基于單片機(jī)控制的汽車倒車?yán)走_(dá)實(shí)時(shí)超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、 PAGE25 / NUMPAGES29工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 基于單片機(jī)控制的汽車倒車?yán)走_(dá)實(shí)時(shí)超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 別：電子信息工程系 專 業(yè)：應(yīng) 用 電子技術(shù) 班 級(jí)：應(yīng) 電 0 9 班 姓 名： 龍 學(xué) 號(hào)：5 指導(dǎo)教師（職稱）：吳紀(jì)群（教授）日 期： 2012 年 2月 20日摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量大幅攀升。交通擁擠狀況也日益嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人生傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見的一種距離測(cè)距方法，本文介紹的就是利用超聲波測(cè)距法設(shè)計(jì)

2、的一種倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測(cè)距儀的研制。因此，設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。設(shè)計(jì)通過多種發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)方案比較，得出了最佳設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)單元的原理進(jìn)行了介紹。對(duì)組成系統(tǒng)電路的芯片進(jìn)行了介紹，

3、并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過對(duì)系統(tǒng)的誤差分析，給出了較完善的方案。關(guān)鍵詞：AT89C51;超聲波；測(cè)距 AbstractWith the development of science and technology, the improvement of peoples standard of living, speeding up the development and construction of the city. urban drainage system have greatly developed their situat

4、ion is constantly improving. However, due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction. Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to u

5、pgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to peoples lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage

6、culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. At the core of the design using AT89C51low-cost,

7、 high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal pro

8、cessing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module.The research has led to the discovery thatthesoftwareandhardwaredesigningisjustified, theanti-disturbance competence is powerful and the real-time capability

9、is satisfactoryand byextension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision.Key words:AT89C31; Silent Wave；Measure Distance目 錄摘 要IAbstractII緒 論1I.1 課題設(shè)計(jì)的目的與其意義1I.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路1I.3 課題設(shè)計(jì)

10、的任務(wù)和要求31 課題的方案設(shè)計(jì)與論證4 1.1 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)4 1.2 系統(tǒng)整體方案的論證42 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.1 單片機(jī)的功能特點(diǎn)與測(cè)距原理5 2.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)6 2.3 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)7 2.4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)83 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)9 3.1 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)9 3.2 主程序流程圖10 3.3 超聲波發(fā)生子程序與超聲波接受中斷程序113.4 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試12總 結(jié)13致 14參考文獻(xiàn)15附 錄 一 超聲波測(cè)距電路原理圖16附 錄 二 超聲波測(cè)距電路版圖附 錄 三 程序清單17緒論.1課題設(shè)計(jì)的目的與意義.1.1設(shè)計(jì)的目的隨著科學(xué)技

11、術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說，人們可以利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具，在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需要，如倒車?yán)走_(dá)，工地與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，聲納探測(cè)等方面都有其廣泛的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)，軍事，文化方面都有重要的應(yīng)用價(jià)值。毋庸置疑，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將于自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀從具有單純判斷動(dòng)能，發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)

12、里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。.1.2設(shè)計(jì)的意義隨著社會(huì)飛速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，汽車愈來(lái)愈成為人們不可缺少的最常用的交通工具，交通安全問題變的日益嚴(yán)重。而通過研究汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，可以達(dá)到很高的采集速率和精度。汽車倒車時(shí)可以檢測(cè)車輛后面的障礙物、并顯示其距離，至危險(xiǎn)區(qū)域后會(huì)自動(dòng)報(bào)警。本設(shè)計(jì)綜合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等知識(shí)，設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制的汽車倒車?yán)走_(dá)超聲波測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車倒車的安全保障，這就是我設(shè)計(jì)的意義。.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路.2.1超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF(time of filght)。它通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇

13、到障礙物所發(fā)射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S。一般采用渡越時(shí)間發(fā)：即S=CT/2，其中S為測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)物體之間的距離，C為聲波在介質(zhì)（此處指空氣）中的傳播速度，T為超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間間隔。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與空氣溫度有關(guān)，一般來(lái)說，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米/秒。下表列出了幾種溫度下的聲速關(guān)系：超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（）-30-20-100102030100聲速（m/s）313319325323338344349386在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速C是基本不變的，計(jì)算時(shí)取C為340M/S。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過改

14、變硬件電路增加溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ɑ蛘咴谟布娐坊静蛔兊那闆r下，通過軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補(bǔ)償問題。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。.2.2超聲波測(cè)距原理框圖超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時(shí)器單片機(jī)控制顯示器 圖1-1 超聲波測(cè)距儀原理框圖單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。.3設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求.3.1.設(shè)計(jì)任務(wù)利用8051單片機(jī)、

