汽车倒车雷达系统的设计

第 1 页 共 50 页基于单片机的汽 车 倒 车 雷 达 系 统 的 设 计摘 要本设计是以单片机技术为基础，实现对前方物体距离的测量。根据超声波指向性强,能量消耗慢,在介质中传播距离远的特点,利用超生波传感器对前方物体进行感应，经过单片机中的程序对超声波传感器发射和接收的超声波信号进行分析和计算处理，最后将处理结果在 LCD1602 上显示。STC89C52 单片机的超声波测距系统,此系统根据超声波在空气中传播反射原理,把超声波传感器作为接口部件,利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离,设计了一套超声波检测系统。该系统设计主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个基本模块构成，用接收部分接收超声波。本设计利用两个中断，在发射信号时，打开定时器中断 0 和外部中断 0 使定时器计时，接收到发射超声波信号时，外部中断 0 关闭中断，这时定时器中断 0 计录的时间就为超声波传播经过测距仪到前方物体的来回时间。利用公式 S=TV2（V 为超生波传播速度，本设计设定值340m/s）,经过单片机处理得到距离值 S 并且通过 LCD1602 显示出来。关键词：STC89C52，独立键盘，LCD 显示管，蜂鸣器。第 2 页 共 50 页Car reversing radar system based on single chip designABSTRACTThis design is based on single chip microcomputer technology, realizes the measurement of the front object distance. According to ultrasonic directionality is strong, energy consumption slow, the characteristics of the propagation distance in the medium, using super living wave sensor to induction of in front of the object, through single chip microcomputer in application of ultrasonic transducer transmitting and receiving of ultrasonic signal analysis and processing, finally the results on the LCD1602 display. STC89C52 MCU ultrasonic ranging system, the system according to the principle of ultrasonic reflection in the air, the ultrasound sensor as interface components, using the ultrasonic time difference to measure distance in air, a set of ultrasonic detection system is designed. The system design is mainly composed of main controller module, ultrasonic launch module, ultrasonic receiving module and display module and so on four basic modules, with a receiving part receiving ultrasound. This design USES two interrupts, when transmitting, open the timer interrupt 0 timer and external interrupt 0 timer, receives the side of launch ultrasonic wave signal, the external interrupt 0 closed interrupted, then the timer interrupt 0 meter to record the time for the ultrasonic propagation through the range finder to the object in front of the time back and forth. Using formula S = T * V / 2 (V to super living wave propagation speed, the design value of 340 m/S), and treated with single chip microcomputer distance values S and through LCD1602 display.Keywords: STC89C52, independent keyboard, LCD display and a buzzer.第 3 页 共 50 页目 录1. 绪 论 .11.1 选题背景 .11.2 发展历程和现状 .11.3 本课题研究内容 .22. 总体方案论证与设计 .32.1 主控模块 .32.1.1 STC89C52 单片机主要特性 .42.1.2 STC89C52 单片机管脚图 .52.1.3 STC89C52 单片机的中断系统 .72.1.4 STC89C52 单片机的定时/计数器 .82.2 LCD 液晶显示器简介 .82.2.1 液晶原理介绍 .82.2.2 液晶模块简介 .82.2.3 液晶显示部分与 STC89C52 的接口 .102.3 键盘模块设计 .112.4 蜂鸣器模块设计 .113. 超声波模块设计 .133.1 超声波的基本理论 .133.1.1 超声波的传播速度 .133.1.2 超声波的物理性质 .143.1.3 超声波对声场产生的作用 .153.1.4 超声波传感器 .153.2 超声波发生接收模块设计 .163.2.1 收发分立集成超声波探头 HC-SR04 .163.2.2 HC-SR04 总体性能分析 .183.2.3 HC-SR04 的测量精度和稳定性 .183.2.4 HC-SR04 的测量距离 .194. 系统软件设计 .20第 4 页 共 50 页4.1 系统软件总体设计 .204.2 程序设计原理 .205. 系统调试 .225.1 硬件调试 .225.2 软件调试 .225.3 调试结果 .226. 结论 .24附 录 A .25附 录 B .26参 考 文 献 .48致 谢 .50第 1 页 共 50 页1. 绪 论1.1 选题背景自从 1886 年 2 月 9 日卡尔本茨发明了人类第一辆汽车，至今世界汽车工业经过了近 122 年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。当今，汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分，它给人们带来方便快捷的同时，也出现了许多问题。