超聲波測距液晶屏畢業(yè)論文

1、基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要:本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對前方物體距離的測量。根據(jù)超聲波指向性強(qiáng),能量消耗慢,在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),利用超生波傳感器對前方物體進(jìn)行感應(yīng)，經(jīng)過單片機(jī)中的程序?qū)Τ暡▊鞲衅靼l(fā)射和接收的超聲波信號進(jìn)行分析和計(jì)算處理，最后將處理結(jié)果在LCD1602上顯示。STC89C52單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng),此系統(tǒng)根據(jù)超聲波在空氣中傳播反射原理,把超聲波傳感器作為接口部件,利用超聲波在空氣中傳播的時(shí)間差來測量距離,設(shè)計(jì)了一套超聲波檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個(gè)基本模塊構(gòu)成，用接收部分接收超聲波。本設(shè)計(jì)利用兩個(gè)中斷

2、，在發(fā)射信號時(shí)，打開定時(shí)器中斷0和外部中斷0使定時(shí)器計(jì)時(shí)，接收到發(fā)射超聲波信號時(shí)，外部中斷0關(guān)閉中斷，這時(shí)定時(shí)器中斷0計(jì)錄的時(shí)間就為超聲波傳播經(jīng)過測距儀到前方物體的來回時(shí)間。利用公式S=T×V2（V為超生波傳播速度，本設(shè)計(jì)設(shè)定值340m/s）,經(jīng)過單片機(jī)處理得到距離值S并且通過LCD1602顯示出來。關(guān)鍵詞：單片機(jī)STC89C52，HC-SR04超聲波傳感器，LCD1602目錄第一章 緒論超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減。它也有自已的特性，如它

3、的頻率可以非常高，達(dá)到兆赫級，因此，它在介質(zhì)中傳播時(shí)能量可以集中在很小的范圍內(nèi)，具有良好的成束性，也就是方向性好。1.有關(guān)于超聲波的簡單介紹1.1 課題研究背景超聲波1是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確

4、測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。1.2 課題研究意義由于超聲測距是一種非接觸2檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾等惡劣環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高料位測量、車輛自動導(dǎo)航、物體識別與定位、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)乃至地形地

5、貌探測等許多領(lǐng)域中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機(jī)器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況國內(nèi)的超聲波測3量

6、主要集中在對010 m固體和液體的測量，一般測量精度高，回波穩(wěn)定4。近年來隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機(jī)器人視覺識別等方面。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)的一些學(xué)者也作了大量相關(guān)的研究。南昌航空工業(yè)學(xué)院的江澤濤5在溫度對液體中超聲波速度的影響一文中，洋細(xì)地分析了溫度對超聲波在液體中傳播速度的影響，導(dǎo)出了超聲波速度同液體壓縮系數(shù)及密度的關(guān)系，研究了壓縮系數(shù)及密度同溫度的關(guān)系，進(jìn)而研究了溫度對聲速及聲時(shí)的影響， 用實(shí)驗(yàn)測量了不同的液體成分下的聲時(shí)同溫度的關(guān)系。Figneroa

7、 JF，Lamancusa JS6在A method for accurate detection of time of arrival：AnalysiS and design of ultrasonic ranging system一文中，提出一種新的計(jì)時(shí)方法，該方法的原理是回波時(shí)延由峰值時(shí)延和相位時(shí)延相加而得，分別用不同的檢測方法得到峰值時(shí)延和相位時(shí)延，相加后即得回波的傳播時(shí)間。2.課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求主要內(nèi)容根據(jù)所學(xué)知識，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)。（1）硬件設(shè)計(jì)：選擇單片機(jī)型號和超聲波模塊，設(shè)計(jì)主要的電路模塊，主要包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤接口模塊、超聲波接口電路模塊和顯示模塊

8、；（2）軟件設(shè)計(jì)：使用Keil C51設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，并完成聯(lián)機(jī)調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)的主要模塊有：系統(tǒng)初始化、鍵盤掃描、超聲波測距和測量結(jié)果顯示。 （3）需要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：探測距離：2cm-450cm 精度：可達(dá)10mm 第二章 超聲波測距原理1.研究方案及選擇1.1方案一：基于ARM7的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)以S3C2410為核心，通過對其進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)該芯片對其外圍電路的適時(shí)控制,并提供給外圍電路各種所需的信號,包括頻率振蕩信號、數(shù)據(jù)處理信號和譯碼顯示信號等等，大大簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)更重要的是該種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，并且由于采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以

