单片机课程设计倒车雷达

1、目录1、绪论 11.1论文研究的背景意义 11.2国内外发展现状 12、单片机超声波测距系统构想 32.1 系统总体方案工作原理 32.2系统主要参数考虑 4 传感器的指向角 4 测距仪的工作频率 4 声速 5发射脉冲宽度 5测量盲区 53、硬件设计 73.1发射与接收电路的设计方案 73.2选频电路 93.3显示报警电路 11 LED显示原理 11 系统显示电路设计 12 报警电路 13 3.4 单片机复位电路143.5 时钟电路15 3.6 稳压电源153.7单片机硬件 163.7.1单片机 AT89C51 163.7.2 8155芯片介绍 183.7.3探头UCM介绍183.7

2、.4反相驱动器74LS244介绍 193.7.5反相驱动器74LS06 20 运算放大器 214、软件设计 224.1主程序 224.2显示子程序和蜂鸣报警子程序 255、结论 286、致谢 297、参考文献 308、附录 31汽车倒车防撞装置的设计摘 要本文主要介绍了一种利用超声波测距技术的汽车倒车防撞装置，设计了超声波发射电路来产生40kHZ的超声波脉冲信号，并通过超声波接收电路接收回波信号，通过放大、鉴幅、检波电路对所接收的信号进行鉴别。主机采用AT89C51单片机，完成对超声波反射信号的识别、往返时间的计算及距离测量。报警显示电路，当车距小于所设置的安全车距时，启动报警，提示司机进行安

3、全操作。本文对汽车倒车防撞装置的硬件和软件的设计、参数的计算、以及器件的选用等做了详细介绍。关键字： 超声波 温度传感器 单片机 检波Abstract This article mainly introduced automobile back-draft anti-collision system that using ultrasonic ranging technology. The ultrasonic wave transmission circuit produces the 40kHZ ultrasonic wave pulse signal. The reception cir

4、cuit receives echo signal. The echo signal is differentiated through the enlarging and detecting circuit. The system uses AT89C51 single chip computer as the center, which can recognize the ultrasonic wave reflection signal and computes the round-trip time and the distance. The function of the alarm

5、 and display circuit is that, when the distance between vehicles was smaller than the security distance, which has been established by program. The alarm circuit reminds the driver of carrying on the safe operation. The article makes the detailed introduction of the automobile back-draft anti-collis

6、ion systems hardware and the software design, the parameter computation, as well as the component selected and so on.Key words: Ultrasonic wave, Temperature sensor, Single-chip computer, Detection1、绪论1.1论文研究的背景意义随着汽车大量增加，路上车流不息，使道路交通事故逐年大幅度增加，造成大量人员伤亡和财产损失。交通事故的主要原因包括超速行使、占道行使、酒后驾驶、疲劳驾驶等。而碰撞是交通事故的主要

7、表现形式，其中大部分是车与车碰撞和人与车碰撞。可以肯定，随着我国汽车保有量和生产量的快速增长，高速公路和高等级公路里程的快速延伸，如果不加大汽车交通安全控制，交通安全事故会大量增加，造成更多的伤亡和经济损失。专家对汽车交通事故的分析结果表明，在所发生的交通事故中，有80%是由于驾驶员反应不及时、处置不当造成的。其中有65%的事故属汽车追尾碰撞造成，其余则属于侧面碰撞、擦挂所致。因此，德国奔驰公司的专家们在对各类交通事故进行系统研究分析后得出：若驾驶员能在事故发生前提早1秒钟意识到会有交通事故发生，并采取了相应的正确措施，则绝大多数事故都可能避免。汽车防撞预警系统对提高汽车行驶安全性十分重要。从

8、1971年开始，国内外相继出现了超声波、雷达、激光、机器视觉、红外以及交互式等防撞预警系统的研究或者产品。本文将对超声波防撞预警系统的原理、特点等方面进行分析，并提出汽车防撞预警系统的发展方向。目前，超声波测距技术一般应用于汽车倒车避撞方面。本文主要介绍一种利用超声波测距的汽车倒车防撞装置，本设计可以自动连续测量行驶车辆后方障碍物（车辆，行人或其他物体）的距离，如果后方障碍物的距离太近，装置可发出报警声，提醒驾驶员采取措施，进一步的开发还可以完成自动减速刹车的作用。本设计可以辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路环境进行实时监控，在危险情况下提醒驾驶员注意谨慎驾驶，防止汽车倒车相撞事故的

