基于单片机的无线测距仪设计毕业论文.docx

滨江学院 毕业论文（设计）题 目：基于单片机的无线测距仪设计院 系 自动控制系 专 业 电气工程与自动化 学生姓名 秦周 学 号 20112340028 指导教师 毛鹏 职 称 讲师 二一五 年 五 月二十五 日目录1 绪论11.1 课题设计的背景11.2 课题设计的意义11.3 单片机简介11.4 超声波简介21.4.1 超声波的特性21.4.2 超声波的应用32 总体设计方案42.1 设计思路42.2 系统结构思路53 硬件电路及模块单元设计63.1 主要元件介绍63.1.1 STC89C52单片机63.1.2 超声波传感器83.2电路设计103.2.1 超声波电路113.2.2 超声波发射电路123.2.3 超声波接收电路123.2.4 超声波时序图133.2.5 电源设计133.2.6 显示电路143.2.7 复位电路143.2.8 时钟电路153.2.9 声音报警电路153.3 单元设计模块163.3.1 主控制模块163.3.2 超声波传感器模块173.4 测距分析174 软件设计194.1 主程序设计194.2 超声波测距程序设计205 系统调试215.1 故障调试分析215.2 测试结果分析216 设计总结22参考文献24致谢25附录26基于单片机的无线测距仪设计秦周南京信息工程大学滨江学院电气工程与自动化，南京 210044摘要：基于单片机的无线测距仪设计，该设计主要以STC89C52系列单片机作为该测距系统的核心控制端，利用超声波发射与接收声波测距的特性，准确无误地探测出智能小车后方物体的距离，再由核心控制端精密计算，最终计算出智能小车后方物体的实际距离，将之与设定的警报距离值进行比较判断，当测得距离小于警报距离值时，最小控制系统发出警报指令，致使蜂鸣器报警，以实现智能小车自动测距并报警功能。其中STC89C52是STC系列单片机里应用比较广泛的一款单片机，它的应用价值在自动控制领域里是非常高的，绝大部分的电子设计爱好者的对它的易用性和多功能性给出了很高的评价。关键词：超声波传感器；STC89C52单片机；测距Wireless distance measurement system based on MCUQinzhouMajor of Electrical Engineering and Automation of College of BinJiang of Nanjing University of Information & Technology，Nanjing 210044Abstract:This design mainly use STC89C52 single-chip microcomputer, and the production of ultrasonic sensor complete range alarm system. STC89C52 as main control chip, using ultrasonic to detect distance, the distance detected object behind the object, then single chip processing operations, compared with set alarm distance value judgment, when measured distance is less than the set value, the STC89C52 commands to control buzzer alarm. By the way, the STC89C52 is on STC series single-chip computer is widely used in a single chip microcomputer; enjoy a very high value in automatic control field. With its ease of use and versatility has been well received by the majority of electronic design enthusiasts.Keywords: microcontroller STC89C52; Ultrasonic sensor;Measuredistance1 绪论1.1 课题设计的背景随着城市的快速建设与经济上的繁荣快速发展，使得普通百姓的生活水平也在日益高升，由此带来交通运输业的蓬勃兴起，交通运输的安全性也越来越被更多人重视。也伴随着科学技术的疾速发展，超声波传感器将在众多测距传感器中成为使用最普遍的传感器。在发展空间方面，超声波传感器作为一种新式且其作用更为有效的测量工具，他将会在在各方面都将有很大的发展空间。同时，随着社会的日益发展，这也意味着它也要不断地完善与提升，高定位、高精度应该成为它的发展目标。本次课题设计主要采用了超声波在测距领域的精确测距的特性，我们将基于单片机的超声波测距仪应用于智能小车地尾部，模拟真实环境下的防追尾测距系统的功能应用。