超声测距模块的设计与实现 毕业论文.doc

本科毕业设计论文 题 目 智能小车实验平台超声测距模块的设计与实现 系 别 电气与信息工程系 专 业 电子信息工程 班 级 电信xxx 学号 xxxxxxxx 学生姓名 xxxxxx 指导老师 xxxxxxxx 2010年6月摘 要摘 要实验教学对工科学生来讲是至关重要的，实验是培养学生动手能力、工程实践能力以及创新能力的重要途径。智能小车实验平台是针对大学本科学生进行控制实验、大学生电子设计竞赛、业余科技活动等设计的一种实验平台，在此平台上可以进行运动控制、测量、通信等多种实验。智能小车需要测量距障碍物的距离，以便实现转向、避障、寻迹等动作。由于超声波指向性强、传输距离远，采用超声波测距是一种既方便又快捷的方法。本文设计介绍了一个以MCS-51单片机为核心的超声波测距模块。该设计由超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路和串口通信电路等组成，由单片机产生超声波的发射信号和对超声波传播时间进行测量。电路当中采用CMOS门电路作为超声波的桥式驱动，采用集成芯片CX20106A作为超声波接收电路，集成度高，电路简单。通过对实验电路和程序进行调试和运行，结果表明，该模块具有硬件结构简单、操作方便、工作可靠以及很好的抗干扰能力，能准确测量出与障碍物之间的距离，达到了设计要求。关键词：超声波测距，MCS-51单片机，CX20106AVABSTRACTABSTRACTExperiment teaching is very important to the engineering students. Experiment is an important way to develop the ability of students practical, engineering practice and innovation. Smart car test platform is an experimental platform which is designed for undergraduate students in the control experiment, Undergraduate Electronic Design Contest, amateur science and technology activities. On this platform, students can do exercise control, measurement, communications and other experiments. Smart car need to measure the distance from obstacles in order to achieve steering, obstacle avoidance, tracing and other activities. As the ultrasonic has a strong point and high advantages, using ultrasonic ranging is a convenient and efficient method.This text describes a design of MCS-51 single chip micyoco as the core of ultrasonic ranging module. This design is made up of the ultrasonic transmission circuit, ultrasonic receiver circuit, display circuit and the serial communication circuit etc. Single chip micyoco generating ultrasonic transmission waves and measuring the propagation time. Circuits which use CMOS gates as ultrasonic Bridge Drive, receiving circuit is improved by using the integrated chip CX20106A, it has high integration and simple circuit.Through the experimental circuit and procedures for testing and commissioning, The results show that the module has some abilities such as simple hardware structure, easy to operate, reliable and good anti-interference ability. It can measure the distance between the car and the obstacle accurately, meet the design requirements.KEY WORDS: Ultrasonic ranging, MCS-51 single chip micyoco, CX20106A目 录目 录摘 要IABSTRACTIII目 录V1 绪 论11.1 设计的背景及意义11.2 超声波测距的国内外研究现状11.3 