超声波测距系统毕业论文.doc

湖北省高等教育自学考试毕业论文 论文题目 超声波测距系统的设计 主考院校 武 汉 大 学 专 业 电 子 工 程 指导老师 张 铮 老 师 考生姓名 胡 林 刚 准考证号 013511210450 2013 年 03 月 18 日 I 摘摘 要要 论文的内容是基于 AT89C51 单片机超声波测距系统的设计 主要是利用超 声波的特点和优势 将超声波测距系统和 AT89C51 单片机结合于一体 该系统 采用软 硬件结合的方法 具有模块化和多用化的特点 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 论文概述了超声波测距的发展及基本原理 对于系统的一些主要参数进行 了讨论 并且在介绍超声波测距系统功能的基础上 提出了系统的总体构成 并对系统各个设计单元的原理进行了介绍 对组成各系统电路的芯片进行了介 绍 并阐述了它们的工作原理 论文介绍了系统的软件结构 通过编程来实现 系统功能 聞創沟燴鐺險爱氇谴净 该系统设计主要由主控制器模块 超声波发射模块设计 超声波接收模块 报警模块和显示模块等五个模块构成 这套系统抗干扰能力强 实时性良好 经过系统扩展和升级 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 残骛楼諍锩瀨濟溆塹 籟 关键字 关键字 单片机 超声波 传感器 LED 测距 0 目录 摘要摘要 I 酽锕极額閉镇桧猪訣锥 第 1 章 绪论 绪论 2彈贸摄 尔霁毙攬砖卤庑 1 1 选题背景 2 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 1 2 设计意义 2 厦礴恳蹒骈時盡继價骚 1 3 超声波测距系统在我国的发展 3 茕桢广鳓鯡选块网羈泪 第第 2 2 章章 系统构成及工作原理系统构成及工作原理 4 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴 2 1 超声波简介与应用 4 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 2 2 系统的设计思路 4 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴 2 3 系统的工作原理 5 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 第第 3 3 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 7 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 3 13 1 单片机的选择 7 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 3 2 超声波测距发射电路的设计 9 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 3 2 13 2 1 超声波电路的设计 9 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 3 2 2 反相器 74LS04 简介 10 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 3 3 超声波测距接收电路的设计 11 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 3 4 显示模块的设计 13 1 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 3 4 1 LED 数码管简介 14 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 3 5 报警模块的设计 14 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 3 6 时钟电路的设计 16 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 3 7 复位电路的设计 17 構氽頑黉碩饨荠龈话骛 第第 4 4 章章 软件系统的设计软件系统的设计 17 輒峄陽檉簖疖網儂號泶 4 1 软件设计分析 17 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 4 2 系统软件设计 18 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 4 2 1 主程序 18 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 4 2 2 超声波产生子程序 19 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 第五章 第五章 结论 21 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 参考文献 21 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 致谢 22 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 附录一 总电路图 23 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 附录二 程序 24 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 