1.2课题设计的意义因为应用超声波进行距离测量的技术是一种非接触式的检测技术，由于该测距技术所受到的外界干扰因素的影响较其他方式小，另外在一些恶劣的环境下（腐蚀、潮湿、粉尘等等），超声波测距能完成其他测距方式所不能完成的测距任务，且测量值的准度也非常高。因而超声波测距具有了：高可靠性高，使用寿命长等特点。正是由于超声波具备了以上的良好特性，超声波被应用于空气中的测距，此外超声波在其他特殊环境下也有较广泛的应用前景。由上可知，超声波在距离测量方面展现了惊人的良好特点。它所具备的操作方便、计算简单、测量精确度高等特点，成为了我本次课程设计的不二选择。因此本次课程设计主要采用以单片机为计算核心并搭载超声波传感器进行测距的方案，使整个测距系统及时获取距障碍物的位置信息，达到测距报警的目的，以此来提高交通运输的安全性。1.3 单片机简介对于单片机发展历史的过程，我把它拆分为三个阶段时期：第一阶段-初级阶段：上个世纪中期，具体一点来讲是20世纪70年代， MCS-48系列单片机是Intel公司的代表作，其构成结构主要有CPU、并口、定时器、RAM和ROM。初级阶段的单片机受到指令系统执行能力差、计算机本身的存储容量又不大，并且普遍是小容量、再加上与外部的接口数量和能互相匹配上的接口类型很少等等，这些因素在很大程度上造成了对集成电路发展的限制，由于技术还处于起步阶段，早期的单片机只能达到实现简单的功能运行效果，最终也导致单片机在性能与造价上不成正比。第二阶段-发展阶段：上个世纪中后期，大概是20世纪80年代。MCS-51和MCS-96的成功研发问世，理所应当的成为Inter公司在单片机方面的典型代表系列。值得一提的是在单片机的操作位数方面，更是推出了8位和16位的单片机。由此可知，8位和16位的单片机在性能上得到了大幅度的提升，使得单片机指令功能有效地得以执行，为了增加兼容性，此时的单片机在原来的存储容量的基础上增加了I/O端口的种类和数量，不仅如此它还具备了A/D转换器，因此单片机应用范围得到拓展。第三阶段-高速发展阶段：上个世纪的末期也就是20世纪90年代。经过研发人员的几十年的探索与实践，单片机不管是性能上应用技术还是生产工艺上都在日趋完善。此阶段的单片机的性价比得到空前提升，随着带来了广泛的应用前景，也给从事单片机行业的技术人员来说，带来了更多运用的选择性。1.4 超声波简介我们知道，当物体振动时会发生波动，同时也会发出声音。那什么是频率？声波每秒钟振动的次数被科学界定义为频率，它的单位是赫兹。频率为2020000赫兹的声波是正常人所能接收到，换句话说，正常人能听到频率在2020000赫兹这之间的所有声音。然而当声波的振动频率在2020000赫兹区间之外时，人类的听觉便感知不到了。因此，超声波便由此而来：振动地频率高于20000赫兹。虽然如此超声波的物理特性并没有因为它的高频率而改变，换句话说它同一般的声波在本质上还是相接近的，因此也具有一般声波相同的特性，如反射、折射、干涉、衍射和散射等。1.4.1 超声波的特性（1）束射特性超声波的波长短，在空气中波长小于0.017m。另外，超声波的射线和光线所具备的一些特性十分相似。众所周知光线发射出去之后，遇到不同性质的物体能够发生一定角度的折回，也就是我们常说的反射、当光线穿过某一物质时，它会发生一定角度的偏离即折射，当然也能在一个固定的地点上聚集起来，我们称之为聚焦。反观超声波，超声波的声波射线和光线其实是大同小异的，而且用几何光学上的定律角度来看，对于超声波的声波射线也是可行的。即超声波的声波射线发射到某个物体上时，它也会从该物质表面发生反射现象。另外，当超声波的声波射线由物质一进入物质二时，我们前面已经推论过，事实是它也会像光线那样产生折射现象。（2）吸收特性通过实验的论证发现：声波在某一介质中传播时，介质本身会吸收部分声波的能量，因此导致声波在随着传播距离增加的过程中，其强度会逐渐减弱。如果在某一固定的介质中传播，振动频率越高的声波会被吸收地越厉害。一般情况下，在固定的气体的传播过程中，气体对频率相对稳定的声波的能量吸收能力较高，但是声波在液体中传播，声波的能量相对不容易被液体介质吸收掉就，声波在固体中传播时被吸收的能量是三种情况下最小的，因此声波在固体也是传播最远的。（3）能量传递特性超声波比普通声波具有更强大的功率，这就是超声波能在各个工业部门中得到广泛的应用的主要原因。那超声波强大的功率是从何而来的呢?这是主要因为：当声波产生之后总有一个途径会让他传播出去，那它在这种介质中传播的过程中，声波的传播作用改变了介质分子原来的静止状态，而且在声波的带动下，介质分子振动的频率慢慢地趋向于声波的振动频率，不仅仅是振动频率，就连介质分子的振动速度也是取决于声波的振动频率，频率越高那么速度就越大。介质分子由于受到了声波振动的影响，导致介质分子相互挤压的方式来获得能量。这个原因一方面跟分子本身的质量有一定的关系，但是更主要的因素还取决于分子振动速度，所以介质分子获得的能量与其分子的振动的频率成正比。因为超声波的频率相比于普通的声波而言，超声波具有更高的振动频率，所以介质分子可以通过超声波的振动获得更大的能量，换句话来说，介质分子要想得到足够大的能量，完全可以利用超声波的能量传播特性实现。