9、发生。1.2国内外发展现状从二十世纪八十年代起，国内外著名大学、研究机构以及汽车生产厂家就积极地研究汽车防撞预警系统，各个运输公司和保险公司也非常关心如何减少交通事故的发生，其原因有以下几点：据统计，全球每年都有约120万人死于交通事故，汽车事故的增加不仅带来了经济损失，还给城市交通带来了不必要的堵塞，给家庭带来许多创伤，使人们的生活受到负面影响，这日益成为人们关心的社会问题；研究表明，早1s报警会减少50%90%追尾事故；安全一直是汽车市场的焦点，调查表明，大部分用户认为最重要考虑的问题是汽车的安全性；系统的市场前景很大。通过对现有的各种汽车防撞预警系统的特点、性能进行分析，我们发现，超声波

10、、雷达、激光有以下的固有缺陷：在汽车一方出现多目标时，不能很好的辨识出最危险的目标，导致误报；在道路弯道处不能很好检测到危险目标，受公路上栏杆影响，也导致误报和漏报；雷达和激光都能测出上几公里的距离，但是在200m以下效果不好、成本高、大题小做，并且它们系统复杂、体积庞大、造价昂贵；激光的视觉角度几乎为0，方向性强；机器视觉的防撞预警系统的技术要求和硬件要求高，受气候影响；红外防撞预警系统相对来说是最好的，可以全天候使用，抗干扰能力强，但是系统的技术要求和硬件要求也高；交互式智能化防撞预警系统在交通信息化上有一定的促进作用，但是要广泛应用和汽车配套使用都需要漫长的过程。电子技术的发展将带动防撞

11、预警系统的发展。为了使防撞预警系统克服上面各个系统的缺陷，应该从以下几个方面去做：提高抗干扰能力，减少误报；增加视觉角度，提高监控范围；增强稳定性，减少误报、漏报；增加驾驶员和汽车检测，因为碰撞事故中驾驶员的疲劳驾驶和汽车的性能也有关系；增加报警决策因素，超声波、雷达、激光等系统报警的因素是汽车和危险物的距离，应该考虑相对速度、相对加速度、车型以及天气；形成智能型专家系统，提高报警的实时性、准确性，因为不同的车型和不同的天气对安全距离和安全时间要求不同， 形成行业标准，这是当务之急，因为产品的成功应用离不开行业标准。防撞预警系统的应用将推动汽车的智能化、信息化，也对无人驾驶技术起到促进作用，从

12、而让我们的行车生活处于安全、舒适、快捷之中。2、单片机超声波测距系统构想2.1 系统总体方案工作原理本装置的应用原理是：超声波由于其反射性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而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。超声波测距主要应用于倒车雷达、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。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，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。本文介绍一种以STC89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示汽车倒车防撞装置，它由硬件电路和软件设计组成 。超

13、声波测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂，在这里使用脉冲反射式。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，途中碰到障碍物立即返回，超声波接收器收到反射波立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为c，而根据计时器记录的超声波发射和接收回波的时间差为，就可以计算出发射点到障碍物的距离S，即：S=ct/2。图2.1这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，在温差变化较大的地区使用超声波测距要进行温度补偿。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

14、温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只需测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距装置的原理。汽车倒车雷达装置是基于STC89C51单片机为核心的测量显示系统。测量距离是通过超声波发生器发出超声波，通过超声波接收器接收超声波，同时利用单片机通过外界中断计算超声波在空气中的传播时间，通过程序进一步计算距离。本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。硬件设计方框图如图2.2。图2.2 汽车倒车防撞系统硬件框图本装置的主要工作原理是单片机控制超声波的发射，当发射超声波时单片机同时启动定时中断，当单片机接到中断信号时，

15、停止计时，并记录超声波传播时间。通过程序计算障碍物与车辆之间的距离。2.2系统主要参数考虑系统的主要参数有传感器的指向角、测距的工作频率、声速、脉冲宽度、测量盲区等，下面做介绍并阐述。 传感器的指向角传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长，传感器半径r有关。由(2/)*r*sin(/2)=1.615 (2-1)选 f0=40KHz 时，C/f0=8.5mm。当 f0选定后，指向角近似与传感器半径成反比。指向角愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不