9、將其他更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去8。頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40kHz左右，具有一定間隔調(diào)制脈沖波信號。測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。系統(tǒng)由測距系統(tǒng)、控制和顯示部分組成。發(fā)射電路接收電路S3C2410溫度補(bǔ)償LCD顯示圖2.1基于ARM的超聲波測距系統(tǒng)框圖1.2方案二：采用CPLD來控制的超聲波測距儀采用CPLD來控制的超聲波測距儀，主要是在軟件上運(yùn)用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）編寫程序使用MAX+plus II軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最

10、終實(shí)現(xiàn)測距功能。使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于在超聲波測距儀設(shè)計(jì)中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高頻率可達(dá)175.4MHz，可用于組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設(shè)計(jì)。充分利用了其多達(dá)128個(gè)宏單元、68pin可編程I/O口，使該器件可以將分頻功能、計(jì)數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時(shí)平均的特點(diǎn)，保證了測距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,還需要一塊用來存儲波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計(jì)的成本較高。同時(shí)在FPGA中還要用硬件描述語言(VHDL語言)編寫程序來實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。由

11、于EPM7128SLC84-15的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來編程也復(fù)雜。1.3方案三：采用51單片機(jī)控制的超聲波測距系統(tǒng)采用單片機(jī)來控制的超聲波測距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號，經(jīng)過信號線，把信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：S=vt/2原理框圖如2.2所示。 t 障礙物 s 超聲波發(fā)射 超聲波接收 圖2.2 超聲波的測距原理方案一

12、統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動測距、自動探傷和實(shí)時(shí)顯示功能，集探傷、測距等多種功能于一體，所有運(yùn)算、處理、顯示都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；并且操作簡單。使用方便，所有功能都有按鍵控制；測量速度快、準(zhǔn)確，結(jié)果顯示直觀；儀器依靠電池供電，設(shè)有低功耗模式；體積小，攜帶方便，適用于室內(nèi)、野外等各種條件下作業(yè)。方案三計(jì)硬件簡單，容易實(shí)現(xiàn)，測距范圍適中。測量誤差可以控制在士1 c m左右。系統(tǒng)軟件采用合理算法，提高了測量精度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。另外其使用的51系列單片機(jī)以8051為內(nèi)核，兼容MCS-51系列單片機(jī)，內(nèi)部含有Flash存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)可以反復(fù)擦寫；用靜態(tài)時(shí)鐘方式，可以節(jié)省電能；支持ISP（在線編程），不需要把單片機(jī)從

13、電路板取下來就可以擦寫程序；晶振頻率高達(dá)24M，運(yùn)行速度更快，價(jià)格也比較便宜；增了看門狗電路，防止程序“走飛”，更加安全可靠。與第二種方案相比，第三種使用的是單片機(jī)，編譯語言可以用C語言來實(shí)現(xiàn)，所以比較簡單。2.超聲波測距的原理2.1 超聲波的基本理論 超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小

14、不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。超聲波是聽覺閾值之外的振動，其頻率范圍在1010Hz，其中通常的頻率大約在103之間。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用：1 超聲波的傳播速度超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波；縱波質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波；表面波質(zhì)點(diǎn)振動

15、介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。 超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。 超聲波在氣體和液體中，其傳播速度C=（）式中 介質(zhì)的密度； 絕對壓縮系數(shù)。 可以推導(dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度。（T為環(huán)境溫度）。 超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況： (1)縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度 其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān)。 （細(xì)棒） （薄板） （無限介質(zhì)）式中 E楊氏模具； 泊松系數(shù)； K體積彈性模具； G剪片彈性模。(

16、2)橫波聲速公式為 （無限介質(zhì)） 在固體中，介于05之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。 2 超聲波的物理性質(zhì)當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時(shí)，一部分被反射；另一部分透射過界面，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖2.1.1所示： (1) 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖2.1.1所示。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩式求得：圖 2.1.1 聲波反射 式中：分別為聲波的入射角和反射角； 分別

17、為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速滿足折射定律關(guān)系式：。當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即，則： 如果sin>，入射波完全被反射，在相鄰兩個(gè)介質(zhì)中沒有折射波。如果超聲波斜入射到兩個(gè)固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時(shí)，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱波，而且還產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。(2)超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下： 式中：距離聲源x=0處的聲壓和聲強(qiáng)； 超聲波與聲波間的距離； A衰減系數(shù)，單位為（奈培/厘米）。(3)超聲波的干涉如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，