（4）声压特性超声波的声压特性主要体现在，当声波进入某一介质时使改介质所受的压力产生变化，这种变化主要是由于声波的振动使介质分子相互之间产生了相互压缩和稀疏的作用。也正是这是由声波振动引起附加压力现象所以叫声压特性。1.4.2超声波的应用超声波不仅与物理联系紧密而且它的应用场景也相对灵活。通过对声波高频振动特性运用，加上电子计数器与光电开关相互结合，实现远程测量是超声波测距系统的一个重要特性。通过直线而不是曲线进行传播，是超声波传播的主要方式。其传播频率和绕射能力是成反比的，但和反射能力是成正比的。因此，超声波传感器就是基于这种原理被设计和制造出来的。由于超声波潜在的利用价值极大，人们经过了大量的研究和实验，已经研发出了多种多样的超声波发生器。一般而言，这些超声波发生器根据其产生方式不同大致能够被划分成两个类型：第一种类型的发生器所发出的超声波是通过电气的方式产生的，第二种类型的发生器所发出的超声波是通过机械运动的方式产生的。其中，电动类型、通过磁流导致伸缩的类型等都是属于电气产生的方式，而加尔统笛、液哨等则是属于机械运动产生的方式。对于这两种类型的超声波发生器，由于超声波在其中产生的时候伴随有不同的频率，不同的功率和不同的声波特性，所以这些发生器在用途上也都不一样。在实际应用中，如今使用比较多的超声波发生器是通过压电的方式产生超声波的。另外，超声波还具有的一个良好的特性就是超声波能够在规定范围内进行测量，方向把控能力强且能量消耗缓慢，这些特性为超声波能够更远的传播奠定了基础。因而在非接触式的测量方面超声波测距是首选方式，并且在测量精度方面也能达到日常使用要求，并且在一些恶劣环境下，如高温、高粉尘、高湿度和强电磁干扰，超声波测距所受的影响远小于其他测距方式。由此可见，此无论是在精确度还是可靠性方面，超声波测距的优势远超过其他测距方式，也适用于更大范围的应用场景，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面都运用到了超声波测距的基本原理。因此，我把超声波测距系统应用在本次智能小车测距设计上，以实现智能小车能准确而实时地进行测距报警功能。2 总体设计方案2.1 设计思路对于在距离的测量的方法上，从古至今已经发明了很多种。例如：小到最原始的是用简单的卡尺测量较短的距离；大到在远距离测量上，可以采用激光来进行测量等。目前在各个需要用到测距的领域，我们不难发现其中少不了超声波传感器。以单片机为核心控制端的测距仪器可以具备多种功能：既能够展现测量的距离值，又能实时监控并发出警报，另外加上单片机目前在市场造价低且性能高，将单片机与超声波传感器想结合，一来能降低整个课题实物产品的制作成本、同时还能保证测量质量；二来以单片机为核心的测距系统一定程度上保证整个设计产品工作的稳定性和可靠性，加上单片机本身的操作步骤的叫便捷更提高了实用性。这使得在测距仪的应用上，保证了整个系统的正常使用。而针对本次的课程设计题目和实际操作起来的场景来讲，我将此次的课程设计主要致力于模拟智能小车或者是公交车防追尾的实验环境，由设计的题目可知既然是防追尾，那首先就是要搭建测距功能与报警功能结合运用的框架。如何通过将这两项功能有效地结合在一起，形成一个完整的测距报警系统，由此我展开了此次课程设计的思路：采用以单片机为核心的最小系统，通过编译软件程序使以单片机为核心的最小系统发出各项运算指令，有效地将测距报警系统的各个功能模块衔接起来，并且完成测距、分析、报警等工作。因此我把目标集中在了运用单片机搭载超声波传感器的设计上。把具有一定频率特征的超声波通过超声波发射器发射到被摄目标上，一旦发射出的超声波遇到被摄物体时，根据超声波的传播特性，声波便会发生反射效应时，由超声波接收器接收到反射回的某一特征频率的超声波，让计时器立即计算出这其中超声波传输所用的时间并换算出距离，这是当前比较普遍的测距的原理。如超声波液位物位传感器，超声波探头等等。前面讲到了超声波的发射与传播机制，接下来便是讨论如何通过超声波传感器的发射与传播来计算距离。超声波和普通的声波性质是一样，即在标准空气中传播速度为每秒传播340米，众所周知：路程=速度X时间。我们目前已经知道了速度，接下来求得声波的传播时间，就能轻易算出这之间的距离。因此我采用12.0M晶振作为单片机最小系统的时钟电路模块。当超声波传感器的声波发射器接收发射超声波的指令之后，它便会立即朝着智能小车的后方实时发出超声波信号，并且在发射出超声波的那一刻起单片机的时钟电路开始计时。根据声波遇到障碍物会被反射回来的原理，超声波传感器的信号接收器只要在声波信号发射之后，一旦接收到被反射回来的发射信号，就将停止计时的指令回复给单片机的时钟电路，与此同时时钟电路停止计时。由此便能很容易计算出试验中的智能小车与障碍物之间的距离：测试距离=(高电平时间*声速)/2。根据超声波的距离计算公式即可计算出发射器与障碍物之间的距离（S），即：S=(v*t)/2。所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。