线，不需要外接上拉电阻。 Pin1-Pin8 为 P1.0-P1.7 输入输出脚，称为 P1 口，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 口。P1 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。通常在使用时外不需要外接 上拉电阻，就可以直接驱动发光二极管。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对于输出功能，在单片机工作时，我们可以通过用指令控制单片机的引脚输出高电平或者低电平。如： 指令 CLR ，清零的意思。 CLR P1.0 ；让单片机从第一脚输出低电平。指令 SETB，置 1 的意思。 SETB P1.0 ；让单片机从第一个脚输出高电平。 Pin21-Pin28 为 P2.0-P2.7 输入输出脚，称为 P2 口，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部 Flash 程序存储器编程时，接收高 8 位地址和控制信息。在访问外部程序和 16 位外部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址。而在访问 8 位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 Pin10-Pin17 为 P3.0-P3.7 输入输出脚，称为 P3 口，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载，这 8 个引脚还用于专门的第二功能。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash 程序存储器编程时，接控制信息。 P13 端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。除此之外 P3 端口还用于一些专门功能，如下表。 5.其它的控制或复用引脚 (1) ALE/PROG 30 访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的 1/6)。 在访问外部数据存储器时， 出现一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程时，这个引脚用于输入编程脉冲 PROG 表 31 P3 口专门功能 P3 引脚 兼用功能 P3.0 串行通讯输入（RXD） P3.1 串行通讯输出（TXD） P3.2 外部中断 0（ INT0） P3.3 外部中断 1（INT1） P3.4 定时器 0 输入(T0) P3.5 定时器 1 输入(T1) P3.6 外部数据存储器写选通 WR P3.7 外部数据存储器写选通 RD (2) PSEN 29 该引是外部程序存储器的选通信号输出端。当 AT89C51 由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出 2 个脉冲即两次有效。但访问外部数据存储器时，将不会有脉冲输出。 (3) EA/Vpp 31 外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。要使 AT89S51 只访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH）,这时该引脚必须保持低电平。对 Flash 存储器编程时，用于施加 Vpp 编程电压。 单片机最小系统电路图如下图 3-6 所示： 图 3-6 单片机最小系统图 3.2 发射电路的设计 本系统采用一个稍加变化的 555 多谐振荡器电路来产生 40KHZ 的方波。并由单片机 I/O 口来控制其发送与否。它具有占空比连续可调的优点，电路如下图所示。为了能连续调节占空比并能调节振荡频率，在 555 的第 6 脚和第 7 脚之间接有 W1、W2、R2 组成的调节网络。对 C1 充电时，电流是通过 R1、W2、和 W1，放电时，通过 W1、W2、和 R2。当 R1R2，W2 调到中心点或不用 W2 时，因充放电时间基本相等，其占空比约为 50%，此时调节 W1 仅改变频率，占空比不变。如 W2 调节偏离中心点， 再调节 W1， 不仅振荡频率改变了， 而对占空比也有影响。W1 不变，调节 W2 时，仅可改变占空比而对频率无影响。因此，使用电路时，应首先调节 W1，使频率至规定值，再调节 W2 以获得合适的占空比。为保证驱动能 力，又为了在低电压下工作，故采用来放大信号，提高发射功率。 输出 40KHZ 波形如图 3-7。 图 3-7 输出波形图 发射电路图 38 图 3-8 超声波发射电路 NE555N 介绍 NE555 时基集成电路是 8 脚的数字集成电路，是由 21 个晶体三极管、4 个晶体二极管和 16 个电阻组成的定时器，有分压器、比较器、触发器和放电器等功 能的电路。它具有成本低、易使用、适应面广、驱动电流大和一定的负载能力。在电子制作中只需经过简单调试，就可以做成多种实用的各种小电路，远远优于三极管电路,内部结构如图 3-9。 它的各个引脚功能如下： 1 脚：外接电源负端 VSS或接地，一般情况下接地。 8 脚：外接电源 VCC，双极型时基电路 VCC的范围是 4.5 16V，CMOS 型时基电路 VCC的范围为 3 18V。 3 脚：输出端 Vo 2 脚：TL低触发端 6 脚：TH 高触发端 4 脚：DR是直接清零端。当DR端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TL、TH 处于何电平，时基电路输出为“0” ，该端不用时应接高电平。 5 脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只 0.01F 电容接地，以防引入干扰。 7 脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 在 1 脚接地， 5 脚未外接电压， 两个比较器 A1、 A2基准电压分别为CCCCV31,V32的情况下，555 时基电路的功能表如表 3-2 示。 NE555 时基集成电路的主要参数：电源电压 4.516V，输出驱动电流为 200毫安，作定时器使用时，定时精度为 1，作振荡使用时，输出的脉冲的最高频率可达 500 千赫。 