单片机超声波测距毕业设计

1、昆昆 明明 理理 工工 大大 学学 津津 桥桥 学学 院院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 毕业设计课题：基于单片机的超声波测距系统设计与实现毕业设计课题：基于单片机的超声波测距系统设计与实现 车辆行驶辅助系统车辆行驶辅助系统 学学 校：校：昆明理工大学津桥学院昆明理工大学津桥学院 系系 部：部：计算机科学及电子信息工程系计算机科学及电子信息工程系 专专 业：业：电子信息科学与技术电子信息科学与技术 年年 级：级：0707 级级 2 2 班班 学生姓名：学生姓名：李华李华 学学 号：号：200716022121200716022121 指导教师：指导教师：桂进斌桂进斌 oxbridge co

2、llege, kunming university of selence and technology graduation project (thesis) graduation project subject：the vehicle driver assistance systems based on chip microcomputer ultrasonic distance measurement college:college: oxbridgeoxbridge college,college, kunmingkunming universityuniversity ofof sel

3、enceselence andand technologytechnology departmental:departmental: departmentdepartment ofof computercomputer sciencescience andand electronicelectronic informationinformation professional:professional: electronicelectronic informationinformation sciencescience andand technologytechnology grade:grad

4、e: gradegrade 0707 classclass 1 1 studentstudent name:name: junwanjunwan studentstudent id:id: 200716022114200716022114 guideguide teachersteachers name:name: jinbinjinbin guigui 目录 摘要.i abstract.ii 前言.1 第 1 章 绪 论.2 1.1 本题目的主要研究内容 .2 1.2 本题目的研究意义 .2 1.3 本领域研究的发展史 .3 1.3.1 国际方面.3 1.3.2 国内方面.3 1.4 系统整

5、体设计方案 .4 1.5 系统整体方案论证 .6 第 2 章 超声波技术概述.7 2.1 超声波传播的速度 .7 2.2 超声波的产生和使用频率 .7 2.3 超声波技术在距离测量中的应用 .8 2.4 超声波传感器基础知识 .9 2.4.1 超声波传感器的结构及原理.9 2.4.2 超声波测距原理.10 第 3 章 相关知识介绍.11 3.1 单片机基础知识 .11 3.1.1 单片机的分类及发展.11 3.1.2 at89s52 单片机的功能特点 .14 3.1.3 at89s52 单片机的基本结构及工作原理 .15 3.2 红外遥控接收器集成芯片 cx20106a 简介 .19 3.2.

6、1 引脚功能说明及数据.19 3.2.2 引脚布局及封装.20 3.3 六反相器 74ls04 基础知识 .21 第 4 章 系统的硬件电路设计.23 4.1 基于 at89s52 单片机的中央处理模块 .23 4.1.1 单片机实现测距的原理.23 4.1.2 单片机最小系统设计.23 4.2 超声波发生电路 .24 4.3 超声波接收电路 .25 4.4 数码管显示电路 .26 4.5 系统工作状态指示及报警电路模块 .28 4.6 稳压电源模块 .28 第 5 章 系统软件设计.30 5.1 系统程序设计思想 .30 5.2 主程序流程设计 .30 5.3 超声波发生与接收子程序 .31

7、 第 6 章 系统调试及操作说明.33 6.1 系统软硬件的调试 .33 6.2 误差分析 .33 6.3 操作说明 .34 结论.36 总结与体会.38 谢辞.39 参考文献.40 附录一 外文资料英文原文.41 附录二 外文资料的中文翻译.47 附录三 程序清单.52 附录四 元器件使用清单.58 附录五 系统总体电路原理图.60 基于单片机的超声波测距系统设计与实现 -车辆行驶辅助系统 摘要 本设计主要是为提高车辆行驶安全，减轻驾驶人员的劳动强度和心理压力而设计 的基于单片机的脉冲反射式超声波测距车辆行驶辅助系统。本文首先以超声波传感器 的原理及特性为核心展开说明，对于该系统的测距模块中

8、的超声波使用频率、脉冲信 号采样、传感器型号选择等主要参数进行了论证；在此基础上再对系统的总体结构作 了阐述，并根据模块化的设计思想依次对核心处理模块、超声波发生及接收模块、显 示及报警模块的硬件设计方案进行论证；最后根据该系统的设计目标采用模块化编程 思路完成系统的算法设计，以超声波测距为基础，结合显示及报警模块，通过软硬件 的综合调试实现车辆行驶辅助系统的基本功能。 该系统采用六反相器 74ls04 和红外遥控接收器集成芯片 cx20106a 以及超声波传 感器实现了超声波的发射与接收，以低成本的、对硬件有高精度处理能力的 at89s52 单片机为核心处理器，整个系统通过将各个模块有机的结