2 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 选题背景选题背景 随着科技发展的不断进步 自动测量技术不断更新 非接触式测量技术 也有了长足的发展 在很多工控场合 测量的物体是不能够直接接触到的 或 者是测量物体不宜直接接触 这个时候就要用到非接触式的测量仪器 自物理 学上发现了压电效应与反压电效应之后 人们解决了利用电子学技术产生超声 波的办法 从此超声波技术得到广泛运用 而在超声波测量领域 尤其是在测 距领域 结合各种其他技术的应用 超声波测量变得十分普及 怂阐譜鯪迳導嘯畫長 凉 超声波可用于非接触测量 具有超声波对色彩 光照度 外界光线和电磁 场不敏感 不受光 电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点 是利用计算超 声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的 对被测目标无损害 而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关 超声波的这些独特优点越来 越受到人们的重视 超声波测距方法相对于其他的测距方法有自己独特的优 点 谚辞調担鈧谄动禪泻類 1 相对于声波 超声波具有定向性好 能量集中 在传输过程中的衰减 较小 反射能力较强等优势 2 相对于光学方法 超声波的波速小 可以直接测量较近目标的距离 纵向分辨率较高 对色彩 光照度 电磁场不敏感 被测物体处于黑暗 有灰 尘 烟雾 电磁干扰 有毒等恶劣的环境有一定的适应能力 特别是在海洋勘 测方面具有独特的优点 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 3 超声波传感器结构简单 体积小 费用低 信息处理简单可靠 易于 小型化与集成化 随着科学技术的快速发展 超声波的应用将越来越广 但就目前技术水平 来说 人们可以具体利用的超声波技术还十分有限 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 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 1 21 2 选题意义选题意义 距离在很多场合和控制中需要实时检测 所以 测距就成为数据采集中重 要的一环 尽管测距有多种方式 比如 激光测距 微波测距 红外线测距和 超声波测距等 但是超声波测距不失为一种简单可行的方法 虽然超声波测距 电路多种多样 可是有的电路复杂 技术难度大 有的调试困难 有的元件不 易购买 这就在一些方面限制了超声波测距系统的应用 本设计的电路 成本 低廉 性能可靠 所用元件易购 结合单片机的数据处理 电路实现容易 工 作稳定可靠 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 3 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 超声波智能测距仪具有广泛 的实际用途 超声波测距仪广泛应用于生活 军事等各个领域 如施工建筑单 位对空间距离的测量 汽车倒车防撞系统 潜水艇的超声波探测定位系统 纣忧 蔣氳頑莶驅藥悯骛 超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用 如汽车倒车雷达等 它们 测距精度一般较低 目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大 展望未来 超声波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 它将朝着更高精度 更大应用范围 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 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 1 3 23 2 超声波测距系统在我国的发展超声波测距系统在我国的发展 超声波测距技术作为检测技术的重要手段之一 在其发展过程中起着重要 的作用 由于其信号的高频特性 超声测距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 需要通过有经验的人员对信号进行人工分析才 能得出正确的结论 对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 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 八十年代后期 由于计算机技术和高速器件的不断发展 使超声波信号的 数字化采集和分析成为可能 目前国内也相继出现了各类数字化超声波测距设 备 并已成为超声波检测的发展方向 厦门大学的某位学者研究了一种回波轮 廓分析法 该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点 通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高 另外 也有大量的 文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度 这些 处理方法都取得了较好的效果 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展 数字式超声波测距 系统的发展速度很快 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 随着测距技术研究的不断深入 对超声测距系统功能要求越来越高 单 