18、于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。若以兩個(gè)頻率相同，振幅和不等，波程差為d的兩個(gè)波干涉為例，該兩個(gè)波合成振幅為，其中為波長。從上式看出，當(dāng)d=0或d=（為整數(shù)）時(shí)，合成振幅達(dá)到最大值；當(dāng)d=時(shí)，合成振幅為最小值。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)d的奇數(shù)倍時(shí)，兩波相互抵消合成幅度為0。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場。 3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大。有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(2) 空化作用在流

19、體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 4 超聲波傳感器超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，就會產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向

20、與外加電壓的大小和方向成正。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為的交流電電壓時(shí)，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣的張弛，當(dāng)落在音頻范圍內(nèi)時(shí)便會發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機(jī)械振動作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時(shí)，那么壓電晶片也會產(chǎn)生與振動頻率相同的微弱的交流信號。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 2.1.2 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 2.1.3 超聲波外部結(jié)構(gòu) 2.2 超聲波測距系統(tǒng)原理在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法： 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本

21、固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離； 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t，故被測距離為 S=12vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變 。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。超聲波測距的算法設(shè)計(jì): 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15時(shí)）。X2是聲波返回的時(shí)刻，X1是聲波發(fā)聲的時(shí)刻，X2-X1得出的是一

22、個(gè)時(shí)間差的絕對值，假定X2-X1=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時(shí)間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下：    圖 2.1.4測距原理  超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示：LCD顯示單片機(jī)控制器超聲波發(fā)射超聲波接收 圖 2.1.5 系統(tǒng)框圖第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)3.2 超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)超聲波是一種振動頻率超過20 kHz的機(jī)械波，它可以沿直線方向傳播，而且傳播的方向性好，傳播的距離也較遠(yuǎn)，在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到障礙物在入射到它的反射面上就會產(chǎn)生反射波6。由于超聲波的以上幾個(gè)特點(diǎn)，所以超聲波被廣

23、泛地應(yīng)用于物體距離的測量、厚度等方面6。而且，超聲波的測量是一種比較理想的的非接觸式的測距方法6。當(dāng)進(jìn)行距離的測量時(shí)，由安裝在同一水平線上的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，并且同時(shí)啟動定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)7。首先由超聲波發(fā)射探頭向倒車的方向發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會被反射回來，當(dāng)接收探頭收到反射波后就會給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其立刻停止計(jì)時(shí)6.7。這樣，定時(shí)器就能夠準(zhǔn)確的記錄下了超聲波發(fā)射點(diǎn)至障礙物之間往返傳播所用的時(shí)間t（s）7。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為340 m/s7，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離為：S=340×

24、;t/2=170×t 因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上就是對機(jī)器周期T的計(jì)數(shù)，而本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率fosc取12 MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值N，則： T12/fosc=1s t=N×TN×0.000001（s） S170×N×T170×N/1000000（m） 在程序中按式S170×N×T170×N/1000000計(jì)算距離。3.2.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動將超聲波

25、發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動實(shí)際上就是一個(gè)信號的放大電路，本設(shè)計(jì)選用74LS04芯片進(jìn)行信號放大，超聲波發(fā)射電路如圖3.5所示。圖3.5 超聲波發(fā)射電路工作時(shí)，由單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的脈沖從P0.1口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。3.2.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的信號進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路CX20106A芯片電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對超聲波信號進(jìn)行放大、限

26、幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。CX20106A芯片的前置放大器具有自動增益控制的功能，當(dāng)測量的距離比較近時(shí)，放大器不會過載；而當(dāng)測量距離比較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波信號微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。CX20106A芯片的5腳在外接電阻對它的帶通濾波器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場對芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。CX20106A芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而且靈敏度也比較高，所以，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。超聲波接收電路如圖3.6所

27、示。圖3.6 超聲波接收電路3.2.3 HR-SR04超聲波集成模塊1、產(chǎn)品特點(diǎn)：HC-SR04 超聲波測距模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能， 測距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 基本工作原理：(1)采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號; (2)模塊自動發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回； (3)有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2;2、實(shí)物圖：如右圖接線，VCC 供5V 電源，

28、GND 為地 線，TRIG 觸發(fā)控制 信號輸入，ECHO 回 響 信 號 輸 出 等 四 支 線。圖一 實(shí)物圖3、電氣參數(shù)：電氣參數(shù)HC-SR04 超聲波模塊工作電壓DC 5 V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測量角度15 度輸入觸發(fā)信號10uS 的 TTL 脈沖輸出回響信號輸出 TTL 電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm4、超聲波時(shí)序圖：圖二、 超聲波時(shí)序圖 以上時(shí)序圖表明你只需要提供一個(gè) 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此

