基于单片机的超声波测距防撞系统方案

1、PAGE49 / NUMPAGES49毕 业 设 计 论 文题 目： 基于单片机的超声波测距防撞系统 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程与其自动化 姓 名：学 号：指导老师：完成时间： 2013-05 摘 要近年来我国高速公路追尾碰撞事故频繁发生，而车载追尾碰撞预警系统在解决高速公路行车安全中具有良好的前景，因此引起了研究人员的广泛关注。根据超声波测量距离系统，给出了汽车测距防撞报警系统的设计。该系统能在汽车行驶以与倒车过程中自动检测，出汽车与最近障碍物之间的距离( 或行车中的车距) 并通过L E D 显示出来， 当到达极限距离时 系统能发出声光报警 进而提醒司机雌防撞车。在公路

2、、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。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。因此。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。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。 超声波一般指频率在20 kHz以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动

3、计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。目前，国外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为45 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中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STC89C52单片机的超声波测距器。该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以与声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以与软件结构。超声波发射模块中采用555定

4、时器构成的时基电路，接收电路使用SONY公司的CX20106A红外检测专用芯片，该芯片常用于38kHz的检波电路，文过对芯片部电路的仔细分析，设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路，并且增益可调，与传统超声波检波电路相比，电路变得精简，调试变得相对容易。测距器使用数码管显示目标物的距离。关键词： 汽车防撞报警系统； 单片机；STC89C52；超声波；测距ABSTRACTThe accident of automobile rear-end collision has taken place frequently in recent years，and rear-end collisio

5、n warning system has good use in improving expressway traffic safety，so the warning system has been paid more attention in the world.The vehicle collision avoidance alarm apparatus system was introdued according to the ultrasonic measurement distances system . The system can automaticanlly xeamine t

6、he distance between the back and the nearest obstacle ( or the distance among cars ) whicwould be demonstarted through LED that when it arrives the limit distance ,the systemb can send out the warning and reminds the driver for preventing the vehicle colliding . The experimental results showed that

7、, the system illustrates a good prospect of application and xetensionHighways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occur. According to related statistics, 15% of motor veh

8、icle collisions when the vehicle is reversing, as the capacity of the latter caused by bad.So after the increase of motor vehicles as the ability to detect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. Security to avoid obstacles

9、 on the premise that the rapid and accurate measurement of obstructions and the distance between motor vehicles. To this end, the design of a single-chip microcomputer as the core, the use of ultrasonic ranging to achieve non-contact reversing radar system. Generally refers to ultrasonic frequencies

10、 above 20 kHz mechanical waves, with penetrating, and attenuation of small, reflecting the ability and so on. Work, the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a short pulse. Finally, signal processing devices based on

11、the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range; In addition, the ultrasonic energy and the atten

12、uation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 4 5 m, thu

13、s reversing radar are used in cars, such as close range in this paper, according to the spread of sound waves in air reflection to ultrasonic transducer interface components, based on MCU STC89C52 ultrasonic range-finder. Designed by the ultrasonic transmitter module, receiver module, single-chip pr

14、ocessing module, a digital display and alarm sound and light display module, such as parts, the text in detail the range of hardware devices, detection theory, methods and software architecture. The use of ultrasonic transmitter module consisting of 555 time-base timer circuit, receiving circuit usi

15、ng the SONY company dedicated CX20106A infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38kHz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, and compared to convent

16、ional ultrasonic detection circuit, the circuit has become streamlined and easier to debug. The use of digital rangefinder display the distance between objects.Key words：Automotive anti-collision alarm system;Singlechip;STC89C52; Silent Wave;Measure Distance目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc170893

17、005 摘 要 PAGEREF _Toc170893005 h I HYPERLINK l _Toc170893006 Abstract PAGEREF _Toc170893006 h II HYPERLINK l _Toc170893007 第1章 绪论 PAGEREF _Toc170893007 h 1 HYPERLINK l _Toc170893008 1.1 课题研究的现状和发展历史与意义 PAGEREF _Toc170893008 h 1 HYPERLINK l _Toc170893009 1.2 汽车防撞系统的发展现状 PAGEREF _Toc170893009 h 2 HYPER