数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差 进一步要求以后生产的超声 测距仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能 随后具有检测 记录 存 储 数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功 超声仪研 制呈现一派繁荣景象 其中 煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测 仪 是一种内带微处理器的智能化测量仪器 全部操作都处于微处理器的控制 管理之下 所有测量值 处理结果 状态信息都在显像管上显示出来 并可接 微型打印机打印 其数字和波形都比较清晰稳定 操作简单 可靠性高 具有 断电存储功能 其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序 的开发 与国内同类产品相比 设计新颖合理 功能齐全 在仪器设计上有重 4 大突破和创新 达到了国际先进水平 挤貼綬电麥结鈺贖哓类 第二章 系统构成及工作原理 2 1 超声波简介与应用 声波是物体机械振动状态 或能量 的传播形式 所谓振动是指物质的质 点在其平衡位置附近进行的往返运动 譬如 鼓面经敲击后 它就上下振动 这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播 这便是声波 超声波是指振动 频率大于 20000Hz 以上的 其每秒的振动次数 频率 甚高 超出了人耳听觉 的上限 20000Hz 人们将这种听不见的声波叫做超声波 超声和可闻声本质 上是一致的 它们的共同点都是一种机械振动 通常以纵波的方式在弹性介质 内会传播 是一种能量的传播形式 其不同点是超声频率高 波长短 在一定 距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 由于超声波具有如下特性 超声波可在气体 液体 固体 固熔体等介质 中有效传播 超声波可传递很强的能量 超声波会产生反射 干涉 叠加和共 振现象 超声波在液体介质中传播时 可在界面上产生强烈的冲击和空化现象 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫 超声效应已广泛用于实际 主要有如下几方面 1 超声检验 超声波探伤 测厚 测距 遥控和超声成像技术 超声测量 2 超声处理 超声焊接 钻孔 固体的粉碎 乳化 脱气 除尘 去锅垢 清洗 灭菌 促进化学反应和进行生物学研究等 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 3 基础研究 超声波作用于介质后 在介质中产生声弛豫过程 声弛豫过 程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程 并在宏观上表现出对声波的吸收 见声波 通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构 这方面的 研究构成了分子声学这一声学分支 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 2 2 系统的设计思路 超声波测距系统包括超声波的发射与接收系统 报警系统和显示系统 其 结构框图如图 2 1 所示 5 超声波接收 单片机 控制器 LED 显示 扫描驱动 报警装置 超声波发射 图 2 1 超声波测距系统的结构框图 超声波测距系统能够在必要的时候 例如 汽车倒车 通过单片机控制发 射电路发射超声波 超声波向前传播 当超声波遇到障碍物时会反射回来 由 接收电路接收 接收电路会把信号传送到单片机中 由单片机进行相关的数据 处理 所得到的结果会通过 LED 数码管显示出来 如果距离小于一个特定的值 单片机会发出指令让报警装置发出相应的警报声 在此过程中 如果发射装置 与障碍物之间有相对运动 那么 LED 数码管会不断地显示两者之间最新的距离 而单片机会对距离的变化情况发出不同的指令 如果两者的距离超出一定的范 围 本次设计是四米 就不再会进行报警 但是如果两者之间的距离不断缩 小 那么报警的声音就会发生变化 以便能够给人们提示 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 本系统的设计主要分为系统硬件电路的设计和系统软件程序的设计两部分 系统硬件电路部分由单片机最小系统模块 显示模块 语音报警模块 时钟模 块 复位模块组成 单片机为系统主控芯片 超声波传感器作为测量器件 通 过单片机进行程序处理 最后通过显示模块显示出测量的距离值并进行报警 2 32 3 系统的工作原理系统的工作原理骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 超声波发射器向某一方向发射超声波 在发射的同时开始计时 超声波向 前传播 途中碰到障碍物就立即返回来 超声波接收器收到反射波就立即停止 计时 假设超声波在空气中的传播速度为 v 根据计时器记录的时间 t 发射 点距障碍物的距离 H 如图 2 3 所示 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉 6 图 2 3 超声波测距原理 图2 3中被测距离为H 两探头中心距离的一半用M表示 超声波单程所走 过的距离用L表示 由图中关系可得 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 H Lcos 1 arctan M H 2 将式 2 代入式 1 得 H L cos arctan M H 3 在整个传播过程中 超声波所走过的距离为 2L vt 4 上式中 v 为超声波的传播速度 