本设计所做的工作31.4 论文的结构安排32 超声波测距模块的系统设计52.1 超声波测距系统测距方案的比较与选择52.3 超声波测距的原理52.3 智能小车的系统方案62.4 超声波测距模块的方案设计93 超声波测距模块的硬件设计113.1 单片机外围电路设计113.1.1 单片机设计方案比较113.1.2 SST89E564RD单片机的特点123.1.3 LED显示电路与键盘控制电路的设计143.2 超声波发射电路设计163.3 超声波接收电路设计193.4 串口通信与蜂鸣器电路设计214 软件设计与系统调试234.1 软件程序及流程图234.1.1 主程序流程图234.1.2 发射程序与接收流程图244.1.3 中断子程序及流程图254.1.4 距离计算与显示子程序264.2 PCB板的设计274.3 系统调试285 结论与展望335.1 结论335.2 展望33致 谢35参考文献36附录37附录一：原理图错误！未定义书签。附录二：源程序错误！未定义书签。附录三：英文翻译错误！未定义书签。绪 论1 绪 论1.1 设计的背景及意义实验教学对于工科学生来说是一个重要的环节，实验教学过程中不仅调动了学生的积极参与意识和表现意识，而且更全面地掌握了理论和实践相结合的过程，更好地为学生创造了自我展示，自我提高的空间，也是锻炼了学生多方位的解决实际问题的能力。只能小车实验平台是为实验做准备的，是实验的基础，智能小车实验平台是为了提高大学生的动手能力，配合各类电子设计竞赛、控制实验、科技活动等而开发的通用设计平台。在此平台上大学生可进行多种实验，如测量、传感、通信、控制、定位等。为了能很好的在平台上控制小车，实现转向、避障、寻迹等动作，我们就需要对小车的位置有着准确的掌握，因此智能小车需要通过测量，来判断其与障碍物之间的距离。尽管测距有多种方式，譬如，激光测距、微波测距、红外线测距和超声波测距等。但由于超声波的指向性强，属于直线传播；且频率高，反射能力强；能量消耗缓慢，容易控制等特点，使其在与距离、反射、定位、探伤等测量中获得了广泛应用。在用超声波进行距离测量时，其指向性强、传输距离远、受环境影响小，传播时间容易检测, 而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠，成本低等特点，因此在智能小车实验平台上采用超声波测距是一种比较的成熟方法。超声波测距是基于蝙蝠等无目视能力的生物防御及捕捉猎物生存的原理,利用超声波借助空气媒质传播（用于测距领域的超声波频率为20kHz400kHz 的频段，空气介质中常用40kHz），通过遇到障碍物反射回来的时间间隔长短及被反射超声波的强弱判断障碍物性质和位置的方法。1.2 超声波测距的国内外研究现状目前，离我们生活最接近的超声波测距应用就是倒车雷达。倒车雷达，即汽车泊车安全辅助装置，也称倒车防撞雷达。它能以声音或更为直观的显示告知驾驶员车辆周围是否有障碍物，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶者扫除视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达通常由智能控制器、摄像头、超声波传感器(俗称探头)、显示设备、语音设备等部分组成。倒车雷达利用超声波测距原理工作。在倒车时,倒车雷达会自动启动，并在智能控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波信号，当遇到障碍物时，产生回波信号，探头接收到回波信号后经控制器进行数据处理并计算出车体与障碍物之间的实际距离，然后通过显示或语音设备提示给驾驶员，使其停车或倒车更容易、更安全。一个探头的正常测试范围的夹角为90度，所以要想在整个车尾后面提供探测，至少需要2个探头。超声波测距也有他固有的一些缺陷，首先是超声波在空气中衰减较大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，是回波到达时间的测量产生较大的误差。其次是超声波脉冲在发射、空气中传播和接收过程中，其回波信号被展宽。由于超声波接收、发射传感器均由压电陶瓷构成，压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，均存在惯性、滞后等现象，导致回波信号被展宽，另外超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，也导致回波信号被展宽。这些因素造成了回波正确到达时间的不确定性，对测量精度造成较大的影响。当然还有温度和风速的影响，但影响超声波测距精度的主要还是回波到达时间的检测误差，正确检测回波到达时间，能是超声波测距精度获得提高。以下两种方法可以提高超声波测距系统的测量精度，一种是采用时间增益补偿技术，补偿超声波在空气中的衰减，减少回波信号的起伏；另一种采用由有源全波整流电路和微分电路等组成峰值时间检测电路，可以正确检测回波的峰值到达时间。随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。自动泊车系统,可以使汽车自动地以正确的停靠位泊车, 通过遍布车辆周围的超声波探头测量自身与周围物体之间的距离和角度，然后通过车载电脑计算出操作流程配合车速调整方向盘的转动，驾驶者只需要控制车速即可。