毕业设计（论文）基于单片机的超声波测距系统设计

1、摘 要本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声波测距模块。该模块以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。论文概述了超声检测的发展及基本原理，介绍超声波传感器的原理及特性。对于测距系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。进一步介绍了单片机at89c51在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。最后利用测距系统进行验证。实验表明，各主要波形及技术指标均达到设计要求。该系统对室内有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分析了误差产生的原因及如何对系

2、统进行完善。关键词：51单片机；超声波；测距abstract the thesis introduces a kind of single-pulse-refection ultrasonic distance meter system module in detail based on microcontroller. the system could measure certain distance with the reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave is fixed. this pape

3、r summarizes the development and foundational principle of ultrasonic detections. then it presents the theory and characters of ultrasonic sensor. at the same time, it discusses a number of main technical parameters. moreover, it proposes the whole structure of the system by introducing the function

4、 of ultrasonic distance meter. and then the transmission receiver, detection, display scheme of this distance meter system is demonstrated. specially, after the application of at89c51 microcontroller, it analyzes the hardware and soft ware realization of each part in this system. at last the result

5、and error analysis of the experiments is presented. it is proved by experiments that the design of the system is provided with high accuracy and reliability. in the end, the further measures of modification are presented.keywords: at89c51 mcu, ultrasonic, distance measurer 引 言 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中

6、的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以at89c51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时

7、性良好，经过系统扩展和升级，可以用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：测量液位、井深、管道长度等场合。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。我设计的这个超声波测距的系统，肯定还有很多不足的地方，比如温度补偿的忽略，精度不够等等，但该测距仪已经能够实现测量距离的功能，基本达到了设计的要求。该超声波距仪用共阴数码管现示，最大测量距离是2.5米，精确度是5cm,小于0.5米蜂鸣器报警。1 超声波测距仪原理及方案选择1.1超声波传感器应用前景展望在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术

8、和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，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，超声波传感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

9、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，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感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，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。1.2 课题背景，目的和意义传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器

10、、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制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，并且测量精度较高。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。1.3超声波测距的原理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t，然后求出距离 式（1-1） 式(1-1)中的c为超声波在空气中传播的速度

11、。限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表1-1列出了几种不同温度下的波速。温度()3020100102030100声速(m/s)313319325323338344349386 表1-1 声速与温度的关系 波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离s。其系统原理框图如图1-1所示。超声波发射器向某一方向发射超声

12、波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，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。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。1.4本设计所要实现的目标本设计采用单片机为主控芯片，结合外围电路，组成超声波测距仪，用户想要使用时，通电完后，按下启动按键便可进行测距，如果出现乱码，即可按下复位按键，仪器使用简单方便。主要要求：(1)该超声波距仪用共阴数码管现示；(2)最大测量距离是2.5米；(3)精确度是5cm；(4)小于0.5米蜂鸣器报警。1.5超声波测距方案选择1.5.1基于cp

13、ld的超声波测距系统这种测距系统采用cpld(complex programmable logic device)器件，运用vhdl(very high speed integrated circuit hardware description language)编写程序，使用max+plusii软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。cpld器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为d触发器、t触发器、rs触发器或jk触发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非常适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由max来实现，而只需在外部配上适当

14、的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。本系统利用cpld器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在led上显示出来。配合使用max+plusii开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。其系统框图如图2-2所示。超声波发射器向某一方向发射40khz的超声波，在发射超声波的同时，max7128s内的计数器开始计数。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来。超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到cpld，cpld立即停止计数。cpld所计的时间就是超

15、声波从传感器到被测物的往返时间。超声波在空气中的传播速度如设定为332m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=332t/2。cpld开始计数后，只本系统采用先进的cpld器件，高性能、低成本地实现了距离的测定。 图1-1 基于cpld的超声波测距系统框图1.5.2基于单片机的超声波测距系统 基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40khz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图1-2所示。 图1-2 基于单片机的

16、超声波测距系统框图这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给led显示。单片机at89c51发出短暂的40khz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至led数码管进行显示。 利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机

17、控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。2 超声波测距仪电路设计 本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离,结果输出给led显示。利用本测距系统测量，范围应在30cm250cm内，其最大误差控制在5cm内。2.1 总

18、体设计方案由单片机at89c51编程产生40khz的方波，由p3.6口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。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到信号，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。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收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。 图2-1超声波测距仪时序图该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和led显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图2-1所示。 接收头采用与发射头配对的探头，将

