基于单片机的超声波测距系统硬件设计

安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书专业测控技术与仪器班级仪1041姓名程福安学号101844006指导教师程竹明二一四年六月五日安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书I装订线摘要基于单片机超声波测距的汽车倒车测距系统是在充分理解了超声波测距原理的基础上提出来的。系统工作时，超声波传感器发出了脉冲信号，经障碍物反射后由超声波接收装置接受并送至单片机处理，可实现倒车时障碍物距离的实时监测并通过蜂鸣器报警提示驾驶员注意安全。本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于AT89C51单片机为主控制器的超声波测距系统。该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及蜂鸣器报警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距系统的硬件组成、检测原理和方法。关键字超声波测距；51单片机；倒车；报警安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书II装订线ABSTRACTMICROCONTROLLERBASEDULTRASONICRANGINGCARREVERSINGRANGINGSYSTEMISPROPOSEDTOFULLYUNDERSTANDTHEBASISOFTHEPRINCIPLEOFULTRASONICDISTANCEMEASUREMENTWHENTHESYSTEMWORK,THEULTRASONICSENSORSENDSAPULSESIGNALAFTERREFLECTIONOBSTACLESACCEPTEDANDRECEIVEDBYTHEULTRASONICDEVICETOTHEMCUPROCESSING,ENABLINGREALTIMEMONITORINGOFOBSTACLESWHENREVERSINGDISTANCEANDTHROUGHTHEBUZZERALARMDRIVERSAFETYTHISPAPERSPREADREFLECTIONPRINCIPLEBASEDONSOUNDWAVESINTHEAIR,ASTHEULTRASONICTRANSDUCERINTERFACECOMPONENTS,INTRODUCESTHEMAINCONTROLLERBASEDONAT89C51ULTRASONICRANGINGSYSTEMTHEDESIGNCONSISTSOFANULTRASONICTRANSMITTERMODULE,SIGNALRECEIVINGMODULE,SINGLECHIPPROCESSINGMODULE,ADIGITALDISPLAYANDBUZZERALARMDISPLAYCOMPONENTMODULES,THEPAPERDETAILSTHERANGEFINDERHARDWARECOMPONENTS,DETECTIONPRINCIPLESANDMETHODSKEYWORDSULTRASONICRANGING51SINGLECHIPMICROCOMPUTERREVERSINGALARM安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书III装订线目录1绪论111倒车测距的意义112倒车测距的发展过程113本设计的主要内容52超声波测距系统方案设计621系统总体设计思路622系统方案设计723超声波测距原理83系统硬件设计93189C51单片机主控系统电路设计931189C51单片机介绍9312电源电路13313复位电路14314时钟电路14315DS18B20温度传感器简介及电路15316显示电路16317报警电路18318按键电路1932超声波发射电路设计1932174LS04简介19322超声波的发射20333超声波传感器原理2233超声波接收电路234系统的硬件调试、仿真和误差分析2641系统仿真环境PROTEUS26411PROTEUS工作界面26412仿真文件的建立2742系统的仿真和调试2943系统误差分析325结论34参考文献致谢文献翻译安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第1页装订线1绪论倒车测距系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以蜂鸣器报警告知驾驶员周围障碍物的情况，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，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。倒车测距系统的市场已经开始由进口高档汽车向中低档汽车发展。技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。由此可见，超声波汽车倒车测距系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。超声波倒车测距系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车测距系统大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。11倒车测距的意义随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。虽然每辆车都有后视镜，但不可避免的都存在一个后视盲区。倒车测距是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了使用死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车测距在生活中明显的变得越来越重要。12倒车测距的发展过程历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始。声纳是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。经过几个世纪，科学家们对此反复研究，最终发现了超声波的原理。超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用10。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第2页装订线腐蚀，触电接触不良造成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性。由于超声波在传播过程中，声压会随距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪比低，用固定阀值的比较器检测回波，可能导致越过门槛的时间前后移动，从而影响计时的准确性，这必然会影响到测距的准确度。另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，存在惯性、滞后等现象，以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，均导致回波信号被展宽，也使测量产生较大的误差，影响了测距的分辨率。其他如温度，风速等也会对测量造成一定的影响。计量学在制造业中越来越重要。直接在机器上测量尤其能推动制造业的发展。目前为止大部分还是采用视觉的或触觉的测量方法。但是墙的厚度就不能用这些来测量，因此德国人把超声系统结合到机器设计出了测距方法。随着超声波的发展，早在2000年时英国人就设计出了可观察、识别并测距的超声波集成系统1。近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣，直接关系到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度，进而决定着超声波探测定位系统的精度和反应速度。