15、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、環(huán)境溫度采集電路等電路組成實(shí)時(shí)超聲波測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車倒車距離顯示與控制。.3.2設(shè)計(jì)技術(shù)要求(1)距離測(cè)量圍5150cm(2)測(cè)量誤差5%(3)倒車距離20cm時(shí)自動(dòng)報(bào)警.3.3.設(shè)計(jì)容(1)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（包括：超聲波發(fā)射、超聲波接收、顯示部分）。(2)軟件程序流程設(shè)計(jì)。.3.4設(shè)計(jì)成果(1)1.52萬(wàn)字設(shè)計(jì)說明書1份(2)主程序清單和子程序流程(3)元器件選擇與計(jì)算1 課題的方案設(shè)計(jì)與論證1.1系統(tǒng)整體方案是設(shè)計(jì)由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，超聲

16、波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本設(shè)計(jì)屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量汽車倒車時(shí)的安全距離，當(dāng)車輛與后方車輛的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示車輛與后方車輛的距離，提醒駕駛員與時(shí)采取減速、制動(dòng)等措施，從而達(dá)到避免車輛與后方車輛的碰撞等事故。整個(gè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收、51單片機(jī)控制系統(tǒng)、距離顯示等設(shè)備組成。1.2 系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方

17、式；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。本設(shè)計(jì)采用反射波方式。測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)與顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89C51單片機(jī)。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kH

18、z的方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)。2.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)與測(cè)距原理2.1.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn) 51系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C31)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2個(gè)16b的定時(shí)計(jì)數(shù)器TO和T1，4個(gè)8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省

19、電與特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB存儲(chǔ)器；256 BRAM；32條工O線；2個(gè)16b定時(shí)計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以與時(shí)鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖2-1所示。5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB存儲(chǔ)器；256 BRAM；32條工O線；2個(gè)16b定

20、時(shí)計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以與時(shí)鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。2.1.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離SCt2，(C為超聲波波速)。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲

21、波之間的夾角與接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。由于超聲波屬于聲波圍，其波速C與溫度有關(guān)。2.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2-2所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增

22、加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。圖2-2 超聲波發(fā)射電路原理圖 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的

23、兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。2.3超聲波接收電路的設(shè)計(jì)集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，因?yàn)楫?dāng)CX20106A接受到40KHZ的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖

24、，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入，可以利用它制作超聲波接收電路(如圖2-3)。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖2-3 超聲波接收電路CX20106A的引腳注釋：l腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中

25、不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R=4.7，C=3.3F。3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3F。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端VCC接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時(shí)，fn42kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳： 該腳與GND之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電

26、阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k，沒有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。8腳： 電源正極，4.5V5V。2.4 74ls16474ls164是8 位串入，并出移位寄存器，74HC164、74HCT164 是高速硅門 CMOS 器件，與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。74HC164、74HCT164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。 時(shí)鐘 (CP) 每次

27、由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長(zhǎng)度。 主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無(wú)效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。圖3-4 74ls164引腳圖3.5 24C02串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存儲(chǔ)器件，遵循二線制協(xié)議，由于其具有接口方便，體積小，數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點(diǎn)，在儀器儀表與工業(yè)自動(dòng)化控制中得到大量的應(yīng)用。隨著世界上各公司對(duì)該器件的開發(fā)，市場(chǎng)上推出了許多牌號(hào)的24C02器件，甚至還有一些冒牌的24C02器件，這樣就使批量生產(chǎn)的單片機(jī)控制系統(tǒng)的質(zhì)量

28、出現(xiàn)時(shí)好時(shí)壞的問題。筆者經(jīng)過大量的設(shè)計(jì)實(shí)踐和試驗(yàn)摸索找出了24C02在應(yīng)用中之所以出現(xiàn)數(shù)據(jù)被沖掉的原因，并總結(jié)了一套保護(hù)24C02數(shù)據(jù)安全的軟硬件設(shè)計(jì)方法。24C02與單片機(jī)的接口非常簡(jiǎn)單，如下圖所示。圖3-5 24C02引腳圖3.6 LM358LM358里面包括有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適用于電壓圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。圖3-6 LM358引腳圖與引腳功能LM358封裝有塑封8引線雙列直插式和貼片式兩種。LM358的特點(diǎn): . 部頻率補(bǔ)償. 低輸入偏流. 低輸入失調(diào)電

29、壓和失調(diào)電流. 共模輸入電壓圍寬，包括接地. 差模輸入電壓圍寬，等于電源電壓圍. 直流電壓增益高(約100dB) . 單位增益頻帶寬(約1MHz) . 電源電壓圍寬：?jiǎn)坞娫?330V)；. 雙電源(1.5 一15V). 低功耗電流，適合于電池供電. 輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V) 3.7 LM567LM567 為通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器，LM567的部電路與詳細(xì)工作過程非常復(fù)雜，這里僅將其基本功能概述如下：當(dāng)LM567的腳輸入幅度25mV、頻率在其帶寬的信號(hào)時(shí)，腳由高電平變成低電平，腳輸出經(jīng)頻率/電壓變換的調(diào)制信號(hào)；如果在器件的腳輸入音頻信號(hào)，則在腳輸出受腳輸入調(diào)制信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻方波