图 3-9 NE555 内部结构图 表 32 555 时基电路的功能表 清零端DR 高触发端TH低触发端TLQn+1放电管T功能 0 0 导通 直接清零 1 CCV32 CCV31 0 导通 置0 1 CCV32 CCV31 1 截止 置1 1 CCV32 Qn 不变 保持 NE555 应用十分广泛，可装如下几种电路： （1）单稳类电路 作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。 （2）双稳类电路 作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。 （3）无稳类电路 作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。 时基电路,可以作成:振荡器,也可以作放大用。 超声波发射电路原理图所示：由 NE555 时基电路及外围元件构成 40kHZ 多谐振荡器电路，调节电阻器 RP 阻值，可以改变振荡频率，最终达到 40KHZ。5K5K5K+-TQ&Q+-AASRV1V21DQVTHTLVRCCVSS1284563712CD 同时用单片机控制 NE555 第 3 脚输出端驱动超声波换能器 T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压 5V，工作电流 4050mA。 用 555 定时器接成的多谐振荡器来驱动超声波发射传感器。 555 定时器外接电阻和电容构成的多谐振荡电路。振荡频率 f 主要取决于电阻 R1（包括电位器的阻值） 、R2 和电容 C1，当 R1、R2 和 C1 固定时，改变电位器的阻值就可改变振荡频率，振荡幅度由电源电压来决定。 3.3 接收电路的设计 集成电路 CX20106A 是一款红外线检波接收的专用芯片， 常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHZ 与测距的超声波频率 40KHZ较为接近，可以利用它做超声波的检测接收电路。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 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 3-10 所示。 图 3-10 CX20106A 内部结构图 各引脚功能（如下表 3-3） 表 33 CX20106A 引脚功能 引脚 名称 功能 1 IN 信号输入端 2 C1 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。 3 C2 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。 4 GND 接地端 5 f0 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。 6 C3 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。 7 OUT 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 8 VDD 电源正端，接+5V CX20106A 该 IC 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。 根据以上原理，超声波测距系统的接收电路如下图 3-11 所示。超声波接收换能 器将接收到的回波信号转换后经过 0.056U 的电容初步滤波后， 进入 CX20106A 的1 脚， 经过 CX20106A 的前置放大器， 限幅放大， 带通滤波器 （中心频率为 40KHZ） ，检波器及比较器，最后经过内部的整形电路，从 7 脚输出至 89C51 单片机的外部中断 0（P3.2）口。当芯片接收到 40KHZ 的信号时，7 脚的输出由高电平转为低电平，单片机外部中断 0 口检测到输入信号的下降沿或者低电平时，立即产生中断，同时停止定时/计数器 T0。从而得到超声波的回波时间 t. 图 3-11 声波接收电路 3.4 显示报警模块的设计 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。随着科技的发展，液晶显示模块的应用前景将更加广阔。 本系统选用 LCD 液晶 ts128643 显示器做为显示模块。 Ts12864-3 引脚功能如下 表 34 12864 的引脚功能 参考 ts12864-3 与的单片机的引脚功能画出它们连接的原理图 3-12 如下： 图 3-12 12864 与单片机的连接图 显示坐标关系如下： 图 3-13 图形显示坐标 图 3-14 汉字显示坐标 表 35 字符表 max232 MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的接口电路,使用+5v 单电源供电。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（R1IN）、12 脚（R1OUT）、11 脚（T1IN）、14 脚（T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出。 第三部分是供电。15 脚 GND、16 脚 VCC（+5v）。 电路为： 图 3-15 MAX232 内部电路图 单片机 stc89c52 通过 MAX232 电路与单片机进行通信。 电路图为图 316 图 3-16 MAX232 电路与单片机通信电路 4 系统软件的设计 软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期内，依次执行各个模块，调用预置子程序，发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进行分析处理，根据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音，显示报警程序。当测得距离小于预置距离时，声音，显示报警程序被调用。 主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时计数器模式。 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， 为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约 01 ms(这也就是超声波测距仪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。