近年来，童峰、杨益春、程晓亮等先后在该方面做了大量研究。童峰等提出最小均方自适应时延估计LMSTDE的算法。该算法消去了实际换能器与理想换能器的频率特性差，消除了信道由于斜向入射产生的传递特性对输出信号产生的影响，使整个系统保持平坦的频率响应，且输出均方误差最小。但该算法计算量太大，特别在自适应滤波器的阶数较高时，计算量会明显增加。杨益春等针对传统相关计算法在信号的采样频率很低时计算得出的相关函数分辨率低这一不足，提出了基于修正的线性调频变换和相关峰细化原理的精确时延估计快速算法，精确计算相关函数的峰，使得低采样信号的时延估计精度得以提高，并且不受采样率的限制。程晓畅等针对常规相关峰插值方法在多倍插值的情况下，计算复杂、时延估计精度差等缺陷,结合超声回波信号的窄带通特性和相关峰细化原理,提出了直接提取相关函数包络和包络峰细化的算法,并分析了计算复杂度；并且还针对超声波换能器的带宽特性和单脉冲回波特性，对M序列参数设计方法进行分析。他们借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，提出了基于FFT的伪随机码包络相关快速时延估计的算法，将信号解调与匹配相关融合，减少了计算量。这三种算法均属于互相关函数算法，与传统互相关函数算法相比，它们均在提高时延估计精度安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第3页装订线的同时，避免了计算量的大幅增加。卜英勇等根据回波信号的传输特征，利用小波分析法对回波信号进行运算处理，提出了基于小波包络原理的峰值监测方法。小波分析法是一种针对信号的时间尺度时间频率进行分析的方法，可以获得平滑、有效的回波包络曲线,进而利用峰值检测法确定回波前沿的到达时刻，具有高分辨率的优点。赵海鸣等提出通过双比较器整形结合软件确定回波前沿的测量方法，在一定程度上消除了由于回波信号强弱变化而造成的测量时间的误差，从而提高测量精度，使在空气中近距离测量的精度可达到厘米级2。陈先中等基于能量重心校正法和最小二乘法的原理，提出了一种改进型椭圆中心超声回波寻峰的算法，即通过曲线拟合搜索回波信号能量集中点椭圆中心点，进而找到回波信号的峰值点。与包络线法和三次多项式法相比，此算法相对误差稳定在02，适用于高精度工业测量3。目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。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。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的4。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5。为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，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、磁致伸缩型和电动型等8；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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第4页装订线目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽6。近年来，如何合理选择超声发射脉冲，可以使超声波测距系统在提高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力，成为超声波测距技术的又一个重要研究方向。针对此点，程晓畅借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，率先提出通过选用伪随机二进制序列作为超声发射的脉冲压缩信号，并在接收端对回波进行处理，从而获得窄脉冲的方法。兼顾测距范围和精度，提出通过采用40KHZ与20KHZ两种超声波同时测距的双频超声测距方法7。脉冲压缩技术与双频超声测距技术在超声测距中的应用，在一定程度上使超声波测距系统同时具备了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测能力，但仍旧不能满足高精度测量的要求。经过多年的发展，倒车测距设计以及使用发生了质的变化。经过这几年的发展，倒车系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车这三种。第一代倒车时通过喇叭提醒。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。第二代采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后18M15M处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。第三代数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在18M开始显示；如果是人，在09M左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3种颜色来区别绿色代表安全距离，表示障碍物距离有08M以上；黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有06M08M；红色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到06M，必须停止倒车。第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。第四代液晶屏动态显示。这一代有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过LED显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第5页装订线第五代魔幻镜倒车测距。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2M以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车可以把后视镜、倒车测距、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车系统。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式样可以按照个人需求和车内装饰选配。第六代专为高档轿车配置的。第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看视频。13本设计的主要内容本文以AT89C51单片机为核心，采用40KHZ压电超声传感器的超声测距仪。具有电路简单，集成度高，体积小，功耗低；测量精度及灵敏度高，测量距离广0CM到65M并且价格低廉，开发周期短，调试方便等优点，适合测距的广泛应用。单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，通过调用相关软件计算出相应的距离，并在数码管上显示出来。安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第6页装订线2超声波测距系统方案设计21系统总体设计思路超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为33145米/秒，由单片机负责计时，单片机使用120M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。