9、合，将超声波传感器的信号 经单片机综合分析处理，通过易于控制的数码管作为数据显示电路，实现超声波测距 在车辆行驶辅助系统中的完美应用。 关键字：at89s52，超声波，传感器，车辆行驶，辅助系统 the vehicle driver assistance systems based on chip microcomputer ultrasonic distance measurement abstract this design is mainly to improve traffic safety and to reduce drivers labor intensity and stres

10、s. it is pulse reflection based on single chip ultrasonic distance measurement system, vehicle driver assistance. in the article first elaborated the supersonic sensors principle and the characteristic; regarding range measuring systems supersonic wave frequency, the signal pulse, the component mode

11、l and so on main parameter has carried on the discussion; in introduced in the supersonic range finder various modules functions foundation, proposed systems overall constitution and to the range measuring system launch, the receive, the examination, the demonstration and the newspaper warning parts

12、 hardware design plan has carried on the proof. finally, according to the system designed to complete the system is modular programming algorithm design ideas, based on the ultrasonic distance measurement, with the display and alarm module, through the integrated hardware and software debugging, and

13、 vehicles to achieve the basic functions of driver assistance systems. the system uses six inverter 74ls04, infrared remote control receiver ics cx20106a and ultrasonic sensors, at89s52 microcontroller as the core to achieve the perfect application between ultrasonic distance and vehicle driver assi

14、stance systems. key words: at89s52, ultrasonic, sensors, vehicle driving, auxiliary system 前言 近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国普通家庭汽 车占有比例正逐年增加，汽车在给人们带来方便的同时，也带来许多烦恼。对于很多 新手以及对车体感和距离感不灵敏的驾驶人员，虽经反复练习，在泊车的时候却总是 无法得心应手将车停到位，甚至会产生碰撞、摩擦，给自己和别人带来不必要麻烦； 并且，我国公路等级也在不断提高，特别是高速公路的发展，汽车的行驶速度越来越 快，车流量也越来越大，在汽车行驶的过

15、程中，由于无法正确估计车辆间距，危险总 是围绕在驾驶人员周围。对于设计出一套车辆行驶辅助系统以提高车辆行车安全，减 轻驾驶人员的劳动强度和心理压力，是十分必要的。 频率介于 20khz500mhz 的机械波振动在弹性介质中的传播称为超声波，超声波 的传播速度就是声波的传播速度，超声波具有波长短，传播方向性强，能量易于集中， 在各种不同媒质中可传播足够远的距离等特点，在超声检验、超声处理及基础研究等 领域都有广泛的实际应用。 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。因为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

16、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、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。在 20khz60khz 频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射 器和接收器，效果最佳。 本设计充分利用超声波传感器在距离测量应用中的优点，结合高使用价值、低成 本的 at89s52 单片机作为核心处理器件，采用模块化设计，通过主程序、预置子程序、 发射子程序、接收子程序、显示子程序及报警子程序等模块的紧密结合，将超声波传 感器采集到的距离信号经单片机综合分析处理后通过

17、数码管显示或者蜂鸣器报警等手 段适时合理地显示出来，及时将处于危险边缘的驾驶人员挽救回来，实现超声波测距 与车辆行驶辅助系统的完美结合。 第 1 章 绪 论 1.1 本题目的主要研究内容 本设计的研究首先从超声波技术在距离测量中的应用开始，在充分了解超声波测 距原理及应用要领的基础上，结合六反相器 74ls04 和红外遥控接收器集成芯片 cx20106a 对单片机产生的信号进行放大驱动超声波换能发生器发射超声波波并对超声 波换能接收器接收到的回波进行检波以反馈单片机相应的中断驱动信号，利用超声波 的脉冲反射原理完成超声波测距模块的设计及其测距功能的实现。 对于 mcu 处理单元，成本低、对硬件