该系统包括环境数据采集系统、中央处理器和车辆策略控制系统,环境数据采集系统包括图像采集系统和车载距离探测系统,可采集图像数据及周围物体距车身的距离数据,并通过数据线传输给中央处理器；中央处理器可将采集到的数据分析处理后,得出汽车的当前位置、目标位置以及周围的环境参数,依据上述参数做出自动泊车策略,并将其转换成电信号；车辆策略控制系统接受电信号后,依据指令做出汽车的行驶如角度、方向及动力支援方面的操控。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、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。1.3 本设计所做的工作本设计是以51单片机为核心的超声波测距系统，利用单片机控制超声波发射电路产生40kHz的方波，通过定时计数器，利用发射波与回波的时间差，计算并显示出实测距离。所以，本次设计需要做好以下工作：（1）了解超声波的原理，学习和查阅单片机应用等相关资料，设计系统方案，（2）学习PROTEL99SE工具软件的使用方法；设计超声波发射、接收电路，键盘电路，显示电路等电路，（3）采购原件，在面包板上搭实验电路，（4）学习KEIL7.50软件，并用用汇编语言编写程序并进行调试，（5）进行电路的测试和程序的调试，记录测试的数据、结果。1.4 论文的结构安排本论文的结构安排为：第一章 绪论，主要介绍了设计背景、意义以及研究现状和主要的工作情况；第二章 超声波测距模块的系统设计，主要介绍了超声波测距模块的系统选择方案以及超声波测距原理；第三章 超声波测距模块的硬件设计，介绍了单片机外围电路的设计情况以及各个模块之间的工作关系；第四章 软件设计与系统调试，主要介绍了软件的设计情况、主程序流程图、PCB板的设计以及调试和测试的结果；第五章 结论与展望。51超声波测距模块的系统设计2 超声波测距模块的系统设计超声波测距是利用超声波在空气当中的传播时间来计算传播距离的，当受控制的超声波发射出去后遇到障碍物产生回波，这个时间差的测量是超声波测距的关键，所以超声波测距需要发射、接收、记时、显示等工作。为了能使这些模块之间相互配合，完成测距工作，就需要对超声波测距系统有一个比较完善的系统设计方案。2.1 超声波测距系统测距方案的比较与选择随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。雷达测距受恶劣天气的影响较大，且成本比较高，雷达还必须满足电磁兼容要求；红外测距安全，但测量范围窄，若精度要求高的话成本也会更高；激光测距速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强，但制作难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量。与其他测距方法相比较，超声测距具有以下的优点：(1) 超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)，可在黑暗、有灰尘或烟雾的环境当中使用。(2) 超声波对电磁场及其他电磁干扰不敏感，可用于电磁干扰强、有毒、有害等恶劣环境中。(3) 超声波传感器结构简单、体积小、成本低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。当然超声波测距也有一定的缺点，譬如会受温度、气流、材质等的影响。综上所述，再结合此论文的设计目标，我认为采用超声波测距最符合设计要求。目前，利用超声波测距的方法主要有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测法的测量精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受环境反射波的影响；渡越时间检测法工作原理简单、直观，在硬件控制和软件设计方面容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波到经空气介质传播后接收传感器接收超声波的时间差，即渡越时间t，那么距离s=ct(t为声速)。t可由单片机通过计脉冲个数的方法实现,因此我决定选用渡越时间检测法（TOF，time of flight）来进行超声波测距。2.3 超声波测距的原理超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。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时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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，就成为超声接收波换能器。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，测距原理如图2-1所示，距离公式为s=ct/2，其中c为声速。通过测量发射与接受装置之间的距离h， 利用直角三角形可求得。因为sh，则ds，d=s= ct/2。本测量电路采用第二种方案。 目标hdS图2-1 测距原理图在空气中，常温下超声波的传播速度是334米/秒，但其传播速度v易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1，声速增加约0.6米/秒。声速与温度关系如表2-1所示。