超声波测距器的设计

超 声 波 测 距目 录前 言 .1第一章 绪 论.2.1.1 超声波检测发展综述.21.2 超声波测距器的研究意义.31.3 超声波测距器的国内外研究现状和发展趋势1.3.1 国外测距器的现状.1.3.2 国内测距器的现状.1.3.3 测距器的发展趋势.4444第二章2.12.2超声波测距器的原理及设计方案的确定超声波测距原理.超声波测距器设计方案的确定.556第三章 超声波测距器的硬件设计 .73.1 单片机系统及显示电路.3.1.1 单片机芯片的选用.3.1.1.1 概述.3.1.1.2 AT89C51 单片 机性能 介绍.3.1.2 振荡器模块的设计.3.1.2.1 晶体.3.1.2.2 时钟和振荡器.77779993.1.3 单片机复位电路的可靠性设计.113.1.3.13.1.3.2影响单片机系统运行稳定性的因素复位电路的可靠性设计.11113.1.4 LED 显示接口技术.123.1.4.13.1.4.2LED 显示 器的简 介七段 LED 显示 器工作 原理 .12133.1.4.3 LED 的接 口电路 .153.2 超声波发射电路.第 I 页16超 声 波 测 距3.3 超声波检测接收电路. 173.3.1 CX20106A 芯片介绍. 17.第四章4.1超声波测距器的软件设计主程序设计.19194.24.3第五章子程序和中断程序设计. 20系统的软硬件的调试. 21结 论. 23参考文献. 24致 谢. 25毕业设计工作小结 . 26附 录.27附录一 源程序清单. 27第 II 页超 声 波 测 距前 言目前 测量距 离一般 都采用 波在介 质中的 传播速 度和时 间关系 进行测 量。常用的 技术主 要有激 光测距 、微波雷达测距和超声波测距三种。超声波具有指向性强 、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远的优点，因而经常用于距离的测量 。超声波测距主要应用于一些工业现场的位置监控、移动机器人的自动避障行 走、汽 车倒车 、建筑 施工工 地，可 在潮湿 高温。 多尘等 恶劣环 境下工 作。例如 ：液位 、厚度、管道 长度等 场合。相比于其它定位技术而言，超声 波定位技术 成本低 、精度 高、操作简单、工作 稳定可 靠，非常适合于短距离测量定位。AT89C51 单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用它的片 内资源 ，即可 在较少 外围电 路的情 况下构 成功能 完善的 超声波 测距系 统。本文 介绍一 种以 AT89C51 单片机为核心的低成本、高精 度、LED 数字 显示超声波 测距仪 的硬件 电路和 软件设 计方法 。实际使用证明该仪器工作稳定，性能良好 ,但是 限于本 人的能 力以及 经验有 限，设 计中的 错误与 缺陷也 是在所 难免的， 希望各 位老师 能够不 吝给予 批评和 指导。第 1 页超 声 波 测 距第 一 章绪 论随着 科学技 术的快 速发展 ，超声 波将在 传感器 中的应 用越来 越广。超声波发生 器可以 分为两 大类 ：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 。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋 笛等 ，它们所产生的超声波的频率、功率 和声波 特性各 不相同，因而用途也各 不相同 。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。本章阐述 了超声 波测距 器的历 史背景 和研究 意义 ，介绍 了国内 外研究 现状和 发展趋势。1.1 超声波检测发展综述超声学是声学的一 个分 支，涉及的频 率超过 可听 限度， 19 世 纪才开 始对其进 行研究 。作为 无损检 测则更 晚，最 早由苏 联萨哈 诺夫提 出。 1981 年美国前总 统里根 在给美 国无损 检测学 会成立 40 周年 大会的 贺信中 就说过 ：“你们能够 给飞机 和空间 飞行器 ，发电厂，船舶，汽车 和建筑 物等带 来更大 程度的 可靠性 。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位 。 ”无损 检测正 在以迅 猛之势 向纵深 发展， 客观的 需要毕 竟是一 种专业 可以发展 的最大 动力。 现在， 在工业 发达国 家，无 损检测 在产品 的设计 ，研制 ，使用部 门已被 卓有成 效的运 用。我国 无损检 测技术 是从无 到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平 。