超声波汽车防撞电路的软件设计主要由主程序、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。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具 有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间， 而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时） ，又要求精细计算程序运行时间（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程。 4.1 超声波汽车防撞电路的算法设计 超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号， 当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间， 就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为： d=s/2=(ct)/2 其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。 当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下： RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；关外部中断0 MOV R7, TH0 ；读取时间值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH；计算时间差 MOV 31H, A ；存储结果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A SETB EX0 ；开外部中断0 POP ACC POP PSW RETI 4.2 主程序流程图 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图（4-1） （4-2） (4-3) 所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射， 外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。程序流程图 4-1 图4-1 程序流程图 Y YN N主程序入口系统初始化 T1 定时时间到？ I/O 口 T0,T1 初始化P2.0=0 开始发射， 启动 T0,T1，开外中断 0，T0,T1 溢出允许 T0定时时间到？有中断信号？调用中断子程序调用显示子程序等待 调用 T0 定时溢出中断子程序 N YN 显示报警子程序图4-2 图 4-2 显示报警子程序流程图 YNNNYY 显示服务子程序 读区距离 小于 1 米? 1 X2 大于 2 米?显示危险距离， 并用红色LED 灯指示 蜂鸣器报警 保持距离，黄色LED 灯指示 返回 返回 播放距离并显示显示安全距离并用绿色 LED 灯指示 返回 返回 INT0 中断服务子程序图 4-3 图4-3 中断服务子程序流程图 超声波测距时工作过程如下： （1） 由单片机发出控制NE555产生40KHZ脉冲信号。 （2） 脉冲信号通过超声波发射换能器发出超声波。 （3） 单片机在发送脉冲时刻开始计时。 （4） 超声波遇到障碍物后回波被超声波换能器接收。 （5） 读取T0口计数值。 （6） 数据计算。 （7） 显示报警。 主程序首先是对系统环境初始化， 设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时计数器模式。置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0 和 P1 清 0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲， 为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约 0.1 ms（这也就是超声波测距仪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。由于采用的是 12 MHz的晶 振，计数器每计一个数就是 1s，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）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取 20时的声速为 344 m/s 则有： d=(ct)/2=172T0/10000cm (2) 其中，T0 为计数器 T0 的计算值。 测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式送往 LCD 显示约 0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C 语言编写。 4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送脉冲信号控制555芯片超声波的发射（频率约40kHz的方波）占空比不一定为50%，脉冲宽度为12s左右，同外中断服务子程序关中断，停止发射 读 T0 值计算距离 重装 T0 返回 时把计数器T0打开进行计时。 超声波发生子程序较简单， 但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。 （1）使用外部中断 INT0 来检测回波，使其工作于下降沿触发方式（IT0=1） 。当检测到回波信号，触发并进入中断，同时停止发射超声波和停止计时器 T0，在中断服务程序中读取 T1 的值，并计算测量结果。 （2） 使用 T0 作为计时器， 工作方式为方式 1。 发射超声波的同时开定时器 T1。如果定时时间结束仍没有接收到回波信号，则进入 T1 溢出中断服务程序，关闭外部中断 INT0 和 T1 溢出中断，重新开始新的一轮测试。 由于 T0 工作方式为方式 1 时， 最大可定时 65ms,即在理想情况下可测最大距离为 0.065*324/2=10.5m。