18、的高精度的处理能力是我们选择的关键，该 设计的处理核心模块采用 at89s52 单片机。同样，从内部结构及应用原理入手，在学 习掌握之后再对其加以利用。通过 mcu 处理功能及内部程序对超声波换能发生器进行 控制使其发出 40khz 频率的方波，同时进行计时；然后再对超声波换能接收器采集到 的回波信号进行滤波检测处理，最后通过计算公式换算出系统与障碍物之间的距离， 并通过易于控制的 led 数码管显示出来；同时，内部完成判断动作以及联动报警等功 能，在固定范围之内，最大程度保证行车安全。 1.2 本题目的研究意义 随着我国经济的迅速发展，私有汽车已经普及到许多私人家庭，但是汽车驾驶人 员中非职

19、业汽车驾驶人员的比例也随之迅速增加，人们在享受驾驶乐趣的同时，更加 需要注重的是行驶的安全。并且，随着国家综合生活水平的提高，我国车辆行驶道路 在大力建修下也越来越好，汽车的行驶速度越来越快，车流量也越来越大，在公路、 街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方驾驶车辆时，驾驶员若无足够的驾驶经验， 稍有不慎就会发生交通事故。因此，增强汽车的安全功能，尤其是增强大型、重型车 辆的安全导航功能，对于提高行车安全，减轻司机的劳动强度和心理压力，是十分重 要的。 同时，据相关调查统计，15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造 成的。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来

20、的 研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。本 设计正针对这一问题应运而生的。在汽车倒车时，即使司机不向后看，仍然可以通过 后端超声波倒车探测器测量到汽车后部与障碍物之间的距离，从而对倒车辅助动作做 出有效判断，保证汽车与障碍物的距离在安全范围内；同时，在交通拥挤的城区驾驶， 往往由于等待时间太长而烦躁不安、注意力不能集中，跟车时常常发生追尾等事故， 本设计的前端超声波行驶探测器会实时测量跟车距离并报警提醒，最大程度地避免追 尾事故的发生。 在车辆行驶辅助系统中，测距就是数据采集中要解决的一个主要问题。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

21、超声波测距等。但由于超声波指 向性强，是一种非接触式的测距方式，它不受光线、被测对象颜色等因素的影响，对 于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境也有一定的适应能力。并且 超声波的传播速度低，适用于测量较近的距离，再加上超声波传感器结构简单，体积 小、成本低，因而常被用于距离的测量。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，在移动机器 人，汽车安全，海洋测量等上都得到了广泛的应用。因此把超声波测距这一技术用于 车辆行驶辅助系统有着非常重要的意义。 1.3 本领域研究的发展史 1.3.1 国际方面 自 19 世纪末到 20

22、世纪初，在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，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历 史篇章。 1922 年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。 1939 年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。 40 年代末期超声治疗在欧美兴起，直到 1949 年召开的第一次国际医学超声波学 术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956 年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。 1.3.2 国内方面 国内在超声治疗领域起步稍晚，于 20 世纪 50 年代初才只有少数医院开展超声治 疗工

23、作，从 1950 年首先在北京开始用 800khz 频率的超声治疗机治疗多种疾病，至 50 年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于 1957 年。到了 70 年代 有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。 40 多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别 是 20 世纪 80 年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症治疗史上的 重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗 在当代医疗技术中占据重要位置。而在 21 世纪(hifu)超声聚焦外科已被誉为是 21 世 纪治疗肿瘤的最新技术1。 1.4

24、系统整体设计方案 该车辆行驶辅助系统分为硬件电路和控制软件两大部分。硬件电路又由单片机最 小系统处理模块、数码管显示及报警电路、超声波发生电路、超声波检测接收电路和 稳压电源模块五个部分组成。 11.0592mhz 的晶体振荡器以及用于扩展的辅助元器件将 at89s52 单片机扩展为最 小控制处理系统作为该系统的核心处理单元；数据显示单元由 2 个四位共阳极数码管 组成，数码管公共端和片选信号分别由单片机最小系统的 i/o 口 p0、p2 控制；六反相 器 74ls04 和红外遥控接收器集成芯片 cx20106a 结合超声波传感器完成超声波的发射 与接收，信号经单片机内部程序计算即得出距离信息

25、；系统电源拟采用直流 9v 接入， 经三端稳压集成电路 lm7805 稳压整流后输入直流 5v 电压供系统正常工作，同时 lm7805 也可承载最高 24v 电压输入，作为车辆移动便捷系统可根据实际情况灵活调整 供电范围与安装线路。 软件部分采用模块化设计，单片机 i/o 口 p1.o、p1.1、p1.3、p3.2 分别作为超声 波传感器的信号发送端和信号接收端，驱动超声波换能发生器发射超声波的同时，mcu 内部程序开始计时，超声波换能接收器接收到回波会通过 cx20106a 将回波信号放大后 送入单片机驱动其外部中断程序启动，mcu 内部计时器停止计时。通过计算公式： s=vt/2 计算得出