如越来越多的汽车使道路上有效的使用空间越来越小，新手也越来越多，由此引起的刮伤事件也越来越多，由此引起的纠纷也在不断地增加。原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以在一定程度上帮助驾驶员扫除视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性，减少刮、擦事件。因此，提出了基于超声波测距的汽车用倒车雷达的设计。1.2 发展历程和现状倒车雷达（Car Reversing System）全称“倒车防撞雷达” ，又称“泊车辅助装置” ，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除驾驶员泊车、倒车和启动车辆时因前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员克服视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这 3 种。倒车雷达真正开始于轰鸣器，也就是第一代倒车雷达。我想很多人都不会忘记“倒车请注意！”这句话，因为现在多数普通车还在使用它。第二代则是采用数码波段显示，可显示后障碍物离车体距离的数码波段显示倒车雷达。第三代的液晶荧屏显示较以前有了一个质的飞跃。紧接着的四代魔幻镜倒车雷达和五代整合影音系统更是结合了前几代产品的优点，在原有倒车雷达的基础上增加了很多功能。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数。所以，测距就成为数据采集中要解决的一个问题。尽管测距有多种方式，比如激光测距、微波测距、红第 2 页 共 50 页外测距和声波测距等。人能听到的声音频率为 20Hz20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即 20Hz 以下的声音称为低频声波，20kHz 以上的声音称为超声波。它是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，它的波长短、绕射小、能定向传播（它是以直线传播的） 。它的频率越高，绕射能力越弱，但反射能力就越强。超声波在空气中的传播速度为 340 米/秒（因温度大小会有规律变化） ，因此，如果能测出超声波在空气中的传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程测量、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。所谓的时间测距法，即通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离就是超声波测距的一种。单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及 I/O（Input/Output）口电路等主要微型机部件，集成在一块芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调其控制属性，也可把它称为微控制器 MCU（MicroController Unit） 。1.3 本课题研究内容本设计采用超声波测距的方式来测量汽车与障碍物的距离。该超声波测距系统由超声波发射、回波信号接收、计时测量、数据处理与显示等构成。整个系统由微处理器（即单片机）控制，超声波信号在空气中传播至障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收换能器并转换成电信号，经滤波、放大、整形后，输入到微处理器的外部中断口产生中断，计数器停止计数，此时计数器记得的脉冲数就是对应的需要测量的时间，通过相应的公式就可求出距离。并在液晶显示器上显示器距离，在不同的距离段进行语音提示，从而达到提示驾驶员注意的目的。第 3 页 共 50 页2. 总体方案论证与设计本系统以 STC89C52 单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对键盘的响应、数码管显示等功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。单片机通过驱动蜂鸣器发响声。主 控 模 块单 片 机温 度 测 量 模 块DS18B20按 键 模 块 超 声 波 模 块HC-SR04液 晶 模 块LCD1602报 警 模 块图 2.1 硬件结构框图本系统结构如图 2.1 所示，本设计可分为以下模块：单片机主控模块、键盘模块、超声波模块、液晶模块。下面对各个模块的设计方案逐一进行论证分析。2.1 主控模块STC89C52 单片机最初是由 Intel 公司开发设计的，但后来 Intel 公司把51 核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大公司。如是市面上出现了各式各样的但均以 51 为内核的单片机，倒是 Intel 公司自己的单片机却显得逊色了。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容 51 指令、并在 51 的基础上扩展一些功能而内部结构是与 51 一致的。STC89C52 有 40 个引脚，4 个 8 位并行 I/O 口，1 个全双工异步串行口，同时内含 5 个中断源，2 个优先级，2 个 16 位定时/计数器。STC89C52 的存储器系统由 4K 的程序存储器(掩膜 ROM)，和 128B 的数据存储器(RAM)组成。STC89C52 单片机的基本组成框图见图 2.2。第 4 页 共 50 页时钟电路R O M / E P R O M / F l a s h 4 K BR A M 1 2 8 BS F R 2 1 个定时个 / 计数器 2C P U总线控制中断系统5 个中断源2 个优先级串行口全双工 1 个4 个并行口X T A L 2 X T A L 1R S TE AA L EP S E NP 0 P 1 P 2P 3V s sV c c图 2.2 STC89C52 单片机结构图2.1.1 STC89C52 单片机主要特性1. 一个 8 位的微处理器(CPU)。2. 片内数据存储器 RAM(128B)，用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供 1K 的 RAM。3. 片内程序存储器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带 ROM/EPROM，如 8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将 RAM 和 ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST 公司推出的 89 系列单片机分别集成了 16K、32K、64K Flash 存储器，可供用户根据需要选用。4. 四个 8 位并行 IO 接口 P0P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。5. 两个定时器计数器，每个定时器计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的 52 系列单片机都会提供 3 个 16 位定时器/计数器。