因此本次课程设计所用的超声波传感器测距仪，不仅测量精度高，而且也适合中长距离测量。超声波能够在规定范围内进行测量，较强的方向把控能力且能量消耗缓慢，这些特性为超声波能够更远的传播奠定了基础，这恰好能被应用在距离测量的领域。正是由于单片机作为核心控制端搭载超声波传感器的测距系统，不仅提高了这个设计产品的便携性，而且在测量的准确度方面误差极小，所以我在本次课题设计之初制定出采用了单片机搭载超声波传感器进行测距报警的方案。系统采用STC89C52单片机作为核心控制器,在智能小车移动的过程中，由测距仪进行实时距离的探测与对比，当无线测距仪通过对超声波传播时间的运算得到实际的距离值之后，主控制器便会拿实际的距离跟系统设定的距离报警值进行对比，当测量出来的实际距离值小于系统初始设定的报警距离时，蜂鸣器收到报警指令后就会立即报警。2.2 系统结构思路课程设计的想要实现的功能决定了系统的结构。如我本次想要完成基于单片机的超声波测距仪系统设计，并且想要实现超声波传感器无线测距、单片机运算、蜂鸣器报警等等功能。那我的系统结构便主要由控制运算指令的单片机最小系统、能够测量距离的超声波传感器、提供警戒报警的蜂鸣器、设置参数的按键、显示距离信息的四位共阳数码管显示电路及提供电源的电源电路等等必要的结构组成。系统主要功能包括1：（1）STC89C52单片机最小系统：主要控制计时器计时，数码管显示以及距离的计算等；（2）超声波发射与接收电路：控制声波的发射与接收，为距离的测量工作提供计算时间的依据；（3）四位共阳数码管：实时显示距离；（4）按键：负责给单片机最小系统输入设置指令，比如加键、减键、复位键；（5）复位电路：当系统运行的过程中出现不正常的状况时，为了保证整个系统的正常运行可通过复位电路进行系统初始化；（6）时钟电路：负责整个系统的计时工作；（7）电源电路：为整个系统提供稳定的电压输出。本次基于单片机的无线测距仪设计主要包括硬件电路和软件程序设计两个部分。数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警机制是整个硬件电路的主要组成模块。程序设计主要体现在，设计出编码语言让单片机计算系统实时计算出距离值并发出报警反馈上。如图1所示：系统方框结构图。图1 系统方框图3硬件电路及模块单元设计3.1 主要元件介绍3.1.1 STC89C52单片机单片机是指将具有强大运算功能的系统集成在一块芯片上的微型计算机。既然是微型计算机，单片机也同样具有跟普通计算机相同的功能结构，我们知道普通计算机具备的功能模块有：进行运算和控制功能的CPU，进行数据存储的RAM，进行程序存储的ROM，控制系统需要与外部设备发生连接时所需要的控制串行口、并行口的输入/输出设备，除了以上这些模块，单片机还有对内外部指令进行执行与中断的信号中断系统，也有控制时间计数的定时/计数器等等。单片机都将这些功能模块集中在一起并加以实现，所以单片机又被叫做是微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。相对于普通计算机笨重的主机，单片机展现出了体积小、分量轻、性价比高优势，而且实现自动检测与控制，因此单片机也被称为嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicrocontrollerUnit)。本课程设计所使用的STC89C52单片机在外表封装方面，采用的是目前比较普遍的塑料双列直插式（DIP）封装技术，由于从芯片引出来的管教较长，更利于我们在搭建电路板块时，对单片机模块的焊接。而在内部性能方面，STC89C52单片机则表现的更为强大，它的强大主要表现在：不仅对电压值的要求低，以便满足普通的小实验设计要求与实际的运用，另外STC89C52还搭载了高性能CMOS 8位微控制器内含8k字节的可反复擦写的Flash，只读程序存储器（ROM）和512k字节的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，这使得STC89C52在功能表现好不逊色，足以完成普遍的实验设计的要求。由此看来，内置功能强大的STC89C52单片机为我此次的课程设计。在单片机系统运算方面提供了高性价比的解决方案。下面具体的介绍STC89C52的强大内置功能，低功耗高性能的特点是STC89C52单片机主要吸引单片机设计爱好者的重大因素之一，它所据有的引脚数一共有40个，其中32个引脚可以作为外部双向输入/输出（I/O）端口，同时负责内含外部中断口有4个，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口等等，STC89C52都将这些功能与通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，这样一来又让STC89C52的高性价比得到了提升，另外让Flash存储器实现了可反复擦写，不仅利于爱好者们的多次试验测试还可有效地降低开发成本。其引脚图如下图2所示2。 