18、LINK l _Toc170893010 1.3 本课题的主要研究容 PAGEREF _Toc170893010 h 3 HYPERLINK l _Toc170893015 第2章 超声波测距防撞原理 PAGEREF _Toc170893015 h 4 HYPERLINK l _Toc170893016 2.1 超声波测距基本理论 PAGEREF _Toc170893016 h 4 HYPERLINK l _Toc170893016 2.2 超声波发生器 PAGEREF _Toc170893016 h 4 HYPERLINK l _Toc170893016 2.3 压电式超声波发生器原理 PA

19、GEREF _Toc170893016 h 4 HYPERLINK l _Toc170893017 2.4 测量与控制方法5 HYPERLINK l _Toc170893018 2.5 控制系统方框图 PAGEREF _Toc170893018 h 5 HYPERLINK l _Toc170893016 第3章 单片机主机系统电路 PAGEREF _Toc170893016 h 4 HYPERLINK l _Toc170893016 3.1单片机电路 PAGEREF _Toc170893016 h 4 HYPERLINK l _Toc170893017 3.2 复位电路5 HYPERLINK

20、l _Toc170893018 3.3 时钟电路 PAGEREF _Toc170893018 h 5 HYPERLINK l _Toc170893019 3.4 按键电路6 HYPERLINK l _Toc170893020 3.5蜂鸣器电路6 HYPERLINK l _Toc170893015 第4章 系统主要硬件设计方案论证 PAGEREF _Toc170893015 h 4 HYPERLINK l _Toc170893016 4.1方案论证与比较 PAGEREF _Toc170893016 h 4 HYPERLINK l _Toc170893017 4.1.1超声波发射电路5 HYPER

21、LINK l _Toc170893018 4.1.2超声波接收电路 PAGEREF _Toc170893018 h 5 HYPERLINK l _Toc170893019 4.2最终方案确定6 HYPERLINK l _Toc170893022 第5章 系统的硬件电气设计 12 HYPERLINK l _Toc170893023 5.1单片机电路13 HYPERLINK l _Toc170893027 5.2 超声波发射电路13 HYPERLINK l _Toc170893028 5.3 超声波检测接收电路14 HYPERLINK l _Toc170893028 5.4温度采集DS18B20电

22、路14 HYPERLINK l _Toc170893028 5.5 LCD显示电路14 HYPERLINK l _Toc170893052 第6章 系统的软件设计18 HYPERLINK l _Toc170893053 6.1系统软件设计框图 PAGEREF _Toc170893053 h 18 HYPERLINK l _Toc170893054 6.3主程序流程图20 HYPERLINK l _Toc170893055 6.4超声波发生子程序和超声波接收中断程序22 HYPERLINK l _Toc170893058 6.5系统的硬件的调试23 HYPERLINK l _Toc1708930

23、58 第8章 系统的硬件调试23 HYPERLINK l _Toc170893058 第7章 总结与展望23 HYPERLINK l _Toc170893058 7.1 总结23 HYPERLINK l _Toc170893058 7.2 展望23 HYPERLINK l _Toc170893068 致26 HYPERLINK l _Toc170893069 参考文献28 HYPERLINK l _Toc170893070 附 录29第一章绪 论1.1课题研究的现状和发展历史与意义随着社会经济发展的不断进步，汽车的数量逐年增加，汽车拥挤的现状不可避免，而在汽车拥挤的情况下，恶性事故屡屡发生，时

24、刻威胁着人们的安全。我国交通事故的年死亡人数远高于他国，分别是美国的2.3 倍、德国的18.4 倍、日本的13.4 倍。当现代家庭充分的享受汽车带来方便的同时，也为此付出了沉重的代价。据统计，我国自2010年至2010年，已有150多万人死于道路交通事故，其部分的道路交通事故为汽车追尾碰撞事故。面对当今这种现状，设计出一种反应快，稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警系统势在必行。防撞预警自动测量的技术应运而生，尤其非接触式测量技术发展卓越。在大多情况下，测量与障碍物之间的距离是不能够接触到障碍物的，在这种时候就会用到非接触式测量设备。在物理学中人们发现了电子学技术产生的超声波后，从此超声波技术在