26、车辆与障碍物之间的距离；单片机 i/o 口 p0 和 p2 分别作为显示部分 数码管的公共端引脚和位选信号端口，在计算出距离信息的同时控制数码管显示出来； p1.3p1.6 则分别作为报警指示灯和蜂鸣器的驱动信号输出端口，当程序判断需要报 警提醒时则通过 led 灯或蜂鸣器将报警信号输出。整个系统通过将各个模块有机的结 合，可将超声波传感器的接收信号经单片机综合分析处理，通过 led 数码管清晰的展 现在驾驶人员面前。 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

27、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常用的是压电式超声波换能器。 在超声探测电路中，超声波发射端得到的输出脉冲为一系列方波，这一系列方波 的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输 出脉冲的个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： (1)取输出脉冲的平均值电压，该电压(电压的幅值基本固定)与距离成正比，测量 电压即可测得距离； (2)测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t。因此，被测 距离为 s=vt/2。 本方案以单片机 at89s52 为核心，通过对其进行软件编程，实现该单片机对其他 外围电路的

28、适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号，包括频率振荡信号、数据 处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，更重要的是这种设 计方案大大节省了设计成本，并且由于是采用软件编程技术，所以其移植性能好，在 设计电路时可以将其他更多的功能设计进去，而我们在设计电路板时就可以根据自己 的设计目的焊接元件。该车辆行驶辅助系统的设计框架如图 1-1 所示： mcu 单片机 控制器 稳压电源模块 超声波换能 发生器 超声波换能 接收器 led 数码管 显示单元 报警指示 单元 驱动扫描 图 1-1 车辆行驶辅助系统设计框图 1.5 系统整体方案论证 本设计是利用超声波测距模块来完成车辆与其周

29、围障碍物之间的距离测量，而超 声波测距的原理是利用控制超声波的发射和接受，通过检测超声波传播的时间来计算 出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端 接收的直接检波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波 方式，适用于测距仪。 由于在实际车辆行驶辅助系统的应用中，无法将探头放置到另一端，因此该次设 计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效 应工作的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰 减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择 频率

30、高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。 在超声波传感器的采购过程中，所买到的是 tct40-10 系列超声波换能器，其理论 能测距的范围是 4m，工作频率为 40khz。 在设计论证中期，将焊好的接收电路。供电，并用信号发生器产生最佳波形触发 发射探头，用示波器及万用表观察输出信号波形及测量芯片各引脚的电平。在此实验 过程中，测得输出脚的波形为近似标准的方波，能明显看出下降沿，电平在有信号时 为 2.8v，无信号时为 4.96v。能够正常触发单片机的外部中断。 经过以上实验可以肯定，本方案可以实现超声波测距，并且在硬件和软件上都可 行。而且，由于单片机供电简单，稳定性好，其体积小，便

31、于携带与安装，所以完全 可以放置于车内，通过车辆电瓶或者车载 usb 直接供电，其市场前景优越。 第 2 章 超声波技术概述 超声波是一种频率高于人耳能听到的频率（20hz20khz）的声波，由于它可以通 过机械震荡产生，也属于一种机械波，但是它在传输过程中任服从波的传输规律。超 声波在介质中保持直线行进；在两种不同介质的界面处发生反射；传播速度服从波的 传输定理：f（ 为波速， 为波长，f 为波的频率） 。为了以超声波作为检测 手段，必须产生和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为 超声波换能收发器或超声波探头。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

32、在发射超声波的时候，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。其上限频率为 100khz、下限频率为 20khz。 2.1 超声波传播的速度 超声波的传播速度是指超声波在介质中传播速度快慢的物理量，是与介质的弹性 模量和密度相关的。不同的介质由于介质的弹性模量和密度不同，其声速也不同。在 固体介质中，影响声速的主要因素有温度、应力和材质及成份的均匀性。一般情况下， 随着温度的升高，介质的声速降低；应力增加，速度增加，但增加缓慢；组织晶粒越 大，速度越低；石墨含量增加和尺寸增加，声速减少。 超声波换能发生器发出的超声波以速度 v 在空气中传播，在到达被测物体时被反