t为传播时间 即为超声波从发射到接 收的时间 将式 4 代入式 3 可得 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 H 0 5vt cos arctan M H 5 当被测距离H 远远大于M 时 于是式 5 变为 H 0 5vt 6 这就是所谓的时间差测距法 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 辔烨 棟剛殓攬瑤丽阄应 7 第三章 系统硬件电路设计 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 选择单片机需要 考虑以下几个方面 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 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 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 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 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷 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 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 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 AT 单片机就是因为它能满足低功耗的要求 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 供货渠道是否畅通 价格是否低廉 芯片保密性能好 单片机的抗干扰性能好 AT89C51 在指令系统 硬件结构和片内资源上与标准 8051 单片机完全兼容 DIP40 封装系列与 8051 为 Pin to Pin 兼容 AT89 系列单片机高速 最高时钟 频率 90MHz 低功耗 不占用户资源 根据本系统的实际情况 选择 AT89C51 单片机 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜 I O 端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对 I O 寄存 器进行编程 具体步骤如下 1 根据实际电路的要求 选择要使用哪些 I O 端口 用 EQU 伪指令定 义其相应的寄存器 2 初始化端口的数据输出寄存器 应避免端口作为输出时的开始阶段出 现不确定状态 影响外围电路正常工作 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 3 根据外围电路功能 确定 I O 端口的方向 初始化端口的数据方向 寄存器 对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化 因为 I O 的复位缺省 值为输入 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 4 用作输入的 I O 管脚 如需上拉 再通过输入上拉使能寄存器为其 内部配置上拉电阻 8 5 最后对 I O 端口进行输出 写数据输出寄存器 和输入 读端口 编程 完成对外围电路的相应功能 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 图 3 1 AT89C51 的引脚图 图 3 2 AT89C51 单片机芯片外观图 根据系统设计要求 各接口功能如下 P1 0 产生输出一个 40KHZ 的脉冲信号 P1 1 产生输出一个 40KHZ 的脉冲信号 P1 2 产生输出一个 40KHZ 的脉冲信号 INT0 产生中断请求 接前方测距电路 INT1 产生中断请求 接前方测距电路 P1 3 接 ICA3 输入端 用于中断优先级的判断 P1 4 接 ICA3 输入端 用于中断优先级的判断 9 P0 0 用于显示输出 接显示器 P0 1 用于显示输出 接显示器 P0 2 用于显示输出 接显示器 P0 3 用于显示输出 接显示器 P0 4 用于显示输出 接显示器 P0 5 用于显示输出 接显示器 P0 6 用于显示输出 接显示器 P0 7 用于显示输出 接显示器 P2 7 接报警电路 P2 0 接报警电路 P2 1 接报警电路 XTAL1 接外部晶振的一个引脚 在单片机内部 它是一反相放大器输入 端 这个放大器构成了片内振荡器 它采用外部振荡器时 引脚应接地 懨俠劑 鈍触乐鹇烬觶騮 XTAL2 接外部晶振的一个引脚 在片内接至振荡器的反相放大器输出端 和内部时钟发生器输入端 当采用外部振荡器时 则此引脚接外部振荡信号的 输入 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘 RST AT89C51 的复位信号输入引脚 高电位工作 当要对芯片要复位时 只要将此引脚电位提升到高电位 并持续两个机器周期以上的时间 AT89C51 便能完成系统复位的各项工作 使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知 状态 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚 3 3 2 2 超声波测距发射电路的设计超声波测距发射电路的设计 发射电路主要由反向器 74ls04 和超声波发生器 T 构成 单片机 P2 5 