超声 波检测 仪器的 研制生 产，也 大致按 此规律 发展变 化。超声 波检测 技术是 我国重 点发展 和推广 的新技 术，其 具有高 精度， 无损，非接 触等优 点。目 前，已 经广泛 地应用 在机械 制造， 电子冶 金，航 海，宇 航，石油 化工 ，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学 ，生物科学等领域中也占具 重要地 位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内 一些学 者也做了相 关研究 。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质 中的传 播速度 ，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低 传播时 间的不 确定度 来提高 测距精 度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或 二者结 合起来 的方法 是主要 的降低 探测传 输不确 定度的 方法。超声 波检测 技术作 为无损 检测技 术的重 要手段 之一，在其发展过程中起着第 2 页超 声 波 测 距重要 的作用 ，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测 其微观和宏 观不连 续性的 有效通 用方法 。由于其信号的高频特性，超声 波检测 早期仅使用 模拟量 信号的 分析 ，大部 分检测 设备仅 有 A 扫描形式，需要 通过有 经验的无损 检测人 员对信 号进行 人工分 析才能 得出正 确的结 论，对检测和分析人员的要求 较高， 因此， 人为因 素对检 测的结 果影响 较大， 波形也 不易记 录和保 存，不适 宜完成 自动化 检测。目前 国内外 在超声 波检测 领域都 向着数 字化方 向发展 ，数字 式超声 波检测仪器 的发展 速度很 快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统 。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究 的公司 有美国 的泛美 （PANAMETRICS 公司、METEC 公司 ，加拿 大的 R/D TECH公司 ，德国 的 K-K 公司 、法国 的 SOFRATEST 公司 和西班 牙的 TECNATOM 公司等等 ，上述 这些公 司生产 的超声 波检测 采集、分析和成像处理系统的技术水平较高， 在世界 上处于 领先水 平。由于 计算机 市场价 格大幅 度下降 ，采用 非一体 化超声 波检测 仪器，计算机可发 挥它一 机多用 的各种 功能 ，实际 上是最 大的节 约。过去那种全功能的仪器设置 ，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智 能化检 测仪器只能 满足检 测条件 ，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可 充分发挥其 特有功 能。仪 器设计 也应从 实际情 况出发 ，才能 满足用 户的要 求。1.2 超声波测距器的研究意义在控 制领域 中，确定物体的距离是十分重要的，一些 传统的 距离测 量方式在某 些特殊 场合存 在不可 克服的 缺陷： 例如， 液面测 量就是 一种距 离测量 ，传统的 电极法 是采用 差位分 布电极 ，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水 中或其 他液体 中，极易 被腐蚀 、电解，失去 灵敏性 ，利用 超声波 测量距 离可以 解决这 些问题 ，并且，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 。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 达到日 常使用 的要求 。因此 超声波 测量距 离技术 在工业 控制 、勘探 测量、机器人定位和安全防范等领域得 到了广 泛应用 。第 3 页超 声 波 测 距1.3 超声波测距器的国内外研究现状和发展趋势1.3.1 国外测距器的现状国外 测距器 表早期 多采用 机械原 理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机 电一体 化发展 ，并且总结了许多测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及 微机技 术，结构 一了很 大的改 善，功能一了很大的提高。