图2 单片机引脚图从图3我可知道STC89C52单片机一共有40个引脚，每个或某一类引脚都有各自指向的作用，本次设计我进运用到了只有单片机中的P1系列端口、P2系列部分端口、RST端口、0 INT0/INT1端口、WR端口、RD端口、时钟源端口、主电源端口，其主要引脚功能如下：（1）主电源引脚单片机必须在通电的情况下才能正常使用，所以为保证正常运行和编程校验，必须将第40位引脚-VCC引脚接电源正极；此外，光VCC接电源正极是不够的，为了形成一个回路，我们还需将第20位引脚VSS引脚接地，这也是我们常见的GND引脚。（2）时钟源引脚单片机的时钟引脚有两个，即第19位引脚XTAL1引脚和XTAL2引脚。XTAL1和XTAL2分别是单片机片内反相器的输入和输出端口，它们的作用主要是用来给单片机控制器里的时钟电路提供外部震荡源。在接法上，应将外部晶振的两个引脚分别接在XTAL1与XTAL2端口上，另外由于使用的情况不同，两个端口接法也有所差异。如在设计试验中直接采用外部震荡信号的话，那就应该把XTAL1引脚接地，而将外部振荡信号源与XTAL2的端口想连接；而在单片机使用内部时钟时，应该将XTAL1引脚和XTAL2引脚接石英晶体和电容。（3）复位引脚为了提高单片机在运行过程中的抗干扰能力，而且保证整个电路的稳定工作，STC89C52还具备复位功能RST第9位引脚，RST作为RESET复位信号输入端口，为了让单片机能够正常工作，当给系统连续输入2个周期以上的有效高电平时，复位引脚接收到高电平信号后，使得整个系统完成复位初始化操作。（4）多功能I/O端口引脚由图可知，STC89C52一共具有4类I/O端口，分别是P0、P1、P2、P3口。顺便补充一句，在这4类I/O端口中P3口还具有第二功能，在下文我会简单地介绍。单片机的第3932引脚分别是P0口的P0.0P0.7端口，对应着8位漏极开路的双向I/O端口。在P0口作为输出端口的时候，这8个引脚端口能驱动8个TTL逻辑门电路，在对这8个端口进行赋值定义的时候，只要写入“1”就意味着将这些端口设置为高阻抗输入端。此外当P0提供低8位地址和8位数据总线，只能在访问数据存储器或程序存储器的情况下才能实现，并且只有激活内部上拉电阻才能算是有效的。单片机的第18引脚分别是P1口的P1.0P1.7端口，与P0口所不同的是：P1口是8位具有内部上拉电路的准双向I/O端口。要想将它在用作为低8位地址总线，只能在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时才行。单片机的第2128引脚分别是P2口的P2.0P2.7端口，它和P1同样是8位具有内部上拉电路的准双向I/O端口。但是和P1端口有所区别的是：当单片机访问存储器时，P2口在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，用做高8位地址总线。单片机的第1017引脚分别是P3口的P3.0P3.7端口，它具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。与其他3个I/O端口有不同的是，它有其他端口不具备的第二特殊变异功能。也就是说，P3口既能独立定义原来的I/O口功能，也能定义第二变异功能。第二变异功能的具体含义如表1所示：表1 引脚第二功能表端口引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2INT0 （外中断0）P3.3INT1 （外中断1）P3.4T0 （定时/计数器0）P3.5T1 （定时/计数器1）P3.6WR （外部数据存储器写选通）P3.7RD （外部数据存储器读选通）（5）WR/RD端口引脚在对P3端口的介绍中，我们知道WR和RD是P3端口的第二特意功能中的两种，当前作为第二特意功能时，只要将外部数据存储器接入这两个端口，即可对外部数据进行读写功能了。3.1.2 超声波传感器我们通常提到的超声波传感器具体来讲是这样的一种传感型设备：它一方面可以自己产生一定频率的超声波，在产生超声波之后，与此同时它也可以接收碰到被摄物而被反射过来的声波信号。因此，它还有另外一个名称，那就是超声换能器。一般情况下，我们选择的超声波传感器都是以压电的方式来产生超声波的，这种传感器的探头通常是用晶体材料或者陶瓷材料制成的，这些材料也要通过压电处理，而探头的工作原理正是利用这些通过压电处理过的材料所产生的压电效应，如图3所示3。图3 超声波传感器结构超声波传感器的探头由分为两种，一种是用于发射，称为发射探头，一种是用于接收，称为接收探头。发射探头通常是利用逆向的压电效应来工作的，其原理是在逆向的压电效应中，频率较高的电振动会被转化称为同等高频率的机械振动，通过这样的方式来产生超声波。而接收探头通常是利用正向的压电效应来工作的，其原理是把传感器产生的带有振动的波形转化成电信号。对于超声波传感器探头而言，其最重要的部分是一块通过压电处理过的晶片，这个晶片储藏在探头外部的包裹之下，而探头的外部材料通常是塑料材质或金属材质的。超声波传感器之所以能发射和接收超声波，这块经过压电处理的晶片起到了决定性的核心作用。