而考虑实际情况下并不需测这么远的距离或系统很难探测到这么远的距离.但为了方便计算，所以初值赋为 0. 超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平） ，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下： receive1：push psw push acc clr ex1 ；关外部中断 1 jnb p1.1, right ；P1.1 引脚为 0,转至右测距电路中断服务程序 jnb p1.2, left ；P1.2 引脚为 0,转至左测距电路中断服务程序 return：SETB EX1；开外部中断 1 pop acc pop psw reti right： . ；右测距电路中断服务程序入口 ajmp # return left：. ；左测距电路中断服务程序入口 ajmp # return 5 调试 5.1 硬件调试 由于本设计涉及的模块比较多，包括了超声波测距模块，单片机模块，显示报警，所以调试起来比较费力，设计的不定因素也比较多，所以，调试的时候采用了分块调试的方法，排除了各个模块的干扰。 在电路安装完毕后，不要急于通电测试，而首先必须做好以下调试前的检查工作。 检查连线情况： 经常碰到的有错接（即连线的一端正确，而另一端误接）、少接（指安装时漏接的线）及多接（指在电路上完全是多余的连线），等连线错误。检查连线可以直接对照电路原理图进行，但若电路中布线较多，则可以以元器件（如运放、三极管）为中心，依次检察查其引脚的有关连线，这样不仅可以查出错接或少接的线，而且也较易发现多余的线。 为确保连线的可靠，在查线的同时，还可以用万用表电阻档对接线作连通检查，而且最好在器件外引线处测量，这样有可能查出某些“虚焊”的隐患。 检查元器件安装情况： 元器件的检查， 重点要查集成运放、 三极管、 二极管、电解电容等外引线与极性有否接错，以及外引线间有否短路，同时还须检查元器件焊接处是否可靠。这里需要指出，在焊接前，必须对元器件进行检测，确保元器件能正常工作，以免给调试带来不必要的麻烦。 检查电源输入端与公共接地端间有否短路在通电前， 还需用万用表检查电源输入端与地之间是否存短路，若有则须进一步检查其原因。 在完成了以上各项检查并确认无误后，才可通电调试，但此时应注意电源的正、负极性不能接反。 在检查超声波发射电路时，在未加单片机使能控制的情况下，通电待系统工作后，用示波器观察 NE555 芯片的 3 脚。若输出波形不符合要求，可通过调节R9 和 R10 来调节输出波形，直到得到要求的占空比为 50%的 40KHZ 方波。 调好发射电路后， 启用接收电路。 在超声波接收探头未接收到信号的情况下，用示波器观察其两引脚，测得最大干扰电压波形为 40KHZ 的正弦波，幅值 20mv。 在超声波接收探头接收信号的情况下， 起初测得信号放大电路的一级放大输出为幅值 5V 的正弦波，但是二级输出不论接收探头有否接收到信号，恒输出一11V 高电平。检查电路参数后认为是 NE555 放大倍数过大，形成自激振荡，所以把原来 100*100 的放大倍数降为 100*10。再测二级输出，在探测距离较近时输 出波形近似方波，调试成功。 超声波这个部分相对来说比较复杂，特别是涉及到了传感器，受天气和温度的干扰比较大，电路内部的干扰控制也是一个难点，所以我选择了另外用了一块扩展板来制作这部分电路，而且用电感来隔离各部分的干扰。考虑到本设计只是一次学习过程，对性能要求不是很高，所以采用了干电池供电这样的方法，再有就是测距的时候容易受到地面的漫反射干扰，所以增益电阻不能取得太小，这样测距的灵敏度会受到一定影响，不过经过多次调试，测距精度方面误差基本上能控制在5厘米以内，测距距离大概3-4米。 5.2 软件调试 汇编和keil c 汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言， 是最接近机器码的一种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。 对于目前普遍使用的RISC架构的8bit MCU来说，其内部ROM、RAM、STACK等资源都有限，如果使用C语言编写，一条C语言指令编译后，会变成很多条机器码，很容易出现ROM空间不够、堆栈溢出等问题。而且一些单片机厂家也不一定能提供C编译器。而汇编语言，一条指令就对应一个机器码，每一步执行什么动作都很清楚，并且程序大小和堆栈调用情况都容易控制，调试起来也比较方便。所以在资源较少单片机开发中，建议采用汇编语言比较好。 C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。所以作为一个技术全面并涉足较大规模的软件系统开发的单片机开发人员最好能够掌握基本的C语言编程。使用C 语言肯定要使用到C 编译器，以便把写好的C 程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。 KEIL uVISION2 是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51 架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支 持，PLM，汇编和C 语言的程序设计，它的界面和常用的微软VC+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此本系统采用KEIL uVISION2进行软件的编写和调试 调试过程 把烧录好的芯片放置在电路中，接上电源，检验程序是否如自己所设计的那样可以实现所要求的功能。如果电路板上的结果和设想的不同，由于在硬件检查部分已经确定了硬件没问题。则应该是软件部分即程序方面的问题。需要检查程序。首先检查红外接收部分，用示波器检查红外接收管的输出口或是INT0口的波形是否正确。红外接收部分没有问题后再调试电机部分，看电机是否能按照遥控要求那样转动。然后是超声波部分，主要看数码管的现实是否正常，还有就是控制按钮是否按要求控制。因为前面已经确定硬件没有问题了，所以，在软件调试的时候可以结合硬件来在线调试，这样很直观，而且发现问题也很容易。 表51 测试结果 真实距离（m） 0.20 0.50 1.00 2.00 测得距离(m) 0.21 0.52 0.98 2.03 总 结 由于时间和其它客观上的原因，此次设计没有做出温度补偿。但是对设计有一个很好的理论基础。