目前比较普遍的测距的原理通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距报警装置等。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。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要求。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距系统能达到毫米级的测量精度。目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。所以，8051是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处14。根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C51单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用锁相环CX2016A对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第7页装订线收情况进行实时监控。可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；AT89C51还控制显示电路，用动态扫描法实现LED数字显示。由单片机AT89C51编程产生40KHZ的方波，由P10口输出，再经放大电路，驱动超声波探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理，送至单片机。单片机利用声波传播的速度和发射脉冲到接收到反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路、LED数码管显示和声光报警装置组成。传感器输入与发射接收电路相连，接收电路输出端与单片机相连，单片机的输出端与显示报警电路输出端相连。其时序图如下所示图21超声波发射接收时序图22系统方案设计超声波测距系统结构如图22所示。它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、温度传感器、键盘、LED显示电路、报警电路及电源电路组成。系统主要功能包括1）超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；2）检测空气温度用于距离计算的补偿；3）LED显示器显示距离、温度；4）键盘接收用户命令并处理；5）当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位；6当测出的距离小于1M时，报警电路工作，蜂鸣器响。安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第8页装订线图22超声波测距系统结构图23超声波测距原理超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为V，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差T,就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即2/TVS（21）这就是时间差测距法2。由于超声波也是一种声波，其声速C与空气温度有关，一般来说，温度每升高1声速增加06M/S。表21不同温度时的声速温度（）3020100102030声速（M/S）313319325332338344349在使用时，如果温度变化不大，则可以认为声速C是基本不变的，计算时取C为340M/S。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件基本不变的情况下用软件的算法加以校正，为了减少电路的复杂性提高电路的稳定性。采用编写软件改进算法的方法加以校正。如果环境温度变化显著，则必须考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的关系可以表示成C331406TM/S（22）声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。障碍物发射电路超声波发射传感器接收电路超声波发射传感器AT89C51单片机报警电路电源电路LED显示电路安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第9页装订线3系统硬件设计3189C51单片机主控系统电路设计31189C51单片机介绍单片机由单块集成电路芯片构成，内部包括含有计算机的基本功能部件CPU、存储器和I/O接口单路等。因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备结合，便可成为一个单片机控制系统。外部定时元件复位中断电源系统时钟ROMRAM系统总线中央处理器（CPU）定时器/计数器串行I/O接口并行I/O接口TTXDRXDP0，P1，P2，P3图31AT89C51单片机的结构单片机基本介绍148位CPU4KB程序存储器（ROM）128字节的数据存储器（RAM）32条I/O口线；111条指令，大部分为单字节指令；安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第10页装订线21专用寄存器；2个可编程定时/计数器；5个中断源，2个优先级；1个全双工串行通信口；外部数据存储器寻址空间为64KB外部程序存储器寻址空间为64KB逻辑操作位寻址功能；多种封装形式；单一的5V供电。图32单片机的引脚图1存储器在单片机内部，ROM和RAM存储器是分开的。通常，ROM存储器容量较大，RAM存储器容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。（1）ROMROM（REDAONLYMEMORY,只读存储器）一般为4K字节，用于存放应用程序，故又称程序存储器。由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研究成功，其硬件和应用程序均已定型。为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内ROM中。根据片内ROM的结构，单片机又可分为无ROM型、安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第11页装订线ROM型和EPROM（ERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY，可擦除可编程只读存储器）型三类。近年来，又出现了EEPROM（ELECTRICALLYERASABLEPROGRAMMABLEONLYMEMORY，电可擦除可编程只读存储器）和FLASH型ROM存储器。（2）RAM通常，单片机内RAM（RANDOMACCESSMEMORY，随机存储器）容量为128字节，RAM主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器作用。2中央处理器（CPU）中央处理器的内部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部电路原理图来加以介绍分析是根本不可能的。下面简单概述下几个主要部分的工作原理。（1）运算器运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制下进行的。算术逻辑单元ALU运累加器A算通用寄存器R0器暂存器TMP状态寄存器PSW累加器AACCUMULATOR是一个具有输入输出功能的移位寄存器，由8个触发器组成。TR（TEMPORARYREGISTER,暂存器）也是一个8位寄存器，用于暂存另一操作数。