33、射返回，由换能接收器接收，其往返时间为 t，由 s=vt/2 即可算出被测物体的距离。 由于超声波也是一种声波，其声速 v 与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则 可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校 正。 温度（） -30-20-100102030100 声速 （ms） 313319325323338344349386 表 2-1 超声波波速与温度的关系表 2.2 超声波的产生和使用频率 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

34、面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于 20khz 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（20khz） ，人们将这种听不见 的声波叫做超声波。超声和可闻声波本质上是一致的，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，目前腹部 超声成像所用的频率范围在 25mhz 之间，常用为 33.5mhz（每秒振动 1 次为 1hz，1 兆 hz=106hz,即每秒振动 100 万次，可闻波的频率在 1620khz 之间） 。 超声波在媒质中的反射、

35、折射、衍射、散射等传播规律，与可闻声波的规律并没 有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可闻 声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍 物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中 能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在 空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做 功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超 声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。 能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效

36、应方法、磁致伸缩效应方法、静电 效应方法和电磁效应方法等。我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器 件称为超声波换能器。 一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收。当工 作频率很低（在人的听觉范围内）就会产生噪音。当频率低于 20khz 时，工作噪音不 仅变得很大，而且可能超出职业安全与保健法或其他条例所规定的安全噪音的限度。 在考虑到测距要有足够的能量，通常选择 40khz 频率的超声波2。 2.3 超声波技术在距离测量中的应用 超声测距是一种利用单片机控制超声波的轮流发射，并且通过单片机记录和读取 发射超声波和接收回波的时间差，进而计算出测量的距离。由于超声波指向性强，能

37、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 和物理定位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达到很高的要求。 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。本文主要论述了利用 s52 系列单片机实现超声波测距 的原理以及实现的方法。该系统主要是利用超声波探测传感器发送超声波来测试相对 应的

38、距离。工作时，超声波发生器不断的发出一系列连续的脉冲，并给单片机提供一 个短脉冲。超声波遇障碍物反射回来一个反射波，这个反射波被超声波接收器收到， 也向单片机提供一个短脉冲。最后由单片机装置对接受信号依据时间差进行处理，自 动计算出该设备与障碍物之间的距离。它不仅可以利用在车辆行驶辅助系统中，还可 以单独作为测距仪器或者与其他检测设备结合使用。 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。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。超声波测距是一种极有潜力的测距方法， 近距范围内超声测距有其不受光线影响，结构简单，成本低等特点。超声波测量的另 一个突出优点是：环境介质可

39、以为空气，液体或固体，适用范围广泛。更重要的是超 声波检测降低了劳动强度，避免工人在恶劣工作环境下（高，低温，强辐射等）受到 伤害，还大大提高了测量精度，可靠性高；另外，超声波测距还可以应用到其他的功 能系统中，例如在机器人避障系统；移动机器人避障的超声测距系统，智能机器人管 家和简易智能电动车自动避障系统；自动刹车系统和倒车雷达系统，液位测量系统中 超声波测距也有其重要的应用。 2.4 超声波传感器基础知识 超声波可以由换能晶片在电压的激励下发生振动而产生，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

40、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。超声波传感器正是利用超 声波的特性研制而成的传感器。 2.4.1 超声波传感器的结构及原理 在本设计中，我们采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器， 它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。某些固体物质，在压力（或 拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出

41、现正、负束缚 电荷，这一效应称为压电效应。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作。 图2-1 超声波传感器结构 如图 2-1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其 频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电晶片将会发生共振，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，如果两电极间为外加电压，当共振 板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就是超 声波接收换能器了，超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍不同，使用时应分清 器件上的标志。 2.4.2 超声波测距原理 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

42、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 。这就是所谓的时间差测距法。 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后 遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际 距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的3。 测距的公式表示为：s=vt/2 或 s=vt 式中 s 为测量的距离长度；v 为超声波在空气中的传播速度；t 为测量距离传播的 时间差(t 为

43、发射到接收时间数值的一半)。 第 3 章 相关知识介绍 3.1 单片机基础知识 单片微型计算机简称单片机，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力 的中央处理器 cpu、数据存储器 ram、程序存储器 rom、各种 i/o 端口和基本功能单元 （定时器/计数器）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。特别适 用于控制领域，故又称为微控制器(microcontroller)。单片机是微型计算机的一个重 要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。单片机只需要与适当的软件及外部 设备相结合，便可成为一个单片机控制系统4。单片机内部结构如图 3-1 所示。 中断 内部总线 时钟时钟