设计的最终结果是使超声波测距模块能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量距离。并通过蜂鸣器，指示灯进行相应的报警。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受， 根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示报警电路、 超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用 STC89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波的控制信号，并通过 NE555 芯片产生。利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。超声波发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成， 单片机P1.0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换能器的一个电极， 另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极， 用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成， 它是一款红外线检波 接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 超声波测距仪的软件设计主要由主程序、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。我们知道 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且容易精细计算程序运行的时间， 而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时） ，又要求精细计算程序运行时间（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程。主超声波测距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 INT0引脚出现低电平） ，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器 T0 停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口， 中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。 超声波测距的算法设计原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间， 就可算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是很多， 所以调试应该不会太难。 一般只要电路焊接无误， 稍加调试应该会正常工作。电路中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。 致 谢 首先， 我要感谢我的导师陈雷老师在毕业设计中对我给予的细心指导和严格要求，同时也感谢本校的一些老师在毕业设计期间所给予我得帮助。在我毕业论文写作期间，各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀，没有您们这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计，借此机会，向您们表示由衷的感激。 同时还要感谢院实验室在毕业设计期间提供给我们优越的实验条件。 接着，我要感谢和我一起做毕业设计的同学。在毕业设计的短短 4 个月里，你们给我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助还有工作上的支持，在此也真诚的谢谢你们。同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，在和他们的相互帮助和启发中，才有我今天的小小收获。 最后我要深深地感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。 还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的朋友，在此无法一一列举，在此也一并表示忠心地感谢！ 参考文献 1 李华.MCU-51系列单片机实用接口技术M.北京： 北京航空航天大学出版社， 1993. 6： 87-93 2 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版)M.武汉：华中理工大学出版社，1999.4：21-25 3 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6：128-134 4 苏长赞.红外线与超声波遥控M.北京：人民邮电出版社，1993.7：26-35 5 张谦琳.超声波检测原理和方法M.北京：中国科技大学出版社， 1993.10：11-16 6 九州.放大电路实用设计手册M.沈阳：辽宁科学技术出版社， 2002.5 ：134146 7 胜全.D18B20 数字温度计在微机温度采集系统中的序编制M. 南京：南京大学出版社 1998. 3：43-51 8 恒清，张靖.加强单片机系统抗干扰能力的方法J.通化师范学院学报，2004 .10：2 9 华兵.MCS-51 单片机原理应用M.武汉：武汉华中科技大学出版社， 2002 .5：47-61 10 rotor S，ZHANG G X. Geometric Error Measurement and Compensation of Machines M.Annals of the CIRP. 1995:599-609 11 Olton W. Instrumentation process measurement. Longman Scientific Technical M. 1991 ：364-372 附录 1： 原理图 单片机部分原理图 超声波发射接收
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