16、降低空间分辨率的条件下，选用国产现有电传感器片最大半径 r=6.3mm，故=2*arcsin (1.615/2*r)=75°。 测距仪的工作频率由文献5知，空气中超声波的衰减系数为=as=Af2+Bf4。所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在 40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑：(1) 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成

17、正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。(2) 工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。(3) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz，定为 44KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。 声速由S=C*t/2=C*t0知，声速的精确程度线性的决定了测距系统

18、的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为V=331.40.607T(m/s) (2-2)式中，T 是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 m/s。发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了 24s (

19、1个40KHz 脉冲方波)，120s( 5个40KHz 脉冲方波)，240s (10个40KHz 脉冲方波)，720s( 30个40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度作为发射信号后的接收信号，最终选用 120s (5个40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。测量盲区在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是

20、需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下：当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平VM；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收

21、信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值 Vm ，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。3、硬件设计3.1发射与接收电路的设计方案超声波发射接收电路如图3.1所示。该电路简单实用，通过两极放大，增强接收信号，比较适合本设计需要。测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHZ的脉冲信号，前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40kHZ的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHZ的脉冲超声波，且持续发射200s。图3.1超声波测距系

22、统发射接收电路由AT89C51单片机编程，执行程序后P1.0 口产生40KHZ的脉冲信号，经三极管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。接收头采用和发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至DC2。DC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4 决定其锁定带宽。调解R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反

23、射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端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。发射电路电路图如图3.2所示：图3.2系统发射电路此电路由一个9V的电源，R1=3.6K，R2=360，三极管T一个，激励换能器T40-16一个。其流程图如图3.3所示：图3.3流程图发射电路原理：当单片机AT89C51,通过P1.0这个I/O口，发送一系列的脉冲，经过三极管T进行放大，从而使T40-16这个激励换能器发射出超声波。接收电路如3.4所示：图3.4接收电路图其原理框图如下：图3.5 原理框图3.2选频电路

24、本装置采用带有锁定环的音频译码集成块LM567进行频率选择，只接收超声波发生器发出的一定频率的脉冲信号，将其他频率的噪音信号和其他干扰信号去除，从而减少系统的误报和错报。锁相环是一个闭环的相位负反馈控制系统，它由相位检波器（亦称鉴相器），低通滤波器（又称环路滤波器）和压控振荡器（简称VCO）三个基本部件组成。锁相环音频译码器LM567采用8脚双列直插式封装，管脚功能如图3.6。 图3.6 LM567管脚图LM567由相位比较器、压控振荡器、正交相位检波器、逻辑输出放大器等几部分构成。图3.7 LM567内部电路图它的内部电路结构由正交相位探测器、锁相环、放大器等组成。LM567的工作电压为4.

25、759V，工作频率可达500KHZ，静态工作电流仅8mA。第3脚是信号输入端，要求输入信号大于25mV。第8脚是逻辑输出端，它是一个集电极开路的晶体管输出，允许最大灌电流为100mA。第5、6脚外接的电阻、电容，它们决定了DC内部的压控振荡器中心频率fT1.1/RC。第1、2脚通常是分别对地接电容，形成输出滤波网络和环路低通滤波网络，其中第2脚所接电容决定了锁相环路的捕捉带宽，电容数值越大，环路带宽越窄。LM567的环路带宽BW可由下式计算：BW=1070(Vi/FoC2)，当音频译码器LM567工作时，其锁相环内部电压控制振荡器产生一定频率的振荡信号，此信号连同引脚3输入的信号频率一起送入正

26、交相位探测器进行比较，若连续输入的信号频率落在给定的通频带时，锁相环即将这个信号锁定，同时LM567的内部晶体管受控导通，引脚8输出端输出低电平。LM567的引脚5输出内部振荡器的矩形信号，引脚6输出锯齿波脉冲，二者的频率都与内部振荡器的中心频率相同。LM567的特性参数：、外接电阻和电容实现20：1的频率调整范围；、逻辑兼容性：输出端具有接受100mA灌电流的能力；、可调带宽：10%14%；、抑制噪声的能力强；、抗干扰能力强；、振荡频率（中心频率fT）稳定性好；、中心频率可调整从0.01HZ500kHZ。选频电路工作原理分析:图3.8 选频电路的外部接线其5、6脚外接的电阻Rp1和电容C23