25、测量领域得到了广泛的运用，尤其是在超声波测距方面，结合了其他技术，用超声波测距变得十分常用。超声波在介质中传播的距离较远，分辨力较高，且能量消耗小，利用超声波测距比较方便而且速度快计算简单，容易做到实时控制，并且测量精度好，都能够达到工业测量的需要。因此超声测距广泛应用于当今生活中，特别是应用于超声波测距方面。超声波测距利用的是声波反射原理，声波在空气中传播避免了与介质接触。与其它测距方式相比，超声测距不受颜色、光线和电、磁场的影响，使他受到干扰的可能大幅度减少。它还具有可靠性能高、结构简单、价格便宜、安装方便等优点。也能够测量处于黑暗、烟雾、有灰尘、电磁干扰等恶劣环境中的障碍物。但由于超声波

26、传播时温度对声速影响比较大，使超声测距的精确度到了影响，在这里可以采用温度补偿进行校正，能够消除温度对其的影响。由于超声波在空气中波速较慢，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，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。因此超声测距广泛应用于倒车雷达、物体识别等方面，特别是应用于空气测距。超声波测距利用声波反射原理，避免传感器直接与介质接触，是一种传统而实用的非接触测量方法。与红外、激光与无线电测距相比，它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特

27、性。在近距围超声测距具有不受光线、颜色以与电、磁场的影响和指向性强的优点，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低。但由于超声波传播时难于精确捕捉，温度对声速影响等原因，使超声测距的精度受到很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求较高场合下的应用。1.2汽车防撞系统的发展现状国际上对汽车防撞雷达的研究始于20世纪60年代，在此后的10多年，以德国、美国、日本为代表的主要西方国家形成了一股研究热潮，众多研究机构和汽车制造厂家合作，有多台样机问世，并有一些相应的实验结果和论文发表，但是，局限于当时的微波理论与器件的发展水平，加上

28、系统其他硬件成本居高不下，导致雷达难于做到结构简单、体积轻巧、成本低廉，些外，汽车防撞雷达的工作环境恶劣，干扰因素众多，科研工作者在实验室制造样机时，对许多因素考虑并不全面，造成在实际应用中，防撞雷达的工作效果并不理想。 1986年，奔驰公司发起，包括遍与欧洲的17家主要汽车生产厂和50多个研究所，制订了“Promtheus”计划，将组合传感器、通信、人工智能技术于一个系统中，其目的是改进汽车的安全性、经济性和有效性，其中研制出的性能优良的汽车防撞雷达，帮助驾驶员避免发生交通事故，是该计划的一个重要组成部份，该计划，随着微波器件与其集成技术的高速发展，以与微处理器性能价格比的突飞猛进，使得制造

29、出低成主本、高性能的汽车防撞雷达成为可能，进入90年代后，德国在这方面的研究工作处于领先地位。20世纪90年代中期以后，一些公司开始将注意力转向汽车的新型防撞雷达，这种新型防撞雷达应用于高速公路，称为“AICC，即自主智能巡航控制。是汽车雷达发展的高级阶段，就实际情况看，国际上研制出的用于高速公路的防撞达基本上都只需完成向驾驶员提供危险警报功能，为驾驶员争取一定的反映时间。欧盟RadarNet研究项目整合己有研究成果，研制新型多功能汽车防撞雷达，其中，德国奔驰公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞雷达工作于35GHz，探测距离150米，信号处理系统可以计算出前方车辆或障碍物的距离与相对速度

30、，并根据后车速度计算出必要的安全距离，当两车距离小于安全距离时发出灯光和声音报警信号，安装在轿车、客车上试用，效果较好。美国防撞技术研究起步较晚，但目前已处于世界领先水平。主要代表有福特和Eaton orad公司开发的汽车防撞雷达系统，其前方探测距离106米，可在探测围跟踪20多个目标，工作频率24.725GHz，雷达功率SmW a国对汽车防撞装置的研究相对比较晚，整体水平也相对较低。具有代表性是有:汽车电子工程中心研制的SAE-100型毫米波汽车防撞雷达样机，采用LFMCW制式，工作频率35GHz，测距围大于100米，测速围大于100km/h采用增益为26dB的喇叭天线，发射功率405mW，