从国外测距器表发展 的技术 动向看 ，当前国外测距器新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化计 算机辅 助测试 专用集 成电路 及表面 粘装技 术等 。呈现出（1）智能 测距器 ；（ 2）非接触测量方式的测距器；（3）新原理的小型测距。1.3.2 国内测距器的现状国内 的早期 的测距 器也是 居于机 械原理 的，但随着世界的电子技术的发展国内 位移测 距器在 各方面 不甘落 后，甚至在一些方面科技含量更高。但国内的超声 波测距 器，精 度不高 ，而且 用于多 方方向 的测距 器也不 多见。1.3.3 测距器的发展趋势随着 科学技 术的快 速发展 ，超声 波将在 测距器中的应用越来越广。但就目前技 术水平 来说 ，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在 蓬勃发 展而又 有无限 前景的 技术及 产业领 域。展望未来，超声波测距器作为一 种新型 的非常 重要有 用的工 具在各 方面都 将有很 大的发 展空间 ，它将朝着更加 高定位 高精度 的方向 发展 ，以满 足日益 发展的 社会需 求，如声纳的发展趋势基 本为 ：研制 具有更 高定位 精度的 被动测 距声纳 ，以满 足水中 武器实 施全隐蔽攻 击的需 要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的 被动探 测和识 别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别 是解决 浅海水中目 标识别 问题 ；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸 置疑 ，未来 的超声 波测距 器将与 自动化 智能化 接轨， 与其他 的测距 器集成 和融合 ，形第 4 页超 声 波 测 距成多 测距器 。随着测距器的技术进步，测距 器将从 具有单 纯判断 功能发 展到具有学 习功能 ，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距器将发挥更 大的作 用。第二 章 超声波测距器的原理及设计方案的确定2.1 超声波测距原理所谓 超声波 是指频 率高于 20000Hz 的机 械波，具有强度大、方向性好等特点。 超声波 一般采 用压电 效应或 磁致伸 缩效应 产生。利用 超声波 测量距 离的原 理可用 图 2-1 示意，简单描述为：超声波发射器定期 发送超 声波 、遭遇 到障碍 物时发 生反射 ，发射 波经由 接收器 接收并 转化为电信 号， 这样只要测出发送和发射的时间差t，然后按照式 1 即可求出距离：s ct / 2 (11)式中 ，C 为超 声波在 空气中 的传播 速度，0时为 331m/s，25时为 347ms，其与 环境温 度 T()的关 系如式 2：c 331.4 0.60* t (12)由此 可见，声速与温度有密切关系。在应 用中，如果温度变化不大，并且无特 殊精度 要求 ，可认为声速是基本不变的。否则，必须进行温密补偿。温度补偿 通常有 两种方 法。图 2-1 超声波测距离原理示意图补偿 方法 1：每次 先按照 式 2 计算 当时声 速 C，然后 再按照 式 1 计算 距离 。其特 点是 ：根据 当时的 温度得 到当时 的精确 声速，从而计算得到的距离值也比较精 确；但程 序中牵 涉到浮 点数运 算，对于 微处理 器系统 实现 ，难度相对较大。第 5 页超 声 波 测 距补偿 方法 2：根据当前的环境温度，查取特征温度值声速表中最接近温度 对应的 声速值 ，作为 当前声 速，然 后按照 式 1 进行距离计算。其特点是：避免 了复杂 的声速 计算 ，可采 用事先 计算得 到温度 声速二维表，将之固化到系 统程序 中，然后 直接使 用查表 法得到 声速值 ，程序实现比较简单，但精 度没有 方法 1 高。另外 ，从图 2-1 还可以看出，由于超声波利用接受发射波来进行距离的计算 ，因而不可 避免 的存在发射与 反射 之间的 夹角 ，其大小为 2。 当 很 小时， 可直接 按式 1-1 进行 计算得 到距离 ；当 较大时，则必须进行距离修正，修正 公式为 ：s=cos*Ct/2在上 式中，倾角与超声波发射装置和接收装置的安装位置有关。在实际应用中 ，应注 意适当 安装。2.2 超声波测距器设计方案的确定根据 设计要 求并综 合各方 面因素 考虑，本设计决定采用 AT89C51 单片机作为主 控制器 ，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器 完成。 