ALU（ARITHMETICANDLOGICALUNIT,算术逻辑单元）主要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累加器A和暂存器TMP中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。PSW（PROGRAMSTATUSWORD,程序状态字）也由8位触发器组成，用于存放ALU操作过程中形成的状态字。（2）控制器控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢。控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。指令是一种供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分。时序部件由时钟系统和脉冲分配器组成，由于产生微控制部件所需的定时脉冲信号。微操作控制部件可以为IDINSTRUCTIONDECODER,指令译码管输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可以与外部进来的信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。3内部总线单片机内部总线是CPU连接片内各主要部件的纽带，是各类信息传递的公安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第12页装订线共通道。内部总线由三种不同性质的连线组成，它们是地址线、数据线和控制/状态线。地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号，通常由CPU发出并被存储器或I/O接口电路所接收。数据线用来传送CPU写入存储器或经I/O接口送到输出设备的数据，也可以传送从存储器或输入设备经I/O接口读入的数据。因此，数据线是双向信号线。控制状态线有二类一类是CPU发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；另一类是存储器或外设的状态信息，如外设的中断请求、存储器忙和系统复位信号等。4I/O接口和特殊功能部件I/O接口电路有串行和并行两种。串行I/O用于串行通信，它可以把单片机内部的并行8位数据（8位机）变成串行数据向外传送，也可以串行接受外部送来的数据并把它们变成并行数据送给CPU处理。并行I/O口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送8位数据（8位机）。单片机引脚及功能PIN1PIN8P10P17输入/输出引脚PIN9RST/VP复位信号复用脚。当8051通电时，时钟电路开始工作，在RST引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。PIN10PIN17P30P37输入/输出引脚，每个脚都有第二功能。P3口管脚是8个带上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，他们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P3口也可以作为AT89C51的一些特殊功能口表31P3口的功能P30RXD串行输入口P31TXD串行输出口P32/INT0外部中断0P33/INT1外部中断1P34T0计时器0外部输入P35T1计时器1外部输入P36/WR外部数据存储器写选通P37/RD外部数据存储器读选通PIN18时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端PIN19时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端PIN20接地脚PIN21PIN28P20P27输入/输出脚P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第13页装订线输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。当P2口用外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高8位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部8位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高8位地址信号和控制信号。PIN29/PSEN脚当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上。当P0上的第8位地址锁存后，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。PIN30ALE/PROG当访问外部数据存储器时，ALE（地址锁存）的输入用于锁存地址的低位字节。PIN31/EA/VPP为程序存储器的内外部选通信号线。8051和8751单片机内置有4KB的程序存储器，当/EA为高电平并且程序地址小于4KB时，读取内部程序存储器指令数据；而超过4KB地址则读取外部指令数据。PIN39PIN32P00P07输入/输出脚P0口P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，他可以被定义为数据/地址的第8位。在FLASH编程时，P0口做原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。PIN40正电源脚。正常工作或向片内EPROM下载程序时，接5V电源。312电源电路本设计采用的是车载12V电源供电，直流电送入三端稳压器LM7805稳压，输出5V稳恒直流电提供给单片机系统使用。7805左边两个是降压后的电源滤波电容，大电容旁边并联一个小电容的目的目的是降低高频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造，所以等效电感较大，小电容可提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻。7805右边两个电容是5V电源的滤波电容。图中的D2为保护7805，防止电源极性接反损坏7805，滤波电容采用100UF电解和104瓷片电容并联使用，电磁兼容的实践证明，两个差100倍的电容并联使用效果很好19。本设计电源电路如图33所示安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第14页装订线图33电源电路313复位电路AT89C51复位有一个专用的外部引脚RESET，外部可通过此引脚输入一个正脉冲使单片机复位。所谓复位，就是强制单片机系统恢复到确定的初始状态，并使系统重新从初始状态开始工作。本设计采用的是电平式开关与上电复位电路，为了能使运行中的系统，经人工干预，强制系统进行复位19。图34复位电路314时钟电路在MCS51单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式在内部方式时钟电路中，必须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第15页装订线器和两个微调电容构成振荡电路，通常C1和C2一般取30PF，晶振的频率取值在12MHZ12MHZ之间。对于外接时钟电路，要求XTAL1接地，XTAL2脚接外部时钟，对于外部时钟信号并无特殊要求，只要保证一定的脉冲宽度，时钟频率低于12MHZ即可2。图35时钟电路315DS18B20温度传感器简介温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而增加）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而下降）。