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发生器的一个电极 另一路经两级反向器送到超声波的另一个电极 用这种推挽形式将方波信号加 到超声波发生器两端 可以提高超声波的发射强度 电路设计如图 3 3 所示 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减 10 1A 1 1Y 2 2A 3 2Y 4 3A 5 3Y 6 GND 7 4Y 8 4A 9 5Y 10 5A 11 6Y 12 6A 13 VCC 14 U4B 74LS04 1K R2 1K R1 T1 VCC INTD 12 RESET 9 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 INTO 13 INTD 12 T0 14 T1 15 EAVPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 WR 16 RD 17 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P17 8 P00 39 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALEP 30 RXD 10 TXD 11 U5 AT89C51 VCC VCC 图 3 3 3 2 反相器 74LS04 简介 反向器 74LS04 是 6 非门 其工作电压为 5V 他的内部含有 6 个 CMOS 反 相器 74LS04 的作用就是反相把 1 变成 0 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 下表 3 1 是其工作范围的分布情况 图 3 4 为引脚图介绍 表 3 1 执行工作的极限值 符号参量最小值最大值单位 VCC电源电压4 755 25V TA工作温度范围075 C IOH最大输出电流8mA IOL最小输出电流 0 4mA 图 3 4 74LS04 引脚图 11 3 3 超声波测距接收电路的设计 超声波探头必须采用与发射探头对应的型号 关键是频率要一致 本设计 采用 TCT40 16T R 否则将因无法产生共振而影响接收效果 甚至无法接收 由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱 因此必须经放大电路放大 正弦波 信号不能直接被单片机接收 必须进行波形变换 按照上面所讨论的 单片机 需要的只是第一个回波的时刻 接收电路的设计采用 CX20106A 这是一款红外 线检波接收的专用芯片 考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距超声波 频率 40KHz 较为接近 可以利用它作为超声波发射电路 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 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 1 2 5mA 典型值为 1 8mA 3 输出低电平 0 2V 4 电压增益 77 79dB 5 输入阻抗为 27k 6 滤波器中心频率 f0 为 30 60kHz 其内部结构如下图 3 5 所示 各引脚功能如下表 3 2 所示 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 检波器及 前置放大 限幅放大 宽频带滤波器 比较器 整形 滞后比较器 IN C1 C2 GND fo C3 OUT Vcc 18374652 ABLG 红外信号 输入端 增益 调节端 检测端地带通滤 波器调 整端 积分端信号 输出端 电源端 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹 图 3 5 CX20106A 内部结构图 12 表 3 2 CX20106A 引脚功能 引脚名称功能 1IN 信号输入端 2C1 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 3C2 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 4GND 接地端 5f0 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 6C3 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 7OUT 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 8VDD 电源正端 接 5V CX20106A 的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 13 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 接收电路如图 3 6 所示 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱 骝 TX3 传传传 T2 传传传传传传传传 1K R3 1K R4 5100pF C5 1 2 3 4 5 6 7 8 CX2016A 100pF C8 1K R5 VCC 1 TX4 传传传 TX1 传传传 TX2 传传传 TX5 传传传 1 100pF C6 100pF C7 图 3 6 超声波接收电路图 14 3 4 显示模块方案的设计 显示模块的设计可采用 12MHz 高精度的晶振 以获得较稳定的时钟频率 减小测量误差 单片机用 P1 0 端口输出超声波所需的 40KHz 方波信号 利用 