6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只 5 个中断源，例如 SST89E58RD 就有 9 个中断源。第 5 页 共 50 页7. 一个全双工 UART(通用异步接收发送器)的串行 IO 口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为 12MHz。SST89V58RD 最高允许振荡频率达 40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。2.1.2 STC89C52 单片机管脚图 图 2.3 89S52 单片机管脚图部分引脚说明：1.时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2：XTAL2(18 脚)：接外部晶体和微调电容的一端；在 8051 片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。要检查 8051/8031 的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看 XTAL2 端是否有脉冲信号输出。XTAL1(19 脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。第 6 页 共 50 页2.控制信号引脚 RST,ALE,PSEN 和 EA：RST/VPD(9 脚)：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源 Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将5V 电源自动两个机器周期(24 个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是 VPD,即接入 RST 端，为 RAM 提供备用电源，以保证存储在 RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。ALE/PROG(30 脚)：地址锁存允许信号端。当 8051 上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率 fOSC 的 1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输出信号作为锁存低 8 位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时，ALE 端也以振荡频率的 1/6 固定输出正脉冲，因而 ALE 信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确定 8051/8031 芯片的好坏，可用示波器查看 ALE 端是否有脉冲信号输出。如有脉冲信号输出，则8051/8031 基本上是好的。ALE 端的负载驱动能力为 8 个 LS 型 TTL(低功耗甚高速 TTL)负载。此引脚的第二功能 PROG 在对片内带有 4KB EPROM 的 8751 编程写入(固化程序)时，作为编程脉冲输入端。PSEN(29 脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引肢接 EPROM 的 OE 端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。PSEN 端有效，即允许读出 EPROMROM 中的指令码。PSEN 端同样可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。要检查一个 8051/8031 小系统上电后CPU 能否正常到 EPROMROM 中读取指令码，也可用示波器看 PSEN 端有无脉冲输出。如有则说明基本上工作正常。EA/Vpp(31 脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA 引脚接高电平时，CPU 只访问片内 EPROM/ROM 并执行内部程序存储器中的指令，但当 PC(程序计数器)的值超过 0FFFH(对 8751/8051 为 4K)时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号 EA 引脚接低电平(接地)时，CPU 只访问外部 EPROM/ROM 并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内 ROM 的 8031 或 8032,需外扩 EPROM，此时必须将 EA 引脚接地。此引脚的第二功能是 Vpp 是对 8751 片内 EPROM 固化编程时，作为施加较高编程电压第 7 页 共 50 页(一般 12V21V)的输入端。3.输入/输出端口 P0/P1/P2/P3：P0 口(P0.0P0.7，3932 脚)：P0 口是一个漏极开路的 8 位准双向 I/O 口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。当 P0 口作为输入口使用时，应先向口锁存器(地址 80H)写入全 1,此时 P0 口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写 1,这就是准双向口的含义。在 CPU 访问片外存储器时，P0 口分时提供低 8 位地址和 8 位数据的复用总线。在此期间，P0 口内部上拉电阻有效。P1 口(P1.0P1.7，18 脚)：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O口。P1 口每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。在 P1 口作为输入口使用时，应先向P1 口锁存地址(90H)写入全 1,此时 P1 口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。P2 口(P2.0P2.7，2128 脚)：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向I/O 口。P 口每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。在访问片外 EPROM/RAM 时，它输出高 8 位地址。P3 口(P3.0P3.7，1017 脚)：P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向I/O 口。P3 口每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P3 口与其它 I/O 端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下：P3.0：(RXD)串行数据接收。P3.1：(RXD)串行数据发送。P3.2：(INT0#)外部中断 0 输入。P3.3：(INT1#)外部中断 1 输入。P3.4：(T0)定时/计数器 0 的外部计数输入。