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过对温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度T时，超声波传播速度V的计算公式可近似如下：V=331.5+0.607T这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及现场环境温度T，就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。表2-1 声速与温度关系表：温度（）-30-20-10010203040声速（m/s）3133193253323383443503562.3 智能小车的系统方案智能小车的系统结构设计如图2-2所示，所设计的小车要能达到以下功能及特点：自动避障功能、四轮驱动、红外寻迹功能、语音播报功能、超声波测距功能、显示功能、带摄像头、独立的电源系统等。图2-2 智能小车系统结构1.控制模块控制系统采用ARM处理器，它是32位控制器，具有体积小、数据处理能力强、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。2.电机驱动模块基于L298N的电机驱动模块。L298N是一款专门用于驱动电动机的芯片，具有高集成度、高功率的特点，其输出电流为2A，最高电流可达4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机、步进电机、减速电机、伺服电机、电磁阀等，较少的外围电路（仅需要保护用的二极管和滤波电容）便可以很好地驱动大功率的电机。其输入端可以与单片机直接相连，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机的正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。而且模块体积小，稳定性高。3.电源模块采用三单元锂电池12v供电，另外，各种传感器采用单独供电方案。此方案能够很好的解决各种设备间的干扰问题，各种器件能够正常工作。4.避障模块采用SHARP 红外距离传感器GP2D12作为避障模块。此款传感器不但可以检测障碍物，而且根据三角测量原理，可以测出车体与障碍物的距离。传感器根据探测到与障碍物的距离，可以输出相应的电压，电压与距离的关系呈线性关系。探测距离在10cm80cm之间。缺点在于在10cm左右，电压与距离之间出现非线性关系，有一个电压的剧变，容易导致系统判断失误，但是我们可以通过调节传感器的位置来改进该传感器的实际性能。鉴于此传感器的强大功能，而且不像超声波模块对电路和外界环境的依赖性，只要将传感器的输出接入MCU的AD模块，便可稳定的工作。5.寻迹模块采用基于光电对管的模块TK-20黑白线检测传感器。TK-20黑白线检测传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器，主要用于黑白线检测，有效探测距离达5cm,最远可达10cm。这款黑白线传感器受可见光干扰小，输出信号为开关量，信号处理简单，使用非常方便，还增加了探测距离调节器，改进了探测距离，加强了探测精度，可广泛用于机器人小车寻迹等场合。此模块不需外部电路，我们加入一个1k的上拉电阻便可使其正常工作。不过，同样该模块对于额定电压要求比较高。6.键盘控制模块采用编码式键盘，编码式键盘是通过数字电路直接产生对应于按键的ASCII码，每一个按键都对应着一个固定的编码，通过读取编码就可以知道是哪个键被按下，编码式键盘也包括独立式键盘，为了减少I/O口的占用，可以利用键盘编码芯片队键盘进行扫描，当有不同的按键按下时，键盘编码芯片的数据输出为不同的数值，可以使用外部振荡器使键盘操作与其它处理同步，通过外接电容避免开关发生前、后沿弹跳所需的延时，当有按键按下时数据有效线变高，同时封锁其它键，片内锁存器将保持键盘矩阵的4位编码，可以由51单片机读出，引脚Y1-Y4 为行，X1-X4为列，AD为数据输出。对输入单片机的数据进行分析，就可以知道是哪个键被按下。7.显示模块采用MS1602C液晶模块。该模块是2行共32个字符的显示模块。模块接口简单，应用方便，功耗低，能够完成智能小车在实验和调试过程中的显示任务。根据此系统方案，设计出来的智能小车实验平台效果图如图2-3所示。图2-3 智能小车实验平台效果图2.4 超声波测距模块的方案设计该系统由超声波发射电路、超声波接收电路、LED显示电路和串口通信等硬件电路以及相应的软件部分构成。整个系统由单片机SST89E564控制，超声波传感器采用收发分体式，分别是一支超声波发射换能器TCT40-16BT和一支超声波接收换能器TCT40-16BR，超声波测距系统框图如图2-4所示。单片机是整个系统的核心部件，协调各部件的工作。启动测量时，由单片机发出一个控制信号去触发发射电路，使发射电路起振，驱动超声波发射器发出一串超声波脉冲，每次发射包含10个脉冲，同时启动单片机的计时器，开始计时。当这些脉冲达到被测目标时，发生反射，经空气传播被超声波接收器接收，此时计时器停止计时，这样就能够得到从发射到接收的时间差，再考虑到盲区，单片机通过计算就可以得出到障碍物之间的距离。图2-4 超声波测距系统框图超声波测距模块的硬件设计3 超声波测距模块的硬件设计按照设计要求，超声波测距模块的硬件电路主要包括超声波发射电路，超声波接收电路，LED显示电路，串口通信电路，时钟振荡电路，整流滤波电路、蜂鸣器电路和键盘控制电路等，各模块有它特定的功能，这些电路性能的好坏直接影响系统的稳定性。3.1 单片机外围电路设计3.1.1 单片机设计方案比较超声波测距系统需要计算超声波的传播时间、传播距离、温度补偿、干扰的滤除、显示等数据处理工作，这些工作主要使用CPU来完成。