30、信號(hào)。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對(duì)講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。功能介紹：、腳通常分別通過一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。腳所接電容的容量應(yīng)至少是腳電容的2倍。 腳是輸入端，要求輸入信號(hào)25mV。 、腳外接的電阻和電容決定了部壓控振蕩器的中心頻率f2，f21/1.1RC。 腳是邏輯輸出端，其部是一個(gè)集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。 LM567的工作電壓為4.759V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。圖3-

31、7 LM567的典型應(yīng)用2.4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，且片有4K的ROM，便于編程。電路原理圖另附。3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序與顯示子程序組成。C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，在超聲波測(cè)距儀的程序設(shè)計(jì)中,計(jì)算距離時(shí)較為復(fù)雜，程序運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算又較為精細(xì)，控制程序的編程只使用一種語(yǔ)言編寫并不理想,所以該程序采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。3.1 超聲波測(cè)距儀

32、的算法設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：d=s/2=(ct)/2其中，d為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離，s為聲波的來(lái)回的路程，c為聲速，t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷

33、服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。3.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖3-1（a）（b）(c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1 ms（這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，

34、才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12 MHz的晶 振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1s，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式（2）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20時(shí)的聲速為344 m/s則有：d=(ct)/2=172T0/10000cm(2)其中，T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語(yǔ)言編寫。 3.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右

35、超聲波脈沖信號(hào)（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語(yǔ)言編程。 超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，同

36、時(shí)單片機(jī)P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來(lái)處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。3.4 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可

37、以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的圍為0.075.5m，測(cè)距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。軟件的調(diào)試程序見附錄一總 結(jié)由于時(shí)間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計(jì)沒有做出實(shí)物。但是對(duì)設(shè)計(jì)有一個(gè)很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)

38、用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括AT80C51單片機(jī)系統(tǒng)與顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89C51其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)。超

39、聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率

40、時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波檢測(cè)接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干

41、擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序與顯示子程序組成。我們知道C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。主超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)

42、器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，同時(shí)單片機(jī)P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來(lái)處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)

43、部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。在元件與調(diào)制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試應(yīng)該不會(huì)太難。一般只要電路焊接無(wú)誤，稍加調(diào)試應(yīng)該會(huì)正常工作。電路中除集成電路外，對(duì)各電子元件也無(wú)特別要求。根據(jù)測(cè)量圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。致 首先，我要感我的導(dǎo)師吳繼群老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格

44、要求，同時(shí)也要感學(xué)校其他老師在我畢業(yè)設(shè)計(jì)種給我的幫助和支持。在我畢業(yè)論文設(shè)計(jì)期間，各位老師在無(wú)論是在生活還是專業(yè)知識(shí)上都給我提供了很大的幫助。在你們的幫助和關(guān)懷，我才得以順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，借此機(jī)會(huì)，向各位老師表示由衷的感。其次，我還要感畢業(yè)小組的各位成員。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短幾月里，你們無(wú)私的向我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助，在此也衷心的你們。最后我要感我親愛的家人，是他們默默的支持我，鼓勵(lì)我，在我成長(zhǎng)和求學(xué)的道路上為我指明前進(jìn)的方向，在生活和學(xué)習(xí)上給予我無(wú)私的愛，是我有信心面對(duì)一切，走出大學(xué)的校園，踏上社會(huì)的征途。 在此，對(duì)于給予我?guī)椭娜耍覠o(wú)法一一列舉，在此一并對(duì)你們表示真心的意

45、。參考文獻(xiàn) 1.單片機(jī)原理與其接口，胡漢才，清華大學(xué)，2004.2（第2版）2.基于DSP的多超聲測(cè)距數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。葉濤，紅軍，國(guó)勝，侯增廣，譚民，電子技術(shù)應(yīng)用，2004；12:283.華.MCU-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).：航空航天大學(xué)，1993. 64.光東.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版).：華中理工大學(xué)，1999.45.長(zhǎng)贊.紅外線與超聲波遙控.：人民郵電，1993.76.梁立編.程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與C語(yǔ)言.：電子科技大學(xué)，1998附 錄附錄一超聲波測(cè)距電路原理圖附錄三程序清單#include #define k1 P3_4#define csbout P3_5 /超聲波發(fā)送#

46、define csbint P3_7 /超聲波接收#define csbc=0.034#define bg P3_3 unsigned char csbds,opto,digit,buffer3,xm1,xm2,xm0,key,jpjs;/顯示標(biāo)識(shí)unsigned char convert10=0 x3F,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;/09段碼unsigned int s,t,i, xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1;bit cl; void csbcj();void delay(j); /延時(shí)函數(shù)void scanLED(); /顯示函數(shù)void timeToBuffer(); /顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)void keyscan();void k1cl();void k2cl();void k3cl();v