另外，衡量超声波传感器的优势和性能特点主要依靠以下三个参数：第一个衡量参数是传感器的工作频率。传感器工作时所产生的频率是由经过压电处理的晶片在共同振动时所产生的频率决定的。也就是说，增加超声波传感器灵敏度的方法，就是通过调节使得传感器的工作时所产生的交流电的电压频率和晶片共同振动时所产生的频率一致，这样能产生巨大的能量和超高的灵敏度。第二个衡量参数是传感器的工作温度。因为通过压电处理过的材料，通常来说其居里点都很高，但是超声波探头在测量物体距离时所消耗的功率很小，这就导致了其工作时的温度几乎不会发生变化，这样传感器就能连续工作而不至于因为温度的剧烈变化而失去作用。第三个衡量参数是灵敏度。传感器灵敏度的高低主要是由其生产制造过程中所使用的晶片决定的。而晶片的机械和电力之间的耦合系数是和灵敏度成正比的。3.2电路设计针对本次课程设计的目的和要求，我把系统的整体硬件电路主要划分成超声波接口电路，单片机的最小系统、数码管的显示电路、蜂鸣器的报警电路、电源接口电路，按键电路六大主要硬件部分来做，最后他们之间通过软件指令的形式连接在一起4。如图4硬件电路图。 STC89C52 超声波传感器c 数码管 按键图4 硬件元件电路组图3.2.1超声波电路通过内部原理图，可以发现超声波传感器中的反相器和超声波发射换能器主要构成超声波传感器的发射电路。超声波的接收器、两级放大电路和锁相环电路则构成了超声波传感器的接收电路。发射电路与接收电路的结合实现了超声波传感器发射与接收声波的功能5。超声波电路原理图如图5所示：图5 超声波发射电路原理图3.2.2 超声波发射电路超声波传感器中的反相器和超声波发射换能器主要构成超声波传感器的发射电路。单片机的第12号引脚INT0端口输出8个频率在40kHz左右的方波信号，这个信号分成两路形成一个回路，其中超声波换能器的一个电极接收到的信号是由一级反向器推送到，而超声波换能器的另一个电极所接收到的信号则是由两级反向器推送到。为了提高超声波的发射强度，我将方波信号以推换的形式加到超声波换能器的两端，另外把两个反向器连接方式设置为并联的连接方式，用以提高传感器的驱动能力6。图6 超声波发射电路原理图3.2.3超声波接收电路与发射电路所不同的是，超声波传感器的接收电路由三部分构成。如图7所示：图7 超声波接收电路原理图一、超声波接收器，其作用主要负责对发射出的超声波进行回波的接收；二、两级放大电路，由于接收器接收回来的反射波信号比较微弱，以至于传感器难以对其进行解析，所以我们利用放大电路来把接收到的反射波信息进行放大；三、锁相环电路，锁相环电路起到一个向单片机控制器发出中断信号的作用，这意味着测距已经成功完成向。其工作的模式为：反射源信号经过放大以后，通过对信号的解析，只要接收到符合要求的频率信号，单片机控制器就会接到来自锁相环电路发出的中断请求。由于发送的超声波频率为40kHz左右，为了提高超声波接收器能够准确接受到反射波，也为了避免其他频率信号的干扰，我在调整相关元件的时候，将40kHz设置为锁相环的中心频率，这样一来，锁相环电路很大程度上只能响应该频率的信号，有利于其对反射波的接收。因此超声波接收器的整个运作流程变清晰明了，首先反射回来的超声波信号经超声波接收器接受后，然后两级放大器将其进行一次放大，最后，锁相环电路开始检测反射波的频率，如果反射波的频率为40kHz，传感器则从Echo脚发出低电平中断请求信号，单片机P3.3INT1端立即变成低电平并使得定时器T0停止计时工作。3.2.4超声波时序图通过超声波时序图可以看出，在系统的运行过程中如果要想让超声波发射器发射出超声波，我们只需要给传感器的TRIG端持续不断地提供一个10uS 或者以上触发信号，传感器的发射电路接收到触发信号之后，便会自动响应使得超声波发射模块相应的循环发出8 个频率大小是40kHz的周期的高电平，与此同时传感器的接收器开始实时检测回波。只要传感器的接收电路检测到有回波信号，则传感器的ECHO引脚便开始输出回响信号。且回响信号的脉冲宽度与所测的距离成线性比例。超声波传感器的测距功能就是这样实现的：通过发射器发射信号，然后接收器收到的回响信号，最后送到最小系统处理运算，得到两者之间的时间间隔，系统就可以计算得到距离了7。且距离=高电平时间*声速（340M/S）/2。触发信号输出回响信号模块内部发出信号图8 超声波时序图3.2.5电源设计电源电路如图9所示。图9 电源电路3节1.5V电池为整个电路系统提供了稳定的电源保障，另外，为了使系统在上电之后有一个直观的表现，我在电源电路中加了一个二极管作为电源指示灯，若电源通电，二极管则为常亮状态。3.2.6显示电路显示电路如图10所示。图10 显示电路系统为了能够实时展现智能小车与后方的障碍物之间的距离值，我在电路中加了一个四位共阳数码管组成动态显示电路8。数码管的显示由STC89C52的P1口控制输出，传感器动态接受反射波过程中，控制器在距离测量结束后开始调用显示程序，将主控制器计算出的距离值通过P3端口中的P3.4-3.7口送到数码管并显示出来，这样我们就能清楚实时的距离变化了。