44、osc 中央处理器中央处理器 cpu 程序存储器程序存储器 rom 数据存储器数据存储器 ram 各种各种 i/o定时器定时器/计数器计数器 ctc 外部设备外部设备 图 3-1 典型单片机内部结构示意图 3.1.1 单片机的分类及发展 1、单片机的分类 a 单片机作为计算机发展的一个重要领域，根据目前的发展情况，从不同角度单片 机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。 （1）通用型/专用型： 这是按单片机适用范围来进行区分。通用型单片机不是为某种专门用途设计的； 专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计 的要求，在片内集成 adc 接

45、口等功能的温度测量控制电路。 （2）总线型/非总线型： 这是按单片机是否提供并行总线来进行区分。总线型单片机普遍设置有并行地址 总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片 机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成于一单片内，因此 在许多情况下可以不需要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机 称为非总线型单片机。 （3）工控型/家电型： 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运 算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设 接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的，

46、还可以按照多种方法进行划 分5。 2、单片机的分类 b 20 世纪 80 年代以来，单片机有了新的发展，各半导体器件厂商也纷纷推出自己 的产品系列。迄今为止，市售单片机产品已达 60 多个系列，600 多个品种。按照 cpu 对数据处理位数来分，单片机通常可以分为以下四类。 （1）4 位单片机 4 位单片机的控制功能较弱，cpu 一次只能处理 4 位二进制数。 这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。 （2）8 位单片机 8 位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。在指令系统方面， 普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是 8 位机中的高性能增强型单片机，除片内增 加了

47、 a/d 和 d/a 转换器以外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器 (watchdog)、总线控制部件和晶体振荡电路等。这类单片机由于其片内资源丰富且功 能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。 （3）16 位单片机 16 位单片机是在 1983 年以后发展起来的。这类单片机的特点 是：cpu 是 16 位的，运算速度普遍高于 8 位机，有的单片机寻址能力高达 1mb，片内 含有 a/d 和 d/a 转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、 家用电器以及作为计算机外部设备的控制器。 （4）32 位单片机 32 位单片机的字长为 32 位

48、，是单片机的顶级产品，具有极高 的运算速度。近年来，随着家用电子系统的新发展，32 位单片机的市场前景看好6。 3、单片机的发展趋势 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 cmos 化、低 功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是 单片机的主要发展趋势。 （1）cmos 技术。 近年，由于 chmos 技术的进步，大大地促进了单片机芯片采 用 cmos 技术进行设计和生产。cmos 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性， 使单片机可以工作在功耗精细管理状态。 （2）低功耗。单片机的功耗已下降许多，静态电流甚至降到 1ua 以下；使用

49、电 压在 36v 之间，完全能够适应于电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带 来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 （3）低电压。几乎所有的单片机都有 wait、stop 等省电运行方式。允许使用的 电压范围越来越宽，一般在 36v 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 12v。目前 0.8v 供电的单片机已经问世。 （4）低噪声与高可靠性。为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的 工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都 采用了新的技术措施。 （5）大容量。以往单片机内的 rom 为 1kb4kb，ram 为 64128b

50、。但在需要复 杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求， 须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内 rom 最大可达 64kb，ram 最大为 2kb。 （6）高性能。主要是指进一步改变 cpu 的性能，加快指令运算的速度和提高系统 控制的可靠性。采用精简指令集（risc）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速 度。由于这类单片机有极高的指令速度，可以使用软件模拟其 i/o 功能，由此引入了 虚拟外设的新概念。 （7）小容量、低价格。与上述相反，以 4 位、8 位机为中心的小容量、低价格化 也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电

51、路组成的控制电路 单片化，可广泛用于家电产品。 （8）外围电路内装。这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有 可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的 cpu、rom、ram、 定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、dma 控制器、声音发生器、 监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 （9）串行扩展技术。随着低价位 otp（one time programble）及各种特殊类型 片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结 构的发展。特别是 i2c、spi 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设