19、超声波调制脉冲变为交变电压信号，通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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，就可以计算出发射点距障碍物的距离。2.2硬件设计 超声波是指频率高于40khz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发

20、射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法tof（timeofflight）。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 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为340米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0m晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 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的测量。利用超声波检测距

21、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。 本次实训主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用at89s52来实现对cx20106a红外接收芯片和tct40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过p3.6引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测int0引脚，当int0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。实训硬件原理框图如下：根据设计要求并综合各方面因素，可以采用at89s51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现led数字

22、显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图所示：图2-2 超声波测距器系统设计框图(1) 中央控制部分 采用 at89c51 单片机 该型单片机有 4kb 的 rom,128b 的 ram,5 个中断源,两个 16 位的定时计数器 可完全满足本设计的需要 (2) 电源部分 本实训电源由外界提供，所要求为+5v。(3）显示部分 采用 5461四位数码管，该数码管已足够本实验需求，可以提供良好的人机交互。 (3)键盘输入部分 采用四个按键开关键盘 可满足测距仪功能键。(5)声光部分 声信号采用蜂鸣器、光信号采用发光二极管。2.3 软件部分主程序首先对系统环境初始化，设置

23、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，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是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时的声速为340m/s则有： d=(c*t0)/2=170*t0/10000cm（其中t0为计数器t0的计数值）主程序其工作流程是

24、：上电后首先对系统进行初始化，紧接着调用显示子程序，显示完后判断有没有超声波被接收，若有，则停止计时并将计时值送入距离计算子程序，然后将所测距离显示1 秒，最后返回进行下一轮测量；若没有信号进来，则继续调用显示子程序。测出距离后结果将以十进制bcd码方式led,然后再发超声波脉冲重复测量过程。主程序框图如下: 图2-3 超声波程序流程图 用单片机编程产生40khz方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一个延时函数delays()，然后可用for语句循环，并且循环一次同时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下：void main() /主函数 ea=1; /开中断 tmod=0x

25、11; /设定时器0为计数，设定时器1定时 et0=1; /定时器0中断允许 et1=1; /定时器1中断允许 th0=0x00; tl0=0x00; th1=0x9e; tl1=0x57; csbds=0; csbout=1; cl=0; csbs=8; jpjs=0; sj1=50; /测试报警距离 sj2=150; sj3=2500; /测试最大距离 k4cl(); tr1=1; while(1) keyscan(); if(jpjssj3) /大于时显示“ccc” buffer2=0x39; buffer1=0x39; buffer0=0x39; else if(ssj1) /小于时显

26、示“- - -” 报警 buffer2=0x40; buffer1=0x40; buffer0=0x40; else timetobuffer(); else timetobuffer(); /将值转换成led段码 offmsd(); /为零时隐去数字 scanled(); /显示函数 if(s=4000) /上限值 csbint=0; tr0=0; th1=0x9e; tl1=0x57; t=th0; t=t*256+tl0; t=t-29; s=t*csbc/2; tr1=1; cl=0; csbint=1; 按键处理程序：void keyscan() /健盘处理函数 xx=0; if(k

27、1!=1) / 判断开关是否按下 delay(100); /延时去抖动 if(k1!=1) / 判断开关是否按下 while(!k1) delay(25); xx+; if(xx1000) jpjs+; if(jpjs3) k4cl(); jpjs=0; xx=0; switch(jpjs) case 1: k1cl();break; case 2: k2cl();break; case 3: k3cl();break; 本系统的led显示采用了静态显示方式，并用单片机内部软件译码。这样简单方便，省去了复杂的外部译码电路。软件译码只需要定义一个数组便可，程序语句如下:void scanled(

28、) /显示功能模块 led=buffer0; led3=0; delay(200); led3=1; led=buffer1; led2=0; delay(200); led2=1; led=buffer2; led1=0; delay(200); led1=1; void timetobuffer() /转换段码功能模块 xm0=s/100; xm1=(s-100*xm0)/10; xm2=s-100*xm0-10*xm1; buffer2=convertxm2; buffer1=convertxm1; buffer0=convertxm0; void delay(i) while(-i);

29、 void timer1int (void) interrupt 3 using 2 th1=0x9e; tl1=0x57; csbds+; if(csbds=40) csbds=0; cl=1; 3 主要元器件介绍 3.1主控芯片at89s51 at89c51（如图3-1所示）是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8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

30、cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89s51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。vcc：供电电压 gnd：地。 图3-1 at89c51单片机示意图 p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写

31、入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。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，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。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八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flas