27、决定了内部压控振荡器的中心频率fT1.1/(Rp1×C23)。2脚所接电容C25决定锁相环路的捕捉带宽，C25的确定方法是：C25=130fT(Rp2+10Rp2)。1脚所接电容C24的容量应至少是2脚电容的2倍。第3脚为信号输入端，要求输入信号的幅度大于25mV，最佳值为200mV左右。当LM567的3脚输入信号的频率落在其内部压控振荡器中心频率附近时且信号幅度大于25mV时，逻辑输出端（8脚）将由原高电平变为低电平，输出一个负脉冲。8脚不仅可以实现选频，而且还有负脉冲形成功能。改变Rp可改变选频频率。我们可利用了LM567接收到相同频率的载波信号后8脚输出低电平这一特性，来形成对

28、控制对象的控制。由于8脚为集电极开路输出，故实际应用时，其8脚应接一上拉电阻至电源正极Vdd。 LM567的输出端8脚接单片机的中端口，由高电平跃变为低电平，作为判断回波的信号，送至单片机处理，关掉定时器读取定时器的记录时间。3.3显示报警电路3.3.1 LED显示原理 本装置的显示采用了共阴极数码管作为显示器件，数码管LED结构和显示原理：LED（Light Emitting Diode）显示器是由发光二极管作为显示字段的显示器件，最常见的是由7段型发光二极管（a-g7段）和1个圆点型发光二极管（常以dp表示，主要用来显示小数点）组成的LED显示器，其排列形状如图3.9所示。这种LED显示器

29、也可称为7段数码显示器（或8段数码显示器，如图3.9所示）。图3.9 LED管脚图 图3.10(a)共阴极图3.10(b)共阳极LED显示中的发光二极管根据其连接的方法有共阴极和共阳极两种结构。共阴极结构：把各段发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，如图3.10(a)所示。使用时，公共阴极接地，根据要求需点亮发光二极管的阳极输入高电平，不需点亮的发光二极管的阳极输入低电平。共阳极结构：把各段发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极，如图3.10(b)所示。使用时，公共阳极接+5V，根据要求需要点亮发光二极管的阴极输入低电平，不需点亮的发光二极管的阴极输入高电平。通过控制7个段的发光二极管的亮暗

30、的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。字段码：为了显示各个数字或字符，就需要为LED提供相应的代码，因为这些代码是控制各段的亮或灭，供显示器显示字形的，所以称为字段码（也可以称为段选码或字形码）。七段发光二极管再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的字段码正好1个字节 。3.3.2系统显示电路设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED 发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。综合课题的实际要求以

31、及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的LED驱动输出设备。由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个 LED数码管表示距离的cm数值。在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器常用两种驱动方式：静态显示驱动和动态显示驱动。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通以恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。因此，使用这种方法单片机中CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、译码器等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。而所谓动

32、态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。8155的PA口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS244驱动；PC口作为LED的位选控制口，采用共阳极的LED显示器，由于8段全亮时位控线的驱动电流较大，采用6路反相驱动器74LS06以提高驱动能力。图3.11系统显示电路3.3.3报警电路 系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为1K，R

33、26的阻值为10K。对于二级运算放大器，都采用F007芯片。两级放大电路均是负反馈接法，即反相比例运算电路。而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同相输入端接地。根据“虚短”和“虚断”的特点，即u_=u+，i_=i+=0，可得u+=0。而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0，所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零，即Uid=u_=u+0，即u_=u+，而u0具有一定值。由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短”。而“虚断”是由于理想集成运放的输入电阻Rid，故可以认为输入端不取电流，即i_=i+0。这样，输入端相当于断路，而又不是断开，称为“虚断”。而电路中，反相

34、输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况称为“虚地”。所以iI=，iF=，因为i_=0，iI=if，则可得u0=-uI。故可将信号进行放大。图3.12 系统报警电路当单片机AT89C51通过P1.0口，发射出超声波的信号，即输出一个高电平给这个I/O口，大约5V的电压，同时单片机计数器T0开始计时。则信号经过三极管T1，T2，T3进行放大。使电流达到T40-16的工作电流，从而发射出超声波。当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时被反射回来，这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信号送给LM567的输入端，当LM567的输入端电流

35、大于25mA时，其8号输出引脚会产生一个信号，使得单片机AT89C51产生一个中断。这样，计数器便停止计数。单片机把计得的时间差进行运算，根据S=170*t这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示。如果距离小于1m或0.5m，则单片机AT89C51便给P1.5口一个信号，使得报警电路工作，实现报警。3.4单片机复位电路在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，