外中断 0 口检测超声波接受电路输出的返回信号 显示电路采用简单实用的共 阳 LED 数码管 位码用 PNP 三极管驱动 本设计的显示电路原理图如下图 3 7 所示 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 图 3 7 显示电路的设计 3 4 3 LED 数码管简介 LED 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的 加上小数点就是 8 个 这些段分别由字母 a b c d e f g dp 来表示 当数码管特定的段加上电 压后 这些特定的段就会发亮 以形成我们眼睛看到的字样了 如 显示一个 2 字 那么应当是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮 LED 数码 管有一般亮和超亮等不同之分 也有 0 5 寸 1 寸等不同的尺寸 小尺寸数码 管的显示笔画常用一个发光二极管组成 而大尺寸的数码管由二个或多个发光 二极管组成 一般情况下 单个发光二极管的管压降为 1 8V 左右 电流不超 过 30mA 发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管 发 光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管 趕輾雏纨颗锊讨跃满 賺 常用 LED 数码管显示的数字和字符是 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 LED 结构图如图 3 8 所示 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 15 3 8 LED 结构图 3 5 报警模块的设计 随着科技的发展和产品的集成化 语音芯片已经逐渐替代了多种语音设 备应用各场合 语音芯片主要特性是功耗低 抗干扰能力强 外围器件少 控制简单 语音保存时间久 某些语音芯片可以保存内容100 年 掉电 不丢失语音 部分芯片还可以重复擦写语音内容 如汽车倒车雷达 公交车 报站器 银行排队机 语音玩具 防盗系统等设备都装备了语音芯片 视絀 镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 语音芯片从使用功能上 基本可以划分为录音语音芯片和放音语音芯片 通常带有录音功能的语音芯片都具有回放语音的功能 所以我们选用 ISD1110 芯片 如图 3 9 所示 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 图 3 9 ISD1110 结构图 16 图 3 10 ISD1110 引脚图 它是有 28 条引脚的双列直插式芯片 各条引脚的功能含义说明如下 A0 A7 引脚 1 6 9 10 地址输入端或控制命令输入端 A7 A6 同时为高电平时 A4 A0 为控制命令 否则 A7 A0 为地址 DGND 引脚 12 数字信号地线 AGND 引脚 13 模拟信号地线 SP SP 扬声器连接端 输出音频信号 V 模拟信号电源 5V MIC 引脚 17 话筒输入端 MIC REF 引脚 18 话筒参考输入端 AGC 引脚 19 自动增益控制端 ANA IN 引脚 20 模拟信号输入端 ANA OUT 引脚 21 模拟信号输出端 PLAYL 引脚 23 放音控制电平触发端 当该端为低电平时 芯片进入放 音周期 当该端为高电平时 停止放音 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟 PLAYE 引脚 24 放音控制脉冲触发端 该输入端由高变低时放音 RECLED 引脚 25 录音显示端 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 XCLK 引脚 26 时钟端 REC 录音端 引脚 27 低电平为录音状态 VDD 引脚 28 V 声音报警是测距系统探测到的距离小于所设定的安全值 此次设计是4米 17 时 发出声音提醒用户 可直接驱动蜂鸣器发声或经外接功放推动扬声器放音 电路图如图3 11所示 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮 470 R8 D1 VCC 51K R9 LS2 Bell Q1 PNP VCC INTD 12 RESET 9 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 INTO 13 INTD 12 T0 14 T1 15 EAVPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 WR 16 RD 17 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P17 8 P00 39 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALEP 30 RXD 10 TXD 11 AT89C51 图 3 11 报警模块 3 6 时钟电路的设计 时钟电路引脚是 X1 和 X2 如图 3 11 所示 为了产生时钟信号 在 AT89C51 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 本系统使用的石英晶振频率为 12MHZ 产生时钟信号电路如图 3 11 镞锊过润启婭澗骆讕瀘 图 3 12 时钟电路 3 73 7 复位电路的设复位电路的设 计计 复位功能的引脚是 RST9 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 