超声波 测距器 系统设 计框图 如图 2-2 所示 。超 声 波 接 收 L E D 显 示单 片 机 控 制 器超 声 波 发 送 扫 描 驱 动图 2-2 超声 波测距 器系统 设计框 图第 6 页超 声 波 测 距第 三 章超 声 波 测 距 器 的 硬 件 设 计3.1 单片机系统及显示电路3.1.1 单片机芯片的选用单片机是 整个控 制系 统中最 重要的元 器件， 它是 整个控 制系统的 核心部件， 因此对 于它的 选择就 显得格 外重要 。3.1.1.1 概述从字 长来看 ，单片微处理器的字长取决于并行数据总线的数目。4 位字长的单 片微处 理器一 般设计 成简单 的控制 器。8 位单 片微处 理器则 设计成 既可用于数 据处理 ，也可用于控制。用于数据处理时，可进行双倍精度或三倍精度运算。 16 位的运算精度适合于大多数的数据处理工作，因此， 16 位微处理器大多用 于复杂 的数据 处理和 控制 。由于 8 位单 片微处 理器适 用范围 广，价格也不高 ，能满足大多数系统的需要，所以被目前多数单片机系统所广泛应用。由于我们 所设计 的控制 系统没 有很复 杂的数 据处理 部分 ，采用 8 位单 片微处 理器就足够 了。单片 机的选 择，通常 选择可 靠性高，集成度高，有开发工具，自己 熟悉的微处 理芯片 。从字 长，运算速度，指令 系统和 中断功 能，以及 外围接 口芯片 的配套 来看 ，选用 AT89C51 单片 机作为 系统控 制核心 是比较 合适的 ，完全 能够满足系 统的性 能要求 且使用 方便， 价格适 中。3.1.1.2 AT89C51 单片机性能介绍AT89C51 是一 种带 4K 字节 闪烁可 编程可 擦除只 读存储 器（FPEROMFlashProgrammable and Erasable Read Only Memory） 的低电压、高性 能 CMOS 的8 位微处理器，俗称 单片机 。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 ，与工 业标准 的 MCS-51 指令 集和输 出管脚 相兼容 。由于将多功能 8 位 CP U第 7 页超 声 波 测 距和闪 烁存储 器组合 在单个 芯片中 ，ATMEL 的 AT89C51 是一 种高效 微控制 器，为很多 嵌入式 控制系 统提供 了一种 灵活性 高且价 廉的方 案。1. 主要 特性 ：1) 与 MCS-51 兼容2) 4K 字节 可擦写 程序存 储器 （ FLASH）3) 寿命：可以被重写 1000 次4) 数据保留时间：10 年5) 工作主时钟频率：0MHz-24MHz6) 三级程序存储器锁定7) 128*8 位内部 RAM8) 32 条可 编程 I/O 线9) 两个 16 位可编程定时器/计数 器10)6 个中断源11)可编程串口通信12)低功耗空闲状态和低功耗停机状态13)片内振荡器和时钟电路2. 引脚的结构连线图如图 3-1：第 8 页超 声 波 测 距3. 振荡器电路：图 3-1 AT89C51 引脚 图XTAL1 和 XTAL2 分别 为反向 放大器 的输入 和输出 。该反向放大器可以配置为片 内振荡 器。石 晶振荡 和陶瓷 振荡均 可采用 。如采 用外部 时钟源 驱动器 件，XTAL2 应不 接。有余 输入至 内部时 钟信号 要通过 一个二 分频触 发器，因此对外部时 钟信号 的脉宽 无任何 要求， 但必须 保证脉 冲的高 低电平 要求的 宽度。3.1.2 振荡器模块的设计3.1.2.1 晶体晶体是小石英块（二 氧化硅 ） 。石 英晶 体是一 种称为压电的材料。这种物质在 受力（ 压缩、 拉伸和 扭曲） 时会产 生一个 电压。晶体 工作时 需要一 个驱动 电路。这些晶体有些变化无常，由于种种很难跟踪的 影响 ，它们并非总是以你所希望的频率振荡。幸好，对于 这个问 题有两 个解决 方法 。方法 之一是 大多数 处理器 有内部 振荡电 路，只要添加一个外部晶体（还 有一个 或两个 电容 ） ，系 统即可 很好地 工作起 来。对 于其他 芯片， 操作起来并 非如此 简单， 你需要 一个包 含晶体 和驱动 电路的 完整的 振荡模 块 -这就第 9 页超 声 波 测 距是方 法之二 。在这种情况下，你要做的是向它们提供电源和接地，它们 也会很好地 运转起 来。3.1.2.2 时钟和振荡器所有 的微处 理（以及其他很少一些数字设备）都需要时钟，就是 来自振 荡器的 输出 ，这一 输出管 理着处 理器以 及其他 与时钟 有关的 所有系 统事件 。时钟的频 率通常 用 kHz、MHz（1000kHz）或 GHz（ 1000MHz）来表 示。