P3.5：(T1)定时/计数器 1 的外部计数输入。P3.6：(WR#)外部数据存储器写选通。P3.7：(RD#)外部数据存储器读选通。2.1.3 STC89C52 单片机的中断系统STC89C52 系列单片机的中断系统有 5 个中断源，2 个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器 IE 控制 CPU 是否响应中断请求；由中断优先级寄存器 IP 安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断第 8 页 共 50 页同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。2.1.4 STC89C52 单片机的定时/计数器在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。89C52 单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：T0 和 T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1 还可以作为串行口的波特率发生器。2.2 LCD 液晶显示器简介2.2.1 液晶原理介绍显示器是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管(CRT/Cathode Ray Tube)显示器为主，但随着科技不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生，近来由于液晶(LCD)显示器具有轻薄短小、耗电量低、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，在近年来价格不断下跌的吸引下，逐渐取代 CRT 之主流地位，显示器明日之星架势十足。液晶是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化合物，它的透明程度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这特点便可做成字符显示器。液晶显示器(LCD)英文全称为 Liquid Crystal Display，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和 CRT 显示器相比，LCD 的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。显示接口用来显示系统的状态，命令或采集的电压数据。本系统显示部分用的是 LCD 液晶模块，采用一个 161 的字符型液晶显示模块。 点阵图形式液晶由 M 行N 列个显示单元组成，假设 LCD 显示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列对应 1 个字节的 8 个位，即每行由 16 字节，共 168=128 个点组成，屏上 6416 个显示单元和显示 RAM 区 1024 个字节相对应，每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。一个字符由 68 或 88 点阵组成，即要找到和屏上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 个字节，并且要使每个字节的不同的位为1 ，其它的为0 ，为1的点亮，为0的点暗，这样一来就组成某个字符。但对于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可让控制器工作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行第 9 页 共 50 页的列数找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。2.2.2 液晶模块简介LCD1602 液晶模块采用 HD44780 控制器，hd44780 具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L 与单片机 MCU 通讯可采用 8 位或 4位并行传输两种方式，hd44780 控制器由两个 8 位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF） ，显示数 RAM（DDRAM） ，字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器 RAM（CGRAM） ，地址计数器 RAM(AC)。IR 用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR 用于寄存数据，数据由内部操作自动写入 DDRAM 和CGRAM,或者暂存从 DDRAM 和 CGRAM 读出的数据，BF 为 1 时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM 用来存储显示的字符，能存储 80 个字符码， CGROM 由 8 位字符码生成 5*7 点阵字符 160 中和 5*10 点阵字符 32 种.8 位字符编码和字符的对应关系，可以查看参考文献（30）中的表 4. CGRAM 是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅 64 字节，可以自定义 8 个 5*7 点阵字符或者 4 个 5*10 点阵字符，AC 可以存储 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址码随指令写入 IR,则 IR 自动把地址码装入 AC，同时选择 DDRAM 或 CGRAM 但愿，LCD1602液晶模块的引脚图如图 2.5 所示。图 2.4 LCD1602 引脚图LCD1602 引脚介绍：Vss（1 脚）：一般接地。Vdd（2 脚）：接电源。Vee（3 脚）：液晶显示器对比度调整端，接电源时对比度最弱，接地时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度） 。RS（4 脚）：RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。R/W（5 脚）：R/W 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写第 10 页 共 50 页操作。E（6 脚）：E(或 EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。DB0（7 脚）： 底 4 位三态、 双向数据总线 0 位（最低位） 。DB1（8 脚）： 底 4 位三态、 双向数据总线 1 位。DB2（9 脚）： 底 4 位三态、 双向数据总线 2 位。DB3（10 脚）：底 4 位三态、 双向数据总线 3 位。DB4（11 脚）：高 4 位三态、 双向数据总线 4 位。DB5（12 脚）：高 4 位三态、 双向数据总线 5 位。DB6（13 脚）：高 4 位三态、 双向数据总线 6 位。