31、以DSP为中央处理器。1.3 本课题的主要研究容（1）研究国外汽车防撞系统研究现状与发展历史，理解本课题研究的意义；（2）分析各种汽车防撞系统的基本原理和优缺点；（3）提出改进汽车防撞系统的对策（4）设计一种新型的汽车防撞系统，给出设计电路图。超声波测距的原理2.1 超声波的基本理论超声波是一门以物理、电子、机械、以与材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。超声技术是通过超声波的产生、传播以与接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向与反射、投

32、射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。超声波是听觉阈值之外的振动，其频率围在1010Hz，其常的频率大约在103之间。超声波在超声场（被超声波充满的围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用：1 超声波的传播速度超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：横波质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波质点振动方向与传播方向一

33、致的波；表面波质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。 超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。2 超声波对声场产生的作用(1) 机械作用超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大。有时足以达到破坏介质的程度。(2) 空化作用在流体动力学指出，存在于液

34、体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。(3) 热学作用如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。 2.2 超声波传感器超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电瓷晶片制成，具有可逆特性。压电瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以与方向与外加电压的大小和方向成

35、正。也就是说，若在压电晶片两边加以频率为的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的弛，当落在音频围时便会发出声音。反之，如果由超声波机械振动作用于瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率一样的微弱的交流信号。超声波传感器结构如下： 图 2.1.2 元件部结构 图 2.1.3 超声波外部结构2.3 超声波测距系统原理在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测

36、得距离； 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，故被测距离为 S=12vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。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。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331.45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。2.4测量与控制方法超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值

37、，假定X2-X1=0.03S，则有340m0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为ts，超声波传播速度为vms1表示，则有关系式(2-1)s=vt2 (2-1)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式(2-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。v=3314+0607T (2-2)式中，T为实际温度单位为，v为超声波在介质中的传播速度单位为ms。2.5 控制系统方框图超声波测距器的系统框图如下图所示：按键启动STC89C52LCD显示 图 2.5.1 系统框图单片机主机系

38、统电路本次我们采用了STC 公司的STC89C52,该单片机主要特点如下：STC89C52系列单片机以8051为核，兼容MCS-51系列单片机。STC89C52系列单片机、部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写。STC89C52采用静态时钟方式，可以节省电能。STC89C52晶振频率高达24M，运行速度更快。AT89S52价格也比较便宜 6元/片增加了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。3. 1单片机电路STC89C52 图3.2.1 单片机主电路 引脚功能：P0口用来送显示信号给LCD的数据为，P20P22送命令到LCD控制LCD的显示方式。P3.4为DS18B20温度数据采

39、集端。P1.0接测量按键。3.2 复位电路 单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位和按STC89C52在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即ms。一般取R1，C22uF。 当人按下按钮S1时，使电容C1通过R1迅速放电，待S1弹起后，C再次充电，实现手动复位。R1一般取200。 图3.2.2 复位电路3. 3 时钟电路当使用单片机的部时钟电路时，单片机的XATL1和XATL2用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择3M24M，电容选择30pF左右。我

40、们选择晶振为12MHz,电容33pF。STC89C52图3.2.3 时钟电路3. 4 按键电路 我们通过P1.0来启动测量，程序过查询P1.0的电平来检测是否按键被按下，电路原理如下： 当按下按键时P1.0为低电平，单片机通过 查询到低电平开始测量距离，当松开按键，P1.0即为高电平。在软件过软件延时来消除按键的机械抖动。 图3.2.4按键电路3. 5 蜂鸣器电路本次设计通过一只蜂鸣器来提示用户按键按下了，现在单片机开始了测距。蜂鸣器时一块压电晶片，在其两端加上35V的直流电压，就能产生3KHz的蜂鸣声。电路如图3.2.5 通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管9.13的基极，

41、控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。 图 3.2.5蜂鸣器电路第四章 系统主要硬件设计4.1 方案论证与比较单片机采用STC公司的STC89C52，而超声波发射和接收电路有多种，常用的电路如下：4.1.1超声波发射电路:分立元件构成的发射电路 图 4.1 分立元件构成的超声波发射电路图4.1是由两只普通低频小功率三极管C9013构成的振荡、驱动电路，三极管T1、T2构成两级放大器，但是由于超声波发射头的正反馈作用，这个原本是放大器的电路变成了振荡器。超声波发射器的压电晶片可等效于一个串联LC谐振电路，具有选频作用，因此该振荡器只能振荡在超声波发射头的固有谐振频率。第二个图中用电感L替代