52、计得更少， 单片机系统结构更加简化及规范化7。 3.1.2 at89s52at89s52 单片机的功能特点 at89s 系列单片机是继 at89c 系列之后推出的功能更强的新产品。at89s 系列与 at89c 系列相比，运算速度有了较大的提高，它的静态工作频率为 033mhz，片内集成 有双数据指针 dptr、定时监视器(watch dog timer，又称看门狗)、低功耗休闲状态 及关电方式、关电方式下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用要求。 at89s52 单片机是 at89s 系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是 at89s51 的一倍，即片内 8kb 的 fla

53、sh 程序存储器和 256b 的 ram。另外，它还增加了 一个功能极强的、具有独特应用的 16 位定时计数器 2 等多种功能。其具有如下特点： 1、在结构上： at89s 系列片内含 isp 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器； at89s 系列新增了断电标志、可编程监视器（看门狗） 、中断恢复等。 2、在功能上：（部分功能是因为结构的改变而新增） 引脚功能：管脚几乎相同,变化的有,在 at89s 中 p1.5,p1.6,p1.7 具有第二功能, 即这 3 个引脚的第二功能组成了串行 isp 编程的接口。 编程功能：at89c 仅支持并行编程,而 at89s 不但支持并行编程还支持

54、isp 再线编 程。在编程电压方面,at89c 的编程电压除正常工作的 5v 外,另 vpp 需要 12v,而 at89s 仅仅需要 4-5v 即可。 烧写次数更高：at89s 标称烧写次数是 1000 次,实为 1000-10000 次,这样更有利 开始学习者反复烧写,降低学习成本。 工作频率更高:at89c 极限工作频率是 24mhz,而 at89s 最高工作频率是 33mhz,(at89s 芯片有两中型号,支持最高工作频率分别为 24mhz 和 33mhz)从而具有更 快的计算速度。 电源范围更宽:at89s 工作电压范围,达 4-5.5v（或 4-6v） ，而 at89c51 在底于

55、4.8v 和高于 5.3v 的时侯则无法正常工作。 抗干扰性更强:at89s 内部集成看门狗计时器(watchdog timer),而 at89c 需外接 看门狗计时器电路,或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。 at89s52 系列单片机与 mcs-51 系列单片机全兼容，是在 mcs-51 的技术内核为主 导的基础上倾注了 atmei。公司优良技术进行新的设计和开发，使之功能更强、更具 特色，从而使广大读者能较快地学好和掌握，并具备广泛的开发环境，使开发、应用 更方便8。 3.1.3 at89s52at89s52 单片机的基本结构及工作原理 1、at89s52 的 dip

56、封装 at89s 系列单片机中典型芯片 at89s52 采用 40 引脚双列直插封装(dip)形式，内 部由 cpu，4kb 的 rom，256 b 的 ram，2 个 16b 的定时/计数器 to 和 t1，4 个 8 b 的工 /o 端 i：ip0，p1，p2，p3，一个全双工串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内 的 flash 可编程、可擦除只读存储器(eprom)，使其在实际中有着十分广泛的用途， 在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机常见引脚与 封装如图 4-1 所示。 图 3-2 52 系列单片机 dip 封装图 2、at89s52 引脚功能说明 如图

57、 3-2 所示，at89s52 的 40 个引脚按引脚功能大致可分为 4 个种类：电源、时 钟、控制和 i/o 引脚。 （1）p0 口：p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻 辑电平。对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序 和数据存储器时，p0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下， p0 不具有内 部上拉电阻。 在 flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指 令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 （2）p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1

58、 输出缓冲器 能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将 输出电流（iil） 。此外，p1.0 和 p1.1 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入 （p1.0/t2）和定时器/计数器 2 的触发输入（p1.1/t2ex） 。 在 flash 编程和校验时， p1 口接收低 8 位地址字节。引脚号第二功能： p1.0 t2（定时器/计数器 t2 的外部计数输入） ，时钟输出 ； p1.1 t2ex（定时器/计数器 t2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） ； p1.5 m

59、osi（在系统编程用） ； p1.6 miso（在系统编程用） ； p1.7 sck （在系统编程用） ； （3）p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器 能驱 4 个 ttl 逻辑电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出 电流（iil） 。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 movx dptr） 时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉 发送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）

60、访问外部数据存储器时，p2 口输出 p2 锁存 器的内容。在 flash 编程和校验时，p2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 （4）p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 输出缓冲器 能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将 输出电流（iil） 。p3 口亦作为 at89s52 特殊功能（第二功能）使用，在 flash 编程和 校验时，p3 口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能： p3.0 rxd(串行输入口)； p3.1