3.2.7复位电路STC89C52单片机的第9位引脚是一个专门用来解决外部复位功能的一个RESET引脚，系统外部的复位电路可通过这个复位引脚输入一个正脉冲信号从而让单片机强制地重启运行系统，当我们出发了复位引脚的时候，整个单片机系统便会进入到一个初始的工作状态，这就叫所谓的复位。在实验的过程中为了控制系统能够正常运行或者为了提高对系统的干预性，本次设计采用的是电平式开关与上电复位电路，以此来强制对系统进行复位。如果在系统出现不正常运行的时候，我要想在系统中实现复位初始化功能，在一般的情况下我只要通过时钟电路让RESET这个引脚端持续获得2个高电平，并且周期为两个机器周期，这样一来当系统在运行过程中出现意外的情况后，我就可以通过复位电路完成复位操作，保证系统的正常运行了9。至于机器周期的问题，根据所采用的晶振类型不同，机器周期也会随之产生变化，以频率为12MHz的晶振为例，复位信号持续时间应不小于2us。如图11示为复位电路。图11 复位电路3.2.8时钟电路反向放大器包含两个引脚，分别是输入引脚XTAL1和输出引脚XTAL2。片内振荡器是这个反向放大器主要配置，我们经常使用的石晶振荡和陶瓷振荡就是时钟电路中的一个很好的运用实例。如果，在设计过程中采用的是外部时钟源驱动器件时候，我们要特别注意：XTAL2应接地。通过学习，我们知道6个状态周期形成一个大的周期，我们把它定义为单片机的一个机器周期，而状态周期下面又可以划分出振荡周期，并且是2个振荡周期组成1个状态周期，所以一个大的机器周期中可以包含6个状态周期和12个振荡周期10。举一个具体的例子来讲，如果我把振动频率12MHZ作为外接石英晶体振荡器，由此可以推算出：一个振荡周期为1/12us，那机器周期=振荡周期*12，所以当频率为12MHZ时，机器的周期就为1us。如图12所示为时钟电路。图12 时钟电路图3.2.9声音报警电路如下图所示，系统中的声音报警电路主要是由蜂鸣器、三极管、2K电阻3个元件构成，在实际测量中只要测量值小于警报值，单片机的P2.3端口就发出一个信号声音报警电路，使得蜂鸣器开始啸叫，达到报警效果。如图13示为声音报警电路11。图13 声音报警电路3.3单元设计模块3.3.1 主控制模块主控制最小系统电路如图14所示。这部分主要控制计时器计时，数码管显示以及距离的计算等等功能12。图14 最小系统3.3.2超声波传感器模块在此次基于单片机的超声波测距仪的设计在超声波传感器的模块选材上本次设计采用的元件是现成的HCSR04超声波传感器模块。这个超声波模块起到实现非接触式距离感测功能的作用，其规格为2mm测距精度和0.02m-4m的测距量程，该型号传感器在测距和误差的两个范围方面足以满足设计要求。超声波传感器包括以下三个功能模块：超声波发射器负责发射超声波、接收器负责接收接收回波以及总体的控制电路。它的一个基本的工作模式大致为：TRIG端持续不断地提供一个10uS 或者以上触发信号，传感器的发射电路接收到触发信号之后，便会自动响应使得超声波发射模块相应的循环发出8 个频率大小是40kHz的周期的高电平，与此同时传感器的接收器开始实时检测回波。只要传感器的接收电路检测到有回波信号，则传感器的ECHO引脚便开始输出回响信号。且回响信号的脉冲宽度与所测的距离成线性比例。超声波传感器的测距功能就是这样实现的：通过发射器发射信号，然后接收器收到的回响信号，最后送到最小系统处理运算，得到两者之间的时间间隔，系统就可以计算得到距离了。图15为实物图。其中VCC：需要提供5V电源，GND：负责接地线，Trig：触发控制信号输入，Echo：回响信号输出。图15 超声波模块实物图3.4测距分析在本次的测距报警系统的设计中，我采用的是市面上较常见的STC89C52单片机作为核心主控制器，它的其中一项功能就是控制超声波发射器的触发脉冲，以及超声波发射电路触发脉冲的开始时间，并且在超声波接收器接收到反射波的时候，能够立即响应回波时刻，同时开始计算声波从发射到被接收这之间所消耗的时间差，最后进行距离值的处理运算13。在此系统中我采用12.0M晶振作为单片机最小系统的时钟电路模块。当超声波传感器的声波发射器接收发射超声波的指令之后，它便会立即朝着智能小车的后方实时发出超声波信号，并且在发射出超声波的那一刻起单片机的时钟电路开始计时。根据声波遇到障碍物会被反射回来的原理，超声波传感器的信号接收器只要在声波信号发射之后，一旦接收到被反射回来的发射信号，就将停止计时的指令回复给单片机的时钟电路，与此同时时钟电路停止计时。由此便能很容易计算出试验中的智能小车与障碍物之间的距离：测试距离=(高电平时间*声速)/2。根据超声波的距离计算公式即可计算出发射器与障碍物之间的距离（S），即：S=(v*t)/2。所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。因此本次课程设计所用的超声波传感器测距仪，不仅测量精度高，而且也适合中长距离测量14。其中v是超声波在空气中的传播速度（340m/s），t是计时器记录的时间。测距公式为：S=V*T。公式中S表示测量距离；T表示测量距离计时的时间差（T=t/2）。