36、只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。单片机复位电路通常采用以下几种方式：a、上电自动复位在通电瞬间，由于R·C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。图3.13上电复位电路b、按键电平复位通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。c、系统复位在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系

37、统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。3.5时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作 。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。X1是接外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。图3.14晶振电路电路中的C1和C2一般取30PF左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1

38、.212MHz，而电路中采用6MHz，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。3.6稳压电源大部分的电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量，而且对于我们通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。并且，我们目前绝大部分电子电路与电子设备都是使用线性电源，即通过降压、整流、滤波、稳压后提供稳定的直流电压给电子电路及芯片工作的。固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端

39、接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好。由于固定式三端稳压电源（7805）的输出电流有1.5A，而本次设计电路电流在1A到2A之间，考虑到电路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次设计电源电路需要采用扩流电路，如图3.15。图 3.15电源电路采用外接PNP型大功率管的方法，这是一种最基本的扩展电流电路，扩展的输出电流取决于外接功率管的电流负载量，电路中的R1是VT的偏置电阻，为VT1提压导通时的基极偏压，VT与集成稳压器内电路中的NPN型调整管组成复合管，设Ir为流过电阻R1中的电流，Ic为流过外接调整管的集电极电流，Td为7805的静态工作电流，

40、这时7805的输出电流为Ioxx，可表示为式中为VT的电流放大系数，稳压扩展后的输出电流Io可表示为。因为7805的的最大输出电流为1.5A，当Io取1.5A时，则稳压器的扩展后的输出电流为3A，加一只二极管VD与R1并联，把外接整流管的VT1的发射结电阻限制在0.7V以内，当输出电流超过额定植时，保护电阻R2上的压降增大，必然会使VT1的Vbe减小，从而使VT1的输出电流减小，以至不导通，这样便达到了保护外接管的目的。电路中的VT1可选用3CD6等PNP型硅低频大功率管。3.7单片机硬件3.7.1单片机 AT89C51图3.16 AT89C51单片机芯片根据系统设计要求，各接口功能

41、如下：P1.0：产生输出一个40KHZ的脉冲信号。（用于测距电路）INT0：产生中断请求，接测距电路。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。P1.5：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，此引脚应接地。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

42、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。RST：AT89C51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，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。3.7.2 8155芯片介绍图3.17 8155芯片8155引脚功能：AD7AD0（1912脚）：三态地址/数据引出线；CE（8）：片选信号线，低电平有效；RD（9）：存储器读信号线，低电平有效；WR（10）：存储器写信号线，低电平有效；ALE（11）：地址及片选信号锁存信号线，高电平有效；IO/M (7)

43、：I/O接口与存储器选择信号线，高电平表示选择I/O接口，低电平表示选择存储器；PA7PA0（2821）：A口输入/输出线；PB7PB0（3629）：B口输入/输出线；PC5PC0（5、2、1、39、38、37）：C口输入/输出线或控制信号线；T/IN（3）：定时器/计数器输入端；（T/OUT）（6）：定时器/计数器输出端；RESET（4）：复位，高电平有效，复位后三个I/O口均为输入功能。3.7.3探头UCM介绍压电陶瓷超声波换能器（超声波传感器）体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加速更新

44、换代，提高市场竞争能力。表1 传感器特性参数型号UCMT40K1UCMR40K1结构开放式开放式发射距离810米810米使用方式发射接收谐振频率40KHZ±1KHZ40KHZ±1KHZ频带宽2KHZ±0.5KHZ2KHZ±0.5KHZ灵敏度70dB / V / ubar70dB / V / ubar外形尺寸16mm×22.5mm16mm×22.5mm温度范围20 + 60 20 + 60 相对湿度20 ± 5时达98%20 ± 5时达98%使用注意事项：两接线脚焊接时间不宜过长，以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与

45、接线脚之间松动。不宜与腐蚀性物质接触。3.7.4反相驱动器74LS244介绍74LS244芯片介绍74LS244内部共有两个四位三态缓冲器,分别以1和2作为它们的选通工作信号。当1和2都为低电平时,输入端A和输出端Y状态相同;当1和2都为高电平时,输出呈高阻态。74LS244内部结构图:图3.18 74LS244内部结构图表2 74LS244的真值表8 输入3态缓冲电路；把8个输入分成2组，4个一组；H高电平；L低电平；Z高阻；G0 的时候，输入>输出；G1的时候，输出为高阻态。 74LS06芯片介绍74LS06是六路反相驱动器,与七段数码管的位码相连； 74LS06的逻辑图。图3.19