32、h编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它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（ill）这是由于上拉的缘故。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在reset引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器pc指向0000h，p0-p3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07h，其它专用寄存器被清“0”。reset由高电平下降为低电平后，系统即从000

33、0h地址开始执行程序。然而，初始复位不改变ram（包括工作寄存器r0-r7）的状态， 特殊功能寄存器 初始态 特殊功能寄存器 初始态 acc 00h b 00h psw 00h sp 07h dph 00h th0 00h dpl 00h tl0 00h ip xxx00000b th1 00h ie 0xx00000b tl1 00h tmod 00h tcon 00h scon xxxxxxxxb sbuf 00h p0-p3 1111111b pcon 0xxxxxxxb 表3-2 at89c51单片机寄存器表格 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的

34、地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。ea/vpp：当/

35、ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：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

36、须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个perom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，at89s51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.2 5461as数码管显示首先数码管有共阴极和共阳极之分，区别他们的方法是若公共端接地，

37、其他端接电源，若各段测试能亮，说明是共阴的，反之共阳的；若公共端接电源，其他端分别接的，测得各端亮，则说明是共阳的，反之为共阴的。下面是一张四位一体数码管引脚分布图： 图3-3 共阴数码管内部示意图 四位一体数码管，其内部段已连接好，引脚如图所示（正面朝自己，小数点在下方）。a、b、c、d、e、f、g、dp为段引脚，1、2、3、4分别表示四个数码管的位。 本次试验所用数码管为5461as共阴数码管： 。 。 。 。 。 。 1 a f 2 3 b 。 。 。 。 。 。 e ddpc g 45461四位数码管显示器总共有12个管脚，四个为选通位。管角顺序：12数码管第一位。9数码管第二位。8数

38、码管第三位。6第四位数码管。led灯管脚对应顺序：a11.b7.c4.d2.e1.f10.g5.dp3.3.3 74hc04芯片 该74hc04是高速的硅栅cmos器件并兼容低功耗肖特基的ttl （ lsttl ） 。他们中指明遵守jedec的 没有标准。 74hc04提供的6个颠倒 缓冲器。74hc04是内含6组相同的反相器。即1a输入高电平，1y输出低电平六反相器 04 为六组反相器，共有 54/7404、54/74h04、54/74s04、54/74ls04四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如下：型 号 tplh tphl pd 5404/7404 12ns 8ns 60mw 54h

39、04/74h04 6ns 6.5ns 140mw 54s04/74s04 3ns 3ns 113mw 54ls04/74ls04 9ns 10ns 12mw 引出端符号 1a6a 输入端 1y6y 输出端 图 3-4 74hc04芯片引脚图极限值 电源电压7v 工作环境温度-55125 输入电压7v 74xxx . 070 存储温度 .-65150 3.4 晶体振荡器晶体振荡器，简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1khz 或48khz 的采样，频率发生器就必须提供一个44.1khz 或4

40、8khz 的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是现在的娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用scr 将输出的采样频率固定在48khz，但是src 会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。现在应用最广泛的是石英晶体振荡器。 石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代lc 谐振回路的晶体谐振元件。石英晶体振荡器广泛地应用在电视机、影碟机、录像机、无线通讯设备、电子钟表、单片机、数字仪器仪表等电子设备中。为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。在单片机中为其

41、提供时钟频率。 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。其结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供

42、的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。3.5 超声波探头 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、绕射现象小，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

43、超声探头。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标，包括； （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏

44、度高；反之，灵敏度低。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23khz、40khz、75khz、200khz、400khz等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。本次试验因为测距为2.8米，采用tct40-16r/t。 型号：tct40-16r/t(直径16mm） 1.标称频率（khz）：40khz； 2.发射声压at10v

45、（0db=0.02mpa）：117db； 3.接收灵敏度at40khz (0db=v/ubar)：-65db； 4.静电容量at1khz,1v (pf)：200030%。4 电路模块介绍电路大体可分为8个模块，分别为单片机控制模块，晶振部分，复位模块,超声波发射模块，超声波接收模块，数码管显示模块，led灯显示模块，蜂鸣器报警模块，其主要功能如下所述：4.1单片机主控模块单片机主控模块采用 at89s51单片机。at89s51 是一种低功耗、高性能 cmos 的 8 位微控制 器，具有 4k 在系统可编程 flash 存储器。通过 at89c51 进行控制各个模块，并行 i/o 扩展模块从 p0 口传输数据到 at89c51 单片机中，并行 i/o 扩展模块接数码管 abcde