处理 器的时 钟频率 也叫作 它的时 钟速率 。任何 处理器 都有一 个最大 和最小 时钟频 率。我们选用 AT89C51 的时 钟频率为 024MHz。 频率为 零时处理器能 够使 时钟停下来，也能在 稍后 的时刻重新启动 操作而 不受什 么影响 。处理 器的时 钟频率 与处理 器以怎 样的速 度执行 软件有 关。但时钟速率并非衡量 处理器 速度的 唯一标 准。一 种处理 器可能 采用 32 个时钟周期来执行一条指令 ，而另外一种处理器则可能每一个时钟周期完成一条指令。因此，尽管 这两种 处理器 运行于 同一时 钟速率 ，后者 却明显 要比前 者快。产生 时钟的 方式有 好几种 ，而具 体哪种 方式合 适很大 程度上 依赖于 你所使用的 处理器 。有些 处理器 期望一 个数字（方波）时钟 输入。对于 以通用 频率运行的 处理器 -大多数处理器都属于这类，最好的选择是采用一个名为振荡器模块 的设备 （如图 3-2 所示） 。该设备有四个引脚，以给定的频率提供了一个方波 时钟输 出，而所 需的只 是电源 和接地 。这就简化了系统设计，因为 它们是即插 即用的 设备。图 3-2 振荡器模块许多 处理器 都包含 振荡器 电路，并且通常只需要增加一个晶体和旁路电容即可 ，如图 3-3 所示。第 10 页超 声 波 测 距图 3-3 振荡器电路图上图中的电容 C4 和 C5 用于去除来自 振荡 的高次谐波， 可选 几十 pF， 例如我 们所选 的 30pF。3.1.3 单片机复位电路的可靠性设计3.1.3.1 影响单片机系统运行稳定性的因素1. 外因射频 干扰，它是 以空间 电磁场 的形式 传递，在机 器内部 的（ 导体 引线或 零件引 脚）感 生出相 应的干 扰，可 通过电 磁屏蔽 和合理 的布线 /器件布局衰减该类干 扰；电源线或电源内部产生的干扰，它是通过电源线或电源内的部件耦合或直 接传导 。可通 过电源 滤波， 隔离等 措施来 衰减该 类干扰 。2. 内因振荡 源的稳 定性， 主要由 起振时 间，频 率稳定 度和占 空比稳 定度决 定，起振时 间可由 电路参 数整定 ，稳定 度受振 荡器类 型，温 度和电 压等参 数影响 。3.1.3.2 复位电路的可靠性设计复位 是单片 机的初 始化操 作。MCS-51 单片 机复位 后，PC 初始化为 0000H ，单 片 机 从 0000H 地址 单元 开始 执 行程 序 。 要实 现 单片 机 可 靠复 位 ，必 须 使RST/VPD 引 脚保持两个 周期以上的 高电平，一 般上电复位 时间需要大 于 10ms。CPU 在第 二个机 器周期 内执行 内部复 位操作，只要 RST 引脚 保持高 电平，单片机将 保持复 位状态 。复位 有效期 为 ALE 及 PSEN 输出高电平信号 。第 11 页超 声 波 测 距复位 以后， P0P3 口输出高电平信号，堆栈指针 SP 初始化为 07H，但不能影 响内部 RAM 的状态。RST/ VPD 引脚的复位操作有上电自动复位和按键手动复 位两种 工作方 式，上电自动复位是利用外部复位电路的 RC 充电来实现的。如图 3-4 所示。图 3-4 电平上点复位电路图3.1.4 LED 显示接口技术3.1.4.1 LED 显示器的简介控制 面板的 显示器 件主要 是指示 灯和 LED 数码 管，这些器件的结构中最为常 见的二极管就 是发 光二极管 LED（Light-Emitting Diode ） 。 所有的二极管工作 时，都会产生少量的光（虽然由于二极管的外表封装通常看不到） ，而 LE D非常 善于利 用这种 光。通过 LED 的电 流有个 限量制 ，超越 这一限 制就可 能损害 或者破 坏 LED。因此， 使用时 ，LED 一般 与限流 电阻相 连。有 些 LED 内部集成了一个限流电阻。可是 大多数 LED 没有这样做，因此，查看生产厂商的数据表是非常重要的。通常需 要给 LED 接上 一个电 阻，其 阻值很 容易算 出。假设 LED 的正向压降为 1.6V，额 定电流 为 36mA。我 们就需 要一个 电阻来限制 通过 LED 的电 流为这 一额定 值。在 这个电 路里， LED 和电阻是串联的 ，它们两 端的总 电压是 5V。因此，如果二极管的电压降为 1.6V，那 么很容 易就可第 12 页超 声 波 测 距以计 算出电 阻上的 电压： VR=5-1.6=3.4V这样 ，如果 电阻上 的电压 为 3.4V，我 们需要 限定电 流为 36mA，那 么通过欧姆 定律就 可以计 算出电 阻的值 ：R=V/I=3.4/0.036=94.44一个 100 的电阻就可以很好地实现上述要求，LED 便会发出明亮的光。如 果你想降低 LED 光 的强 度，只 需使 用阻值 大一 点的电 阻来 限定通 过它 的电流 。