INTD 12 RESET 9 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 INTO 13 INTD 12 T0 14 T1 15 EAVPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 WR 16 RD 17 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P17 8 P00 39 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALEP 30 RXD 10 TXD 11 AT89C51 30pF C2 30pF C1 12 Y1 XTAL VCC 18 机复位 只要这个脚保持高电平 51 芯片便循环复位 复位后 P3 口均置 1 引 脚表现为高电平 程序计数器全部清零 当复位脚由高电平变为低电平时 复 位电路停止工作 如图 3 12 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛 图3 13 复位电路 第四章 软件系统的设计 4 1 软件设计分析 系统软件的设计 它所需要完成的主要是针对系统功能的实现及数据的处 理和应用 根据以上所述系统硬件设计和各个电路功能 系统软件需要实现以 下功能 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑 1 信号控制 在系统硬件中 已经完成了发射电路 回波检测接收电路 19 的设计 在系统软件中 要完成发射脉冲信号及输出显示 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲 2 数据存储 为了得到发射信号与接收回波间的时间差 要读出此刻计 数器的计数值 然后存储在RAM中 而且每次发射周期的开始 需要对计数器 清零 以备后续处理 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭 3 信号处理 RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出 超声 波从发射出去碰到障碍物返回接收传感器的时间 需要通过软件定时器来记录 根据这个时间才能计算出障碍物的距离 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙 4 数据传输与显示 经软件处理得到的距离要以十进制的方式送LED显示 4 2 系统软件设计 超声波测距软件设计主要由主程序 超声波发射子程序 超声波接受中断 程序 显示子程序以及报警程序组成 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并且容易精确据算程序运行的时间 而超声波 测距器的程序既有较复杂的计算 计算距离时 又要求精确计算程序运行时间 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写 臠龍讹驄桠业 變墊罗蘄 4 2 1 主程序 主程序采用 C 语言编写 主程序流程图如图 4 1 所示 主程序首先对系统环境 初始化 设置定时器 T0 工作模式为 16 位的定时计数器模式 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 由于采用 12MHz 的晶振 机器周期为 1us 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 按下式计算即可测 得被测物体与测距仪之间的距离 设计时取 20 C 时的声速为 344m s 则有 d C T0 2 172T0 10000cm 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 然后再发超声波脉冲重复测量过程 当数 码管显示的数据超出设定值时 产生报警 总程序见附录二 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞 20 系统初始 化 发送超声波脉 冲 等待反射超声波脉 冲 LED 显示结 果 计算距离 开 始 图 4 1 主程序框图 4 2 24 2 2 超声波产生子程序超声波产生子程序 Y N 设置计数器 T0 初值 开启计数器 产生 40kHz 方波信号 是否发射完 返回 开始 图 4 2 40K 赫兹超声波产生程序框图 测距系统中所需要的工作电压是 40kHz 的脉冲信号 这是由单片机执行下 面程序来产生 21 MAIN11 1 AJMPMAIN5 返回调节 MAIN12 SETBTR0 重新开启测距定时器 MOV R2 64H 测量间隔控制 约 4 100 400MS LOOP LCALLDISPLAY 显示当前测得的数值 DJNZ R2 LOOP 显示一定时间 AJMP MAIN2 显示完后返回测距主程序 DST1 CPL VOUT 定时中断 1 中断程序 发出声波 DJNZ R4 RETIOUT CLR TR1 超声波发送完毕 关 T1 CLR ET1 关定时 1 中断 MOV TH1 0F6H 0 1S 的定时值 前方测距电路的输入端接单片机 P3 2 端口 单片机执行上面的程序后 在 P3 2 端口输出一个 40kHz 的脉冲信号 经过三极管 T 放大 发出 40kHz 的脉冲超声波 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺 第五章第五章 结论结论 本设计的优点在于使用单片机作为主控芯片 利用与单片机 时钟芯片 22 存储芯片 液晶模块 键盘 语音芯片 扬声器等系统硬件配置完成系统功能 