29、通過發(fā)射信號到收到的回響信號時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式：uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是：距離=高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2；建議測量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。注：1、此模塊不宜帶電連接，若要帶電連接，則先讓模塊的 GND 端先連接，否則會影響 模塊的正常工作。2、測距時(shí)，被測物體的面積不少于 0.5 平方米且平面盡量要求平整，否則影響測量的結(jié)果5、實(shí)物規(guī)格：復(fù)位電路 單片機(jī)在RESET端加一個(gè)大于20ms正脈沖即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù)位和按鈕組合的復(fù)位電路如下：圖3.2.2 復(fù)位電路在系統(tǒng)上電的瞬間，RST與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐

30、漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個(gè)正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)位，即ms。一般取R1，C22uF。 當(dāng)人按下按鈕S1時(shí)，使電容C1通過R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，實(shí)現(xiàn)手動復(fù)位。R1一般取200。3.2.3 時(shí)鐘電路 當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，單片機(jī)的XATL1和XATL2用來接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，晶體一般可以選擇3M24M，電容選擇30pF左右。我們選擇晶振為12MHz,電容33pF。 圖3.2.3 時(shí)鐘電路3.2.4 按鍵電路 我們通過P1.0來啟動測量，程序中通過查詢P1.0的電平來檢測是否按鍵被按下，電路原理如下： 當(dāng)按下按鍵時(shí)P1.0為低電平

31、，單片機(jī)通過 查詢到低電平開始測量距離，當(dāng)松開按鍵，P1.0即為高電平。在軟件中通過軟件延時(shí)來消除按鍵的機(jī)械抖動。 圖3.2.4按鍵電路3.2.5 蜂鳴器電路報(bào)警模塊通過單片機(jī)給定不同頻率利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。報(bào)警模塊電路圖如圖3.10所示。圖3.10 報(bào)警模塊電路圖3.6 LCD顯示電路 本設(shè)計(jì)采用LCD液晶顯示屏顯示。其具有體積小、功耗低、界面美觀大方等優(yōu)點(diǎn)，這里使用YB1602液晶屏，1602顯示模塊用點(diǎn)陣圖形顯示字符，顯示模式分為2行16個(gè)字符。它具有16個(gè)引腳，其正面左起為第一腳，如下圖所示：第一腳GND：接地。第二腳VCC：+5V電源。第三腳VO：對比度調(diào)整端。使用時(shí)通過接一個(gè)1

32、0K的電阻來調(diào)節(jié)。第四腳RS:寄存器選擇信號線。第五腳RW:讀寫信號線。第六腳E：使能端，當(dāng)E由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)執(zhí)行命令。第714腳：8位數(shù)據(jù)線D0D7。第十五腳BLA:背光電源正極輸入端。第十六腳BLK:背光電源負(fù)極輸入端。 圖3.5.2 LCD顯示電路操作控制表操作讀狀態(tài)寫指令讀數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS=0，RW=1，E=1RS=0，RW=0，D07=指令碼，E=H脈沖RS=1，RW=1，E=1RS=1，RW=0，D07=數(shù)據(jù)，E=H脈沖 表3.6.1 LCD1602操作指令 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文

33、字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因?yàn)?602識別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A。1602通過D0D7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。顯示模式設(shè)置： (初始化)0011 0000 0x38設(shè)置16×2顯示，5×7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口；顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置： (初始化)0000 1DCB D顯示(1有效)、C光標(biāo)顯示(1有效)、B光標(biāo)閃爍(

34、1有效)0000 01NS N=1(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加1 &光標(biāo)加1)，N=0(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減1 &光標(biāo)減1)，S=1 且 N=1 (當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示左移)s=0 當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示不移動數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80H，所以數(shù)據(jù)地址為80H+地址碼(0-27H，40-67H)其他設(shè)置：01H(顯示清屏，數(shù)據(jù)指針=0，所有顯示=0)；02H(顯示回車，數(shù)據(jù)指針 =0)34 系統(tǒng)整體電路根據(jù)本章前面對設(shè)計(jì)的各個(gè)相關(guān)模塊的分別講述講述，再結(jié)合單片機(jī)的引腳功能，從而得到系統(tǒng)整體電路圖，如圖3.11所示。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是模塊化的思路來進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫程序，程序主要由系統(tǒng)主程序和中斷程序構(gòu)成。主程序完成單片機(jī)的初始化，超聲波的發(fā)射和接收、計(jì)算超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離、數(shù)碼管顯示和蜂鳴器報(bào)警等。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要的功能是發(fā)射超聲波、接受超聲波、計(jì)算測量距離、