需要 注意的是， 36mA 是 LED 能够接受的最 大电 流值，因此总 是需 要使电流 低于 36mA 的 电阻。 所以我们总是 选择 较 R（=94.44）值大的电阻。 电阻所消 耗的功 率由下 式可得 出：P=V*I=3.4*0.036=0.1224W可选 的电阻 有不同 的额定 功耗。 选择一 个恰当 功耗的 电阻很 重要。3.1.4.2 七段 LED 显示器工作原理数码 管是一 种半导 体发光 器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为 七段数 码管和 八段数 码管 ，八段 数码管 比七段 数码管 多一个 发光二 极管单元（ 多一 个小数 点显示 ） ；按 能显示多少个 “8”可分为 1 位、2 位、4 位等等数码 管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码 管是指 将所有 发光二 极管的 阳极接 到一起 形成公 共阳极 (COM)的数 码管。共阳 数码管 在应用 时应将 公共极 COM 接到+5V，当 某一字 段发光 二极管 的阴极为低 电平时 ，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应 字段就 不亮 。 。共阴数码 管是指将所 有发光二极 管的阴极接 到一起形成 公共阴极 (COM)的数 码管 。共阴 数码管 在应用 时应将 公共极 COM 接到地线 GND 上，当某 一字段发光 二极管 的阳极 为高电 平时 ，相应 字段就 点亮。当某一字段的阳极为低电平时， 相应字 段就不 亮。 本文选用的是共阴极接法。数码 管要正 常显示 ，就要 用驱动 电路来 驱动数 码管的 各个段 码，从而显示出我 们要的 数字 ，因此 根据数 码管的 驱动方 式的不 同，可以分为静态式和动态式两 类。1 静态 显示驱 动：静 态驱动 也称直 流驱动 。静态 驱动是 指每个 数码 管的每 一个段 码都由 一个单 片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二-十第 13 页超 声 波 测 距进制 译码器 译码进 行驱动 。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点 是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管 静态显 示则 需要 5840 根 I/O 端口来驱动 ，要知 道一个 89C51 单片 机可用 的 I/O 端口才 32 个呢：） ，实际应用时必需 增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示 方式之 一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显 示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同 名端连 在一起 ，另外 为每个 数码管 的公共 极 COM 增加 位选通 控制电 路，位选通 由各自 独立的 I/O 线控制，当单 片机输 出字形 码时，所有数码管都接收到相 同的字形码 ，但究竟是 哪个 数码管会显 示出字形， 取决于单片 机对位选 通COM 端电 路的控 制，所以 我们只 要将需 要显示 的数码 管的选 通控制 打开，该位就显 示出字 形，没有选通的数码管就不会亮。通过 分时轮 流控制 各个数 码管的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就 是动态 驱动 。在轮 流显示 过程中 ，每 位数码 管的点亮时间 为 12ms，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 数码管 并非同 时点亮 ，但只 要扫描 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，动态 显示的 效果和 静态显示是 一样的 ，能够 节省大 量的 I/O 端口 ，而且 功耗更 低。本设 计选用 动态显 示比较 合适。为了 显示数 字或符 号，要为 LED 显示器提供代码，因为这些是为显示字形的， 因此称 之为字 形代码 。七段 发光二 极管，再加 上一个 小数点 ，共计 8 段。因此提供给 LED 显示 器的字 形代码 正好一 个字节 。