系统软硬件设计结构紧凑 软硬件资源得到充分利用 有效压缩了系统成本 提高了系统的性价比和稳定性 另外 采用单片机为主控芯片设计的系统体积 小重量轻便于安装和放置 加上高性价比 低成本的优势 使得这种系统更易 于推广 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽 超声波测距系统可以实时监测一定距离内的最新动态 同时 系统又增加 了语音报警的功能 可以使用户在最短的时间内作出调整 从而避免了许多不 必要的麻烦 系统设计充分体现了以人为本的服务理念 通过合理分配资源提 高了工作效率 浹繢腻叢着駕骠構砀湊 由于设计时间问题 不能进行全面设计 致使系统存在些许缺陷 一方面 没有温度补偿系统 由于超声波的速度受到温度的的影响 所以这样会造成测 量精度不高 只能应用于精度要求较小的场合 大大影响了该系统的推广 另 一方面缺乏可塑性 这次的设计只是针对了测量距离在 4 米的情况 而对于更 改参数则比较困难 以上的缺点不能掩盖系统的优点 在测距的问题上 此次 设计的测距系统会是一个很好的解决方案 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝 参考文献 1 吴斌方 刘民 超声波测距传感器的研究 M 湖北工学院学报 2004 6 23 2 瞿金辉 周蓉生 超声波测距系统的设计 M 中国仪器仪表 2007 8 3 Proteus 入门实用教程 M 机械工业出版社 2007 09 4 李丽霞 单片机在超声波测距中的应用 电子技术 2002 6 5 江思敏 ALTIUM DESIGNE PROTEL 原理图与 PCB 设计教程 M 机械工业出版社 2009 08 6 戴曰章 基于 AT89C51 单片机的超声波测距系统 电气时代 2005 7 7 雷辉 基于 AT89C2051 的智能防撞报警器设计 电气时代 2005 1 8 董子和 李永辉 超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用 汽车电器 1997 1 9 李茂山 超声波测距原理及实践技术 实用测试技术 1994 1 10 雷辉 基于 AT89C2051 的智能防撞报警器设计 电气时代 2005 年第 1 期 致谢 24 本论文能得以顺利完成首先要感谢我的导师 从理论研究到系统设计 从 工具软件的使用到系统技术难点的攻关 从相关知识的教学视频到重要的专业 书籍和资料 张老师都给予了我悉心的指导和帮助 老师知识渊博 治学严谨 关心爱护学生 对科研工作一丝不苟 解答学生疑问耐心细致 这一切为我树 立了良好的榜样 使我受益匪浅 没有老师的悉心指导和无私的帮助我的论文 是无法完成的 在此由衷的感谢老师 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵 感谢在论文完成过程中给予我帮助的同组同学以及网上的朋友们 他们在 设计的不同时期分别给过我很大的帮助 感谢学院的老师和同学们 给我们提供了一个良好的学习环境 便于我们 顺利的完成毕业设计 感谢开题答辩时给予我指点的老师们 他们让我在设计 的初期对自己的设计进行了实际的 合理的定位 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐 感谢大学 在学校里 我不仅学习了很多文化知识 还学会了怎样做人 做一个踏踏实实 自强奋进的人 在学校的所学 为我踏入社会打好了坚实的 基础 最后 感谢在百忙之中 抽出时间来评审我论文的老师们 嚌鲭级厨胀鑲铟礦 毁蕲 25 附录一 总电路图附录一 总电路图 26 附录二 程序 TJ1EQU60H TJ2 EQU61H TJ3 EQU62H TJ4 EQU63H TJ5 EQU64H A1 EQU65H A2 EQU66H A3 EQU67H A4 EQU68H VOUT EQUP2 4 BELLEQUP1 1 ORG0000H AJMPSTART ORG0003H AJMPINT0 ORG000BH AJMPDST0 ORG001BH AJMPDST1 ORG002BH RETI START SETBEA CLRTJ4 MOVTMOD 21H MOVTH0 00H MOVTL0 00H MOVTH1 0F6H MOVTL1 0F6H MOVR4 04H 27 SETBET1 SETBET0 SETBPX0 MAIN1 SETBTR0 MAIN2 LCALL DISPLAY JNBTJ1 MAIN2 CLREA SETBEA CLRTJ1 JB P3 4 ZY2 ACALLDELAY10 JB P3 4 ZY2 AJMPZY1 ZY2 AJMPMAIN12 ZY1 CLRBELL ACALLDELAY125 SETBBELL ACALLDELAY1S MAIN3 MOVA TJ4 CJNEA 0 MAIN3 1 ACALLDISPLAY2 AJMPMAIN3 2 MAIN3 1 LCALL DISPLAY1 MAIN3 2 JB P3 5 MAIN4 ACALLDELAY10 JB P3 5 MAIN4 CLRBELL ACALLDELAY125 SETBBELL MOVA TJ4 CJNEA 0 MAIN3 3 28 MOVTJ4 1 AJMPMAIN4 MAIN3 3 MOVTJ4 00H MAIN4 JB P3 4 MAIN3 ACALLDELAY10 JB P3 4 MAIN3 CLRBELL ACALLDELAY125 SETBBELL ACALLDELAY125 CLRBELL JNBP3 4 SETBBELL MOVTJ5 0 AJMPMAIN5 MAIN5 MOVA TJ5 CJNEA 0 MAIN5 1 ACALLDISPLAY3 AJMPMAIN6 MAIN5 1 CJNEA 1 MAIN5 2 AC