42、这样可以增大激励电压，使其具有较大的功率输出。由集成电路构成的发射电路 图4.2是由非门构成的一个振荡器发送电路，用非门构成的电路简单，调试容易。很容易通过软件控制。图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。 图4.2 由非门构成的超声波发射电路4.1.2超声波接收电路：由运算放大器构成的接收电路 图4.3是由运放构成的超声波放大电路，该电路的形式在其他应用中经常遇到，特点如下： 1）一般式用运放组成的放大电路都要求对称的正负电源供电，这里以单电源供电，输出端的静态电位必须设置在1/2的电源电压，这由同相输入端的点位来确定，和分压取得1/2的电源电压加到运放的同

43、相输入端，使其电位1/2电源电压。 2）采用同相端输入方式其输入阻抗高，超声波接收传感器的输出信号接到放大器的同相端，有利于超声波传感器充分发挥接收灵敏度和自生的选频作用。 3）反相端对地不提供直流通路，因此通过隔直电容提供直流通路。 图 4.3 运放构成的超声波接收电路LM1812收发集成电路构成 LM1812是一种专用于超声波接收和发送的集成电路，它即可做发送电路，又可以做接收电路使用。如下图所示： 图 4.4 由LM1812构成的接收电路CX20106构成的接收电路 图 4.5 CX20106构成的接收电路4.13最终方案确定以上为常用的发射和接收电路，分立元件构成的收发电路容易受到外界

44、的干扰，体积、功耗也比较大。而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以首先考虑采用集成电路来组成收发电路。超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（“也称为超声波换能器”）的型号选用CSB40T（其中心频率为40KHz）。可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。这种方

45、法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74HC04。超声波接收包括接收探头，信号放大以与波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头一样的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。CX20106是日本索尼公司的产品，采用单列8引

46、脚的直插式封装，部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理。 在由集成电路构成的收发电路中，发射电路我们选用由非门构成，接收电路采用由红外接收检波芯片CX20106构成，主要是考虑到系统的调试简单、成本低、可靠性好。第五章 系统的硬件结构设计5.1超声波发送电路超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（“也称为超声波换能器”）的型号选用CSB40T（其中心频率为40KHz）。可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头

47、产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74HC04，具体电路如图： 图 5.1 超声波发送电路 从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平，下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动CSB40T，只要控制信号接近40KHz，就能产生超声波。5.2超声波接收电路超声波接收

48、包括接收探头，信号放大以与波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头一样的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。CX20106是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封装，部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配

49、合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理，该芯片部如下图所示： 图5.25CX20106部结构 CX20106构成本次设计接收电路如下图： 图 5.3超声波接收电路使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A的引脚注释。1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R4或减小C4,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C4的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推

50、荐选用参数为R4=4.7，C4=1F。3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4脚：接地端。5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，

51、没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8脚：电源正极，4.55V。5.3 温度采集DS18B20电路物理学告诉我们，超声波在空气中的传播速度为：，由此可见，超声波的速度和温度密切关系，即温度每增加1C，超声波速度约增加0.61m/s，本次我们考虑温度补偿，以使我们的设计更加精确，温度的采集通常使用DS18B20一线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路图如下图所示。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、热电偶与半导体热敏电阻等。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围，半导体热敏电阻器具有

52、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）。DS18B20是美国DALLS公司推出的DS1820的替代产品，具有9、10、11、12位的转换精度，未编程时默认的精度是12位，测量精度一般为0.5C，软件处理后可以达到0.1C，温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以0.0625C/LSB形式表达。其中高五位为扩展符号位。转换周期与转换精度有关，9位转换精度时，最大转换时间为93.7 ms，12位转换精度时，最大转换时间为750ms。DS1