各代 码位的 对应关 系表 3-1：表 3-1 代码位的对应关系表代码位显示段D7dpD6gD5fD4eD3dD2cD1bD0a用 LED 显示 器显示 十六位 进制数 的字型 代码在 表 3-2 中列出：表 3-2 十六 进制数 字形代 码表第 14 页超 声 波 测 距字型代码字型代码03FH96FH106HA77H25BHb7CH34FHC39H466Hd5EH56DHE79H67DHF71H707H灭00H87FH3.1.4.3 LED 的接口电路图 3-5 LED 的接 口电路 图LED 的接口电路如图 3-5，显示器采用了共阳极七段 LED 显示器，是动态显示 ，用高 电平驱 动。单片 机采用 89C51。系统采用 12MHz 高精 度的晶 振，以获得较稳定的时钟频 率，并 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方波 信号 ，利用 外中断 0 口监 测超声 波接收 电路输 出的返 回信号 。显示 电路采用简 单实用 的 4 位共阳 LED 数码 管，段码用 74LS244 驱动 ，位码 用 PNP 三极管9012 驱动 。图 3-6 所示 为单片 机及显 示系统 电路图 。第 15 页超 声 波 测 距图 3-6 单片机及显示系统电路图3.2 超声波发射电路发射 电路主 要由反 向器 74LS04 和超声波换能器构成，单片 机 P1.0 端口输出的 40kHz 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 二级反 向器后 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 器两端 可以提 高超声 波的发 射强度 。输出端采用两个反向器并联 ，用以 提高驱 动能力 。上拉电阻 R10、R11 一方面可以提高反向器 74LS04输出 高电平 的驱动 能力 ；另一 个方面 可以增 加超声 波换能 器的阻 尼效果 ，以缩短其 自由振 荡的时 间。图 3-7 所示为超声波发射电路原理图。图 3-7 超声波发射电路原理图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 器内部第 16 页超 声 波 测 距如图 3-8 所示，它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 频率时 ，压电晶片将会发生共振，并带 动共振板产 生超声 波，这是 它就是 一个超 声波发 生器；反之，如果两电极之间未外加电压 ，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 ，这时它就成为超声波接收换能器了。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 要分清 器件上 的标志 。图 3-8 超声波换能器结构图3.3 超声波检测接收电路3.3.1 CX20106A 芯片介绍使用 CX20106A 集成 电路对 接收探 头受到 的信号 进行放 大、滤 波。其 总放大增 益 80db。以下 是 CX20106A 的引脚注释。图 3-9 所示 为 CX20106A 引脚图。图 3-9 CX20106A 引脚图脚 1：遥控信号输入端，该脚 和地之 间连接 PIN 光电二极管，该脚 的输入第 17 页超 声 波 测 距阻抗 约为 40k。脚 2：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 4或 减小 C5,将 使负反馈量 增大，放大 倍数下降， 反之则放大 倍数增大。 但 C5的改 变会影 响到频 率特性 ，选用 参数为 R14=10，C5=1F。脚 3：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 ，参数 为 3.3f。脚 4：接地端。脚 5：该脚与电源间接入一个电阻，用以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。脚 6： 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 。脚 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， 阻值为 10k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信 号时则 产生下 降。脚 8：电源正极，+5V。集成 电路 CX20106A 是红 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 ，可以利用它制作超声波检测接收电路。