但是单片机的选择有多种方案可供参考，例如AVR单片机、TI公司单片机、STC单片机、PIC单片机和51系列单片机。因此我在在单片机外围电路设计前对各种单片机方案进行了比较：1） AVR单片机AVR单片机由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机。其特点是：简单易学，AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级；费用低廉，高速，低耗，I/O口功能强,具有A/D转换等电路，有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。2） TI公司单片机德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机。TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合；MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合。3）STC单片机STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快812倍，带ADC，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰能力强。4）PIC单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。5）51系列单片机51些列单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。掌握起来比较简单，且成本低，可靠性高。综上所述，选择51系列的单片机是最符合实际需求的，实验方便，且数据处理量不是很大，所以，本次设计选定以51系列单片机为控制核心的SST89E564RD单片机来进行。3.1.2 SST89E564RD单片机的特点随着技术的发展，单片机开发手段也越来越先进，而价格却不断下降。当FLASH型单片机被广泛应用后，采用软件模拟加写片验证成为一种经济实用的实验方法。而近年来很多单片机都具有了ISP功能，只要一根下载线即可以编程，不需要编程器。美国SST公司推出的SST系列单片机更是集成了仿真功能，配合Keil软件，可是用户的目标板直接具有仿真功能，将单片机的易用性推向一个新的高度。SST89E564RD是美国SST公司推出的一款内嵌89C52核的单片机，除具有89C52的所有资源外，还增加了768字节的XRAM（地址范围100H-2FFH）；增加了64K Block0的Flash（地址范围:0000H-FFFFH），原89C52的8k Flash为Block1，占用10000H-11FFFH的地址空间。出厂时SST89E564RD中已经固化与Keil连接的仿真软件SoftICE，该Firmware与Keil一起可将C语言或汇编语言生成的代码通过串口直接下载到Block0中，且可在线调试，该软件占用Block1的前4k和Block0的后1k Flash空间，调试时占用串口和定时器2。SST89E564RD单片机的主要特性如下：（1）8位8051兼容MCU核，内置大容量的Flash存储器，指令、开发工具和芯片封装等与Intel8051系列单片机完全兼容。（2）SST89E564RD单片机晶振率最该可达40MHz。（3）总共1kByte（256Byte+768Byte）的内部RAM。（4）内置Flash存储器分为两个Block，一个为64kByte的Block0（地址范围0000H-FFFFH），另一个为8k Flash的Block1（地址范围10000H-11FFFH）。（5）支持外部扩展程序存储器和数据存储器的地址范围均为64k。（6）内置3个16位的定时/计数器。（7）一个全双工增强的UART。（8）最多可以有8个中断源，并可以设定为4个优先级。（9）4个8位并行I/O口。（10）可编程的看门狗。（11）SPI串行接口。（12）标准工作时，12个振荡周期为一个指令周期，并可将一个指令周期设置为6个振荡周期，从而使指令执行速度提高1倍。（13）兼容TTL和CMOS逻辑电平。（14）掉点检测。（15）双DPTR寄存器。（16）低功耗模式。SST89E564RD单片机双列直插封装的引脚排列如图3-1所示。图3-1 SST89E564RD的引脚排列图SST89E564RD单片机具有在系统可编程（ISP）特性，单片机在用户系统上即可直接下载/烧录用户程序，不需要将单片机从电路板上拆下再用通用编程器编程，并且可以直接将用户程序代码下载到单片机进行仿真调试，查看运行结果，使用非常方便，因而可以省去购买仿真器和通用编程器。SST89E564RD单片机在销售之前已经将ISP引导程序烧录进单片机内部，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码通过串口下载到单片机，不需要编程器，也不需要将单片机从电路板拔下来。普通89C51单片机系列单片机的内部RAM只有128字节，89C52单片机系列单片机的内部RAM有所增加，为256字节。SST公司的SST89E564RD内部则有1k字节的RAM，在89C52单片机核原有的256字节内部RAM基础上另外扩展了768字节内部RAM（地址范围100-3FF），是否允许访问该768字节RAM由新增特殊功能寄存器AUXM的EXTRAM位的值决定，该位为0允许访问内部扩展768字节的RAM，该位为1则禁止访问。