DB7（14 脚）：高 4 位三态、 双向数据总线 7 位（最高位） （也是 busy flang） 。寄存器选择控制如表 2.1。表 2.1 寄存器选择控制RS R/W 操作说明0 0 写入指令寄存器（清除屏等）0 1 读 busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值1 0 写入数据寄存器（显示各字型等）1 1 从数据寄存器读取数据2.2.3 液晶显示部分与 STC89C52 的接口 如图 2-6 所示。用 STC89C52 的 P2 口作为数据线，用 P3.2、P3.1、P3.0 分别作为 LCD 的 E、R/W、RS。其中 E 是下降沿触发的片选信号，R/W 是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏，再设置接口数据位为 8 位，显示行数为 1 行，字型为 57 点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。向 LCD 的显示缓冲区中送字符，程序中采用 2 个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到 LCD 的显示缓冲区，程序延时 2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。第 11 页 共 50 页P1.02345/MOSI67CK8RET9XALVNU单YpFuW-BDlcdQrigho图 2.5 LCD1602 与 STC89C52 的接口2.3 键盘模块设计图 2.6 键盘本按键模块使用的是多位独立按键，按键一端接 IO 口，一端接地，由于单片机的 IO 口都有内部上拉，因此当按键没有按下的时候，IO 检测到的时候高电平，当按键按下的时候，相当于 IO 短接地，因此这时候单片机检测到的电平为低电平，通过检测不同时刻的 IO 口状态就可以判断按下的是那个按键。2.4 蜂鸣器模块设计由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来进行放大电流。蜂鸣器模块的电路图如下图所示。第 12 页 共 50 页1KR3T850VCLSBuzerP2.图 2.7 蜂鸣器第 13 页 共 50 页3. 超声波模块设计3.1 超声波的基本理论超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在 10 10 Hz，其中通常的412频率大约在 10 3 之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播4106时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。3.1.1 超声波的传播速度超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：横波质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波质点振动方向与传播方向一致的波；表面波质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中，其传播速度C gL=（ aB1） 2 （式 3-1）式中 介质的密度；aB绝对压缩系数。可以推导出超声波在空气种传播速度 TG61.043。 （T 为环境温度） 。第 14 页 共 50 页3.1.2 超声波的物理性质 当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。声波的反射系数和透射系数可以分别由如下两式求得：（式 3-2）12cossR（式 3-3）1212cosT式中： 分别为声波的入射角和反射角；,如果超声波斜入射到两个固体介质面或两粘滞弹性介质面时，一列斜入射的纵波不仅产生反射纵波和折射纵波，而且还产生反射横波和折射横波。超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的情况下，距离声源 x 处的声压 p 和声强 I 的衰减规律如下：（式 3-4）Axe0（式 3-5）I2式中： 距离声源 x=0 处的声压和声强；0,Ip超声波与声波间的距离；xA 衰减系数，单位为 （奈培/厘米） 。cmNp如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。若以两个频率相同，振幅 和 不等，波程差为 d 的两个波干涉为例，该两个波合成振幅为12（式 3-6）212121 )cos(d其中 为波长。从上式看出，当 d=0 或 d= （ 为整数）时，合成振幅 达nr第 15 页 共 50 页到最大值；当 d= 时，合成振幅 为最小值。当 时，,.)531(2nr21r；当 d 的奇数倍时，两波相互抵消合成幅度为 0。cos23.1.3 超声波对声场产生的作用A 机械作用超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大。有时足以达到破坏介质的程度。B 空化作用在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。C 热学作用如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。 3.1.4 超声波传感器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0f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f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。超声波传感器结构如下：第 16 页 共 50 页图 3.1 蜂鸣器3.2 超声波发生接收模块设计根据超声波测距原理，超声波收发设备应该完成超声波脉冲的发射以及回波首波的精确检测。从结构上可以将收发设备分为收发一体换能器和收发分立换能器，这两种形式各自有优缺点。收发一体超声波换能器由于超声波发射和接收在一个口，因此其不存在近距离形成所谓的三角关系，因此其近距离的测量精度高。但是也由于收发共用端口的原因，导致了在发射完成脉冲序列之前不能够开始接收，这就导致了盲区的存在，这在原理是是不能消除的。收发分立超声波换能器虽然在近距离上可以进行测量，近乎没有盲区的存在，但是在近距离上一定会形成一个三角关系，从而导致其近距离上的测量相对误差极大。而在电路上，由于收发一体的超声波换能器的发射驱动电路和接收极的接收检测电路彼此相连，导致了电路的相互干扰，增加了抗干扰设计工作。虽然收发分立形式也存在串扰的缺点，但其是可以通过软硬件设计消除的。从总体上来说，收发分立在应用上更加简单、可靠，本次设计采用收发分立形式换能器。3.2.1 收发分立集成超声波探头 HC-SR04 产品特点：HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。HC-SR04 实物图和总体参数分别如图 3.2 和表 3.1 所示。HC-SR04 电路原理图如图3.3 所示。第 17 页 共 50 页图 3.2 HC-SR04 实物图如图表 3.1 HC-SR04 总体参数图 3.3 HC-SR04