用 CX20106A 接收超声波（无信号 时输出 高电平 ）具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当地更改电容C4 的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。图 3-10 所示为超声波检测 接收电 路图。第 18 页超 声 波 测 距图 3-10 超声波检测接收电路图第 四 章超 声 波 测 距 器 的 软 件 设 计超声波测距器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。4.1 主程序设计主程 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 对显示 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 0.1ms（这也 就是超 声波测 距器会 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 12MHz 的晶振，计数器每计一个数就是 1 s,所以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（1-1）计算， 即可得 被测物 体与测 距器之 间的距 离。则 有d=s/2=(vt)/2=（172T0/10000）cm （1-1）其中 ：T0 为计 数器 T0 的计 数值。测出距离后 ，结 果将以十进制 BCD 码方式 送往 LED 显 示约 0.5s， 然后再发超 声波脉 冲重复 测量过 程。图 4-1 所示为主程序流程图。图 4-2 所示 为系统第 19 页超 声 波 测 距初始 化框图 。开 始系统初始化发送超声波脉冲等待发射超声波计算距离显示结果 0.5s图 4-1 主程 序流程 图开 始内 存 单 元 初 始 化T0,T1 方 式 初 始 化T0,T1 初 值 初 始 化P0,P1,P2,P3 端口初始化中 断 初 始 化4.2图 4-2子程序和中断程序设计系统 初始化 框图超声 波发生 子程序 的作用 是通过 P1.0 端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约 40kHz 的方波） ，脉冲宽度为 12 s 左右，同时 把计数 器 T0 打开进第 20 页超 声 波 测 距行计 时。超声 波测距 器主程 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 进入超 声波接 收中断 程序。进入该中 断后， 就立即 关闭计 时 T0，停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。图4-3 所示 为超声 波发生 子程序 。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，以表示本次测距不成功 。图 4- 4所示 为超声 波接收 中断程 序。定时初始化定 时 中 断 入 口发 射 超 声 波是否发射完 N停 止Y发 射返 回图 4-3 超声 波发生 子程序第 21 页超 声 波 测 距外 部 中 断 入 口关 外 部 中 断读 取 时 间 值计 算 距 离结 果 输 出开 外 部 中 断返 回图 4-4 超声 波接收 子程序4.3 系统的软硬件的调试超声波测距器的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器 TCT40-10F1（T 发射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心频率为 40kHz ，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 48cm，其余元件无特殊要求。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。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 C4 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲个数和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距器能测的范围为0.075.5m，测距器最大误差不超过 1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。软件的调试程序见附录一