关于内部1k字节的RAM是使用说明如下：（1）对于低128字节的内部RAM（地址范围00-7F），可直接寻址或间接寻址。（2）对于高128字节的内部RAM（地址范围80-FF），只能间接寻址。（3）特殊功能寄存器SFR（地址范围80-FF），只能直接寻址。（4）EXTRAM位清0，允许访问内部扩展的RAM，单片机复位后该位为0。（5）EXTRAM位置1，禁止访问内部扩展的RAM，此时只能访问片外的RAM。（6）写芯片内部扩展的768/256字节RAM。（7）读芯片内部扩展的768/256字节RAM。3.1.3 LED显示电路与键盘控制电路的设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单最直观的显示器可以使用LED发光二极管，而复杂的教完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。综合课题的实际要求，由于只需显示距障碍物的距离，因此选用LED数码管，通过单片机编程实现显示。动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划断adp同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立的受I/O线的控制。CPU向字段输出口送出字型码时，所有显示器接收到相同的字型码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非人同时点亮，但只是扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。采用静态扫描方式控制点亮LED数码管无位选信号，各数码管是同时点亮的，每个数码管显示数码的笔划信息也分路同时送给，其原理比较简单。静态扫描显示编程容易，显示比较清晰，亮度一般较高，但要求占用很多I/O接线口和增用不少硬件芯片，成本较高。因此，我采用动态扫描。设计的显示电路采用4位一体八段共阴极数码管显示，段码直接由单片机的P0口来驱动，因为P0口的内部无上拉电阻，需在外部接上拉电阻；位码则通过4个NPN型三极管来驱动，同时接单片机P2口。显示电路如图3-2所示。图3-2 LED显示电路在外围的键盘控制电路中，设置了四个独立按键，分别与单片机的P3.4P3.7相连，当按下S1时，启动超声波发射，开始测距；当按下S2时，停止发射超声波，即停止测距；S3为报警开关，当测量到距离过近时，蜂鸣器电路发出警告，此时按下S3键，即可停止报警，S4为预留出来的按键，当需要的时候可以实行编程控制。电路设计如图3-3所示。图3-3 键盘控制电路3.2 超声波发射电路设计超声波的发射和接收是由超声波换能器来完成的，也就是我们俗称的探头。超声波的发射与接收可采用一体式的或独立式的，但是一体式的盲区问题比较严重，所以本次设计选择发射和接收探头分开的，具体将采用超声波发射换能器TCT40-16BT和超声波接收换能器TCT40-16BR。命名规则：l 型号：TCT40-16BT或（R）l 类别：TC压电陶瓷超声波传感器；T通用性；T发射/R接收l 外径：16代表16mml 外壳材料：铝l 外壳颜色：银色具体参数：l 中心频率：40.0kHz1.0 kHzl 输出电压: 115dBl 接收灵敏度：-65dBl 静电容量：2000pF20%l 指向角：80l 工作温度: -20+70超声波接收/发射换能器实物图如图3-4所示。图3-4 超声波换能器实物图超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。压电型超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转化成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转化为电信号，可作为接收头，其结构如图3-5所示。图3-5压电式超声波传感器结构超声波发射电路，是为了让超声波发射换能器TCT40-16BT能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz方波脉冲信号分成两路，一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，实际上构成了一个桥式电路，输入与输出的相位图如图3-4所示，再加上输出端上拉电阻R3，R4，一方面可以提高反向器MC14069UB输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。发射电路如图3-6所示。图3-6 超声波发射电路为了进一步验证超声波的发射波形的相位关系，特在特定的拐角对波形进行了测定，如图3-7所示，黄色（上面波形）为单片机P1.0口的波形，蓝色（中间波形）为6脚的波形，粉色（下面波形）为8脚的波形。图3-7 相位关系图MC14069UB六反相器芯片是双列直插封装，l、3、5、9、11、13是输入端；2、4、6、8、10、12是输出端。7、14脚分别是工作电压的接地和输入。其引脚排列如图3-8所示，逻辑电路图如图3-9所示。图3-8 MC14069UB引脚分布图图3-9 MC14069UB逻辑电路图这些反向器主要用于那些低功耗或高抗噪性的电路。为了减少传输延迟每一个反相器都是独立的。