本设计采用的是美国DALLAS半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有02MM的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。DS18B20支持“一线总线”接口（1WIRE），测量温度范围为55C125C，在1085C范围内,精度为05C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20采用3脚PR35封装；DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下1适用电压为3V5V；2912位分辨率可调，对应的可编程温度分别为05、025、0125、00625；3TO92、SOIC及CSP封装可选；4测温范围55125；5精度1085范围内05；6无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起；7每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第16页装订线该系列温度传感器引脚如图36VDD3I/O2GND1U2DS18B20图36DS18B20温度传感器图3718B20硬件电路316显示电路LED数码显示管有两种，一种是共阳极数码管，其内部是由8个阳极连接的发光二极管组成；另一种是共阴极数码管，其内部是由8个阴极连接的发光二极管组成。二者原理不同但功能相同。共阴极LED数码管显示块的发光二极管阴极连接在一起，形成该模块的公共端（通常称为位选段），因此称为共阴极LED数码显示管，8个数码管的另一安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第17页装订线端通常称为段选段，当显示器的公共端接低电平，某个发光二极管的阳极接高电平时，该发光二极管被点亮；而共阳极LED数码管显示块的发光二极管阳极极连接在一起，形成共阳LED数码显示块的公共端，而公共端必须接高电平，同理在共阳极LED数码显示块中如某个发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管被点亮。用单片机驱动LED数码显示分为静态显示和动态显示14。静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下次显示再送一次新的数据。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，该接口用于笔画段字型代码。这样单片机只能把显示的字型代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形。要显示新的数据时，单片机再发新的数据。另一种方法就是动态扫描显示。由于单片机本身具有较强的逻辑控制能力，所以采用动态扫描软件译码并不复杂。而软件译码其译码逻；辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑的限制。采用动态扫描软件译码的方式大大简化了硬件电路就够，降低系统成本。它用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器点亮的时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及二极管的余晖效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。静态显示数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个单元都需要单独的显示驱动电路，使用硬件电路较多；动态显示需要CPU时刻对显示器进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板的空间。本设计采用8个共阳极LED四位数码管，位码用PNP三极管驱动。四位LED组成动态扫描电路，由AT89C51的P0口输出。动态扫描时，由P2口控制LED的当前显示位。当距离测量结束并调用显示程序，就会显示距离大小，显示两位小数。显示电路如图所示安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第18页装订线图38显示电路317报警电路报警电路模块通过单片机给定一个高电平，使蜂鸣器发出一定频率的报警信号。报警电路图如下所示。图39报警电路安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第19页装订线318按键电路系统上电后，首先系统初始化，不断扫描按键K1，若按键K1按下，则开始测量空气温度，然后将P10置位，使定时器T0开始定时，控制超声波传感器发出超声波，同时使定时器T1开始定时。CPU循环检测P33引脚，当P33为低电平时接收到回波，立即使T1停止工作，保存定时器的计数值。然后根据温度和传输时间计算距离，温度补偿措施使测量精度有了明显提高，计算出距离后调用距离显示子程序，LED显示距离。最后检测按键K2，若K2闭合，则调用温度显示子程序，LED显示温度（温度并非测量距离时用于补偿的温度，而是当前温度）5S后恢复显示本次测量距离；若按键K2没有闭合，则显示器恒定显示最新一次的测量结果；若要进行下一次测量，则先要按下K3重新开始，再按下按键K1才执行新一次测量。由于不需输入数据，键盘只设置了3个按键，用于开始测量距离并显示温度功能设置等。图310按键电路32超声波发射电路设计32174LS04简介反相器74LS04是6输入非门，其工作电压为5V，它的内部含有6个COMS反相器，74LS04的作用就是反相把“1”变成“0”，同时对信号有放大的作用13。安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第20页装订线图31174LS04的引脚图引出端符号1A6A输入端1Y6Y输出端表3274LS04的引脚功能Y/AINPUTOUTPUTAYLHHLHHIGHLOGICLEVELLLOWLOGICLEVEL322超声波的发射发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P10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换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，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。上位电阻R22、R23一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第21页装订线图312超声波发射电路最大额定值电源电压05TO70VDC输入电压15TOVCC15V直流输出电压05TOVCC05V钳位二极管电流20MA直流输出电流，每个引脚（输出）25MA功耗600MW表33反相器74LS04参数由软件产生方波信号【15】VOIDSEND_WAVEUNSIGNEDCHARNUMUNSIGNEDCHARI,JJ20FORINUMI0IP11WHILEJJ20P10WHILEJ安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第22页装订线J20P10其中函数参数NUM可用来控制方波的个数，方波由单片机引脚P1输出。此方案不用外接电路即可产生方波信号，且程序也比较好控制方波的产生。333超声波传感器原理超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。图313超声波传感器内外部结构工作原理超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超安徽工业大学工商学院毕业设计（论文）说明书共35页第23页装订线声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器