超声波测距的应用场景很多，主要包括倒车提醒、工业现场、建筑工地、雷达测试等场景，但是超声波测距也有一些不足之处，虽然测量长度上能达到上百米的测量范围，但是在测量精度上面目前还停留在厘米数量级。超声波的优点还体现在可以定向发射，方向把控能力强，信号强度易于控制，基于这些优点，超声波技术成为了液体测量的主要手段，但是在比较精密的液体测量中要求测量精度达到毫米级精度，就目前国内的超声波测距仪都只能达到厘米级精度要求，所以目前技术领域还需要做不断的研究。如图16所示：图16 测距原理图由测距原理分析可得： （ 3-1 ） （ 3-2 ）又知道超声波传播的距离为: 2S=vt （ 3-3 ）.将（32）、（33）代入（3-1）中得： （ 3-4 ）其中,超声波的传播速度v在相对稳定的温度情况下是不变化的(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(34)变为: H=12vt （ 3-5 ）所以，只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H。4软件设计4.1 主程序设计我们知道在整个单片机程序在开始运行的时候，都会首先执行初始化、自检操作，保证系统接下来的正常运行。随后才是主程序，各模块和子程序。要想让单片机系统能够实现一定的功能效果，是离不开单片机程序的设计，我们可以理解为程序就像一条条指令一样教导单片机完成各种任务。在本次超声波测距仪的软件设计方面，我根据各个模块实现的功能不同划分出了6大程序分类；即：主程序、控制超声波发射的超声波发生子程序、控制超声波接收的超声波接收中断子程序、负责计算距离的距离计算子程序、实时显示距离数据的显示子程序、外部指令键入的键盘处理程序。将整体程序拆分开来，分工完成各自要实现的功能语句，有利于我能够清晰把握每个模块的作用与设计进度15。图17 主程序流程图如上图17所示是在系统接通电源之后，单片机首先执行的是系统初始化程序，紧接着单片机主控制器，给超声波传感器发出信号，控制超声波传感器的发射端产生超声波，同时系统的计时工作由定时器T1开始负责。CPU循环检测P3.3INT1引脚，当INT1端为低电平时，超声波传感器的接收端开始接收到回波，并立即让T1端停止计时，控制器开始统计超声波从发射到接收回波所用的时间，并记录好该计数值16。4.2 超声波测距程序设计在设计超声波发生子程序的时候，我结合具体的超声波传感器在实际中运用，将传感器的发射脚Trig定义给P3.2ITN0端口，将接收脚Echo定义给P3.3ITN1端口。在系统通电之后，主控制器通过ITN0端口自动发送8个频率在40kHz左右的方波脉冲信号，并且持续最少10us的高电平信呈，与此同时系统的计时工作由计数器T1开始进行，另外在本次课程设计中，我将模式0设定作为定时器T1工作方式。在发出超声波信号之后，接下来就是对超声波回波信号进行处理工作了。通过对本次电路运算过程的分析，我选择用外部中断1来检测遇到障碍物之后所返回来的超声波信号，以此来实现超声波测距仪接收中断程序17。只要传感器的接收端接收到返回超声波信号，此时ITN1引脚变为低电平，系统立即进入中断程序。计时器T1在中断程序执行后，也马上由计时状态进入停止状态，如果在计时器未溢出前，接收器成功检测到了回波信号，则将完成测距任务的信号赋值1。相反，如果超声信号尚未被发现，然而此时定时器快溢出，那么外部中断1就会把定时器T1溢出进行中断关闭，将完成测距任务的信号赋值0，代表着此次测距不成功18。图18 超声波探测程序流程图5系统调试在整个产品完成设计之后，由于是实物设计，无法模拟调试，只能通过实物调试进行检查。所以首先对单片机最小系统进行调试，以确保最小核心控制端能够正常使用，其次在硬件各项元件检查无误后，可以考虑把简单的流水灯程序在单片机最小系统试运行起来，判断单片机系统能否正常使用。在单片机的最小系统经过测试能够正常运行之后，在软件调试完成的基础上，将超声波程序烧入单片机内，观察数码管显示的距离是否正常，并在此基础上对系统的软件和硬件进行修改，直至数码管能够稳定地显示超声波测距仪与障碍物的距离为止，整个系统调试完毕。系统实物图如图19所示。图19 实物展示图5.1 故障调试分析（1）线路错误在实际的焊接硬件电路的过程中，由于线路走线较多，所以极其容易焊错电路。比如刚开始单片机不正常工作，查找原因后是超声波接收电路的电阻焊错了，以至于接收电路始终不能正常接收到信号。（2）测距盲区本次设计调试过程中为避免超声波发出的波直接回到接收端，在软件的距离计算部分设置了一个延时，这就是超声波的测距系统会有一个最小可测距离的原因，它使系统的最小测量距离为2cm，大于2cm的距离均可连续显示，不会出现大于2cm的误差。5.2 测试结果分析本次设计的超声波测距系统，能够检测到距离为2cm-200cm范围内的障碍物，距离测量的误差在2cm以内，并能在规定的距离10cm内进行报警提示。距离测量的结果如表2所示：表2 测距误差表实际测距（cm）测量距离（cm）误差（cm）1010.50.5121202524-13534-110099-1150148-2通过测试分析发现，超声波测距仪基本上能达到起初本设计的最