工作特性：l 电源电压范围：3.0v-18vl 在额定温度范围内能够驱动两个低功耗TTL负载或一个低功耗的肖特基TTL负载l 在所有的输入端有三重的二极管保护l 可用CD4069UB替代3.3 超声波接收电路设计上述TCT40-16BT发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器TCT40-16BR进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。CX20l06A是日本索尼公司生产的红外接收芯片，也适用于超声波接收。其采用单列8脚直插式，超小型封装。+5V供电，其内部方框图如图3-10所示：图3-10 CX20106A内部方框图以下是CX20l06A的引脚注释：1脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k 。2脚：该脚与GND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R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C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=3.3 F。3脚：该脚与GND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3.3 F。4脚：接地端。5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率fn，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GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。8脚： 电源正极，4.5V5V。接收部分的电路如图3-11所示。图3-11 超声波接收电路可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，也适用于超声波，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为3060 kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到SST89E564的INT0引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R7，将滤波器的中心频率设置在40 kHz，就可达到理想的效果。3.4 串口通信与蜂鸣器电路设计由于MCS51使用的是正逻辑的TTL电平，为了达到电平匹配，在MCS51组成系统板上的RS口必须经电平转化后输出，可以使用美信MAX232ECA芯片，外围电路非常简单，只需要4个0.1F的电容器，可以实现与计算机的通信，电路如图3-12所示。图3-12 串口通信电路如图3-13所示，蜂鸣器的正极接到VCC（+5v）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的集电极，三极管的基极经过限流电阻R20后由单片机的P1.1引脚控制，当P1.1输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P1.1脚的电平来使蜂鸣器发出声音。当P1.1输出高电平时，三极管截止，没有电流通过线圈，蜂鸣器不发声。我们在测距过程中，当与障碍物的距离过近，蜂鸣器就可以发出报警音，起到提示的作用。图3-13 蜂鸣器电路软件设计与系统调试4 软件设计与系统调试系统软件设计采用模块化设计，主要包括中断主程序、入口程序、定时器0中断程序、显示子程序、超声波发射子程序、延时子程序、距离计算子程序和报警子程序设计等。4.1 软件程序及流程图4.1.1 主程序流程图主程序首先要对系统环境初始化，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并清计数器，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到接收器引起的直射波，需要延时0.1ms（这也就是超声波测距系统会有一个最小可测距离的原因）后才可打开外部中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是24MHz的晶振，计数器每计一个数就是0.5s，所以当当主程序检测到接收成功的标志位后，调用测距子程序，即可算得被测物与测距器之间的距离，最后显示在LED上，主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.1.2 发射程序与接收流程图系统软件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时器和外部中断引脚的分配和使用。本设计中P1.0引脚连接到推挽放大电路再连接到超声波发射传感器，P1.0引脚输出的将是软件方式产生的40 kHz方波，而P3.2(INT0)则被用来接收回波。定时器T1，T0均工作在工作方式1，为16位计数，T1定时器被用来开启一次测距过程以它的溢出为标志开始一个发射测量循环，T0定时器是用来计算脉冲往返时间，它们的初值均设为0。超声波发射子程序如下：intt: mov r4,#10inttloop: CPL VOUT ;40kHz acall delay125us DJNZ R4,inttloop ;超声波发送完毕， ret超声波的接收由接收子程序来执行，接收子程序如图4-