53、8B20引脚判断方法是：字面朝人，从左到右依次是1 （GND）、2（输入/输出）、3（VDD）。图中的R13为上拉电阻，阻值选5K左右。图5.4 DS18B20温度传感器5.4 YB1602LCD显示电路本设计采用LCD液晶显示屏显示。其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用YB1602液晶屏，1602显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2行16个字符。它具有16个引脚，其正面左起为第一脚，如下图所示：第一脚GND：接地。第二脚VCC：+5V电源。第三脚VO：对比度调整端。使用时通过接一个10K的电阻来调节。第四脚RS:寄存器选择信号线。第五脚RW:读写信号线。第六脚E：使能端，

54、当E由高电平跳变为低电平时执行命令。第714脚：8位数据线D0D7。第十五脚BLA:背光电源正极输入端。第十六脚BLK:背光电源负极输入端。5.5LCD显示电路操作控制表操作读状态写指令读数据写数据输入RS=0，RW=1，E=1RS=0，RW=0，D07=指令码，E=H脉冲RS=1，RW=1，E=1RS=1，RW=0，D07=数据，E=H脉冲 表5.6 LCD1602操作指令1602液晶模块部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是010

55、00001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。1602通过D0D7的8位数据端传输数据和指令。显示模式设置： (初始化)0011 0000 0 x38设置162显示，57点阵，8位数据接口；显示开关与光标设置： (初始化)0000 1DCB D显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效)0000 01NS N=1(读或写一个字符后地址指针加1 &光标加1)，N=0(读或写一个字符后地址指针减1 &光标减1)，S=1

56、且 N=1 (当写一个字符后，整屏显示左移)s=0 当写一个字符后，整屏显示不移动数据指针设置：数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码(0-27H，40-67H)其他设置：01H(显示清屏，数据指针=0，所有显示=0)；02H(显示回车，数据指针 =0)。第六章 系统软件设计6.1 系统程序的结构(1)DS18B20温度传感器接口模块，分为初始化程序、写入命令以与读取子程序等部分；(2)基于YB1602的显示模块，分为初始化子程序、写入子程序以与显示子程序；(3)温度补偿与距离计算模块、分为超声波发送控制程序、接收处理程序、温度补偿子程序等；(4)本次设计使用C语言编写程序，C语言相

57、比汇编有许多的优势；编译器使用Keil Version2进行程序编译，Keil功能强大使用方便。主程序，分为系统初始化、按键处理以与各个子程序的调度管理等部分。如图6-1所示描述了各个模块的关系： 图 6.1 系统软件方框图6.2 系统程序的流程超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序与显示子程序组成。我们知道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且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（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程。因为本设计对时间要求精度

58、较高的部分全部由单片机部的定时器完成，而虽然温度传感器的读写对时间精度要求也高，但经详细计算所得出的C程序已被广泛应用，故直接借用已有程序也能作到对温度的准确读取，所心本设计全部使用C语言编程，这样能使设计中所用到的公式能方便快捷的体现和实现，又缩短了论文的篇幅。软件采用模块化设计方法，由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断子程序、温度测量子程序、距离计算子程序、显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成，图6.2为主程序流程图。插上电源后，按下开关系统上电后，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，并同时开始测量距离，然后将P1.0置位，使定时器T0开始定时，控

59、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P2.3引脚，当P2.3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，LCD显示距离和显示温度（温度并非测量距离时用于补偿的温度，而是当前温度）按下按键复位键和k1才执行新一次测量。由于不需输入数据，键盘只设置了2个按键，用于复位操作和开始测量距离并显示温度功能设置等。当测量距离过近时报警电路开始报警，此时电路显示不能够稳定显示的距离一直在变化，说明报警产生的声波会对超声波发射电路和接收电路产生严重干扰，后经过多方

60、考虑用一个发光二极管代替，通过软件的设计试发光二极管不断闪烁进行报警，这样就消除了蜂鸣器的干扰，同试为了充分利用蜂鸣器，我们使当启动按钮K1被按下时蜂鸣器响提示使用者电路开始测距。NYNYNYYN开始系统初始化显示测量距离测温，根据温度和时间计算距离显示温度5s发射超声波，T1计时K2闭合？T1停止定时，保存定时值N接收到反射波？K1闭合？K3闭合？图6.2 主程序流程6.3.超声波发送子程序与超声波接收中断子程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T1打开进行计时，定时器T1工作在方式0。超声波测距仪主程