46、 74LS06的逻辑图表3 74LS06功能表表4 74LS06工作条件表运算放大器主要技术参数:1、开环差模电压增益Au0：Au0是指集成运放在无外加反馈情况下,并工作在线性区时的差模电压增益.用分贝表示则是20lgAu0.性能较好的集成运放的Au0可达140db以上。2、输入失调电压及其温漂：失调电压的大小主要反映了差分输入元件的失配；输入失调电压是随温度,电源电压或时间而变化的,通常将输入失调电压对温度的平均变化率称为输入电压温度漂移。3、输入失调电流及其温漂：在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流II0。输入失调电流温度漂移是指输入失调电压随温度

47、变化的平均变化率。一般以mA/0C为单位。高质量的为每度几个皮安。4、输入偏置电流IIB：IIB是指常温下输入信号为零时，两个输入端静态电流的平均值，即：IIB=（IB1+IB2）/2 IIB的大小反映了放大器的输入电阻和输入失调电流的大小，IIB越小，运算放大器的输入电阻越高，输入失调电流越小。5、差模输入电阻Rid：Rid是指运算放大器两个输入端之间的动态电阻，一般为几兆。6、输出电阻R0：运算放大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效电阻即为输出电阻。R0大小放映了运算放大器的负载能力。7、共模抑制比KcmRKcmR=Aud/Auc 用dB表示，即为20lg(Aud/Auc).8、

48、最大差模输入电压UidM：UIdM是指运算放大器同相端和反相端之间所能加的最大电压。9、最大共模输入电压UicM：UIcM是指运算放大器在线性工作范围内能承受的最大共模输入电压。4、软件设计在系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据第三节所述系统硬件设计和所完成的功能，系统软件需要实现以下功能：一、信号控制在系统硬件中，已经完成了发射电路、接收电路、检测电路、显示电路、门限检测的设计。在系统软件中，要完成增益控制信号、门控信号、发射脉冲信号、峰值采集信号、远近控制信号的时序及输出。二、数据存储为了得到发射信号与接收回波间的时间

49、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。三、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，因为计数值与实际的距离值之间转换公式为：S=0.5*V*T0.5*V*(Tr*N)其中，T 为发射信号到接收之间经历的时间，Tr 为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率，N 为计数器的值。在这个部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制与十进制转换。四、 数据传输与显示经软件处理得到的距离送显示输出，用三位 LED 表示。由于采用了单片机AT89C51并考虑整个系统的控制流程，整个系统软件都有 AT89C51系列单

50、片机汇编语言实现。由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进制转换子程序后显示输出。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、中断服务程序几个主要部分。4.1主程序主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序及中断服务程序。程序首先完成初始化过程，然后是一个重复的控制发射信号的过程，即调用发射子程序几遍，而且每次发射周期结束都会判断在发射信号后延时等待的过程中是否发生了中断，即是否有回波产生来判断程序得流程。流程图如图4.3所示。

51、N开始单片机初始化发射超声波子程序外部中断子程序Y有回波吗图4.1 主程序流程图一、 40kHz 脉冲的产生与超声波发射 在脉冲产生前先对定时/计数器T0进行初始化，在这里选择的是工作方式1定时器模式，所以TMOD应该设定为01H。接着用STEB TR0指令开启T0，在开启T0的同时开发发射超声波脉冲。测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。 PUZEL：MOV 14H，#12H ；超声波发射持续200us HERE： CPL P1.0 ；输出40kHz方波 NOP NOP NOPDJNZ 14H，HERERET

52、 测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200us。二、 超声波的接收与处理 超声波的接受是由外部中断口INT0是否有中断脉冲产生来判断的。定时子程序转回来的时候，要对中断进行初始化。选定的是INT0口，工作方式为脉冲方式。STEB EA ； 中断总允许SETB ET0 ； T0中断允许SETB ET1 ； T1中断允许STEB EX0 ； INT0中断允许STEB IT0 ； 设置INT0为脉冲方式HERE：JMP $ ；等待中断接收头采

53、用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至DC2。DC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。 三、 数据读取和储存为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出T0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。RECEIVE0：CLR EX0 ；关外部中断0 MOV R7, TH0；读取时间值 MOV R6, TL0CLR C MOV A, R6 SUBB A,