1、 学校代码：10259上海应用技术学院学士学位论文题 目： 超声波测距仪设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 08103211 姓 名： 瞿懿韬 学 号： 0810321126 指导教师： 成煦 二 O 一二年 五 月 十四 日超声波测距仪设计摘要：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率在 20khz 以上。由于其指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点，因此长用于测量距离。本文介绍了基于AT89C51 单片机的超声波测距仪超声波仪的软硬件设计，硬件部分包括超声波发射电路，超声波接收电路，显示电路，温度检测电路，单片机控制电路等。而软件部分则包括发射子程序，接收子程序，显
2、示子程序，键盘子程序等模块组成。同时也介绍了超声波测距的原理，以及其应用领域。关键词：超声波；测距；温度补偿；单片机；led 八段码显示Ultrasonic rangefinder design Abstract: Ultrasonic is a kind of the elastic medium mechanical oscillation, the frequency in more than 20 KHZ. Because of its strong, orientation, directional spread energy, spread distance is farther
3、and other characteristics, so long used to measure distance. This paper introduces the ultrasonic based on AT89C51 rangefinder ultrasonic apparatus hardware and software design, hardware including ultrasound circuit, ultrasonic receiving circuit, show circuit, temperature detection circuit, single c
4、hip microcomputer control circuit, etc. And software part including launch subroutine, receiving subroutine, show procedure, the keyboard subroutines etc module. At the same time also introduces the principle of the ultrasonic ranging, as well as its application field. KeyWords: Ultrasonic；range fin
5、ding；Temperature compensation；Single chip microcomputer；Eight bit code led display目录1 绪论11.1 设计的研究背景.11.2 研究内容.11.3 超声波测距系统概述.11.4 课题设计意义.22 超声波测距原理32.1 测距传感器的选择.32.1.1 激光测距传感器32.1.2 红外线测距传感器32.1.3 超声波传感器32.2 超声波的基本理论.32.2.1 超声波的三种形式42.2.2 超声波的物理性质42.2.3 超声波对声场的作用42.3 超声波测距系统原理.52.3.1 超声波传感器52.3.2 超
6、声波探头特性52.3.3 超声波测距方案63 系统主要硬件电路设计93.1 超声波测距系统电路总体设计方案.93.2 基本电路103.2.1cpu 电路及键盘电路103.2.2 显示电路.113.2.3 复位电路.153.2.4 超声波发射和接收电路.163.2.5 通信电路.193.2.6 测温电路.214 系统软件设计.234.1 系统程序的结构234.2 系统主程序244.3 40KHz 超声波发送子程序264.4 DS18B20 温度采集程序.274.5 距离计算子程序304.6 显示程序315 结束语.35致谢.36参考文献.37附录.38超声波测距仪设计 11 绪论1.1 设计的研
7、究背景由于社会不断进步发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高，许多传统的测距方法已经无法满足我们的需求，例如在：液位、井深、管道长度 等场合。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。而目前能够通过采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量的技术主要有激光测距、微波雷达测距和超声波测距三种。激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。于是，超声波测距这种新的测距方法在测距的应用中将越来越广。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利
8、用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测，汽车的倒车雷达的应用中都有着非常重要的作用。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也被广泛的应用着。超声波测距仪作为一种新型的非常有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高定位、更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。可以预见的是超声波测距的作用将在未来的各个领域中有着非常重要的作用。
9、1.2 研究内容超声波测距仪主要以单片机 AT89C51 为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振袋动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时 ，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，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。1.3 超声波测距系统概述由于超声波具有指向性好、能量损耗低、传播距离较远、不易受外界环境影响和对被测目标无损害等特点，利用超声波测量距离就可以解决传统测量方超声波测距仪设计 2法中遇到的
10、问题。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，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波发送到物体反射后接收到的传播时间，通过超声波在空气中的传播速度来用软件计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好，并且能够非常简单快捷的
11、测出所需要的距离。超声波测距适用于高精度的中长距离测量，超声波在空气中的传播速度约为 340m/s，由单片机计时，单片机使用 12.0MHz 晶振，所以此系统的测量精度在理论上可以达到毫米级。本文设计的倒车雷达系统就是利用超声波的上述特性做到对倒车距离实时和高精度的检测，因此很多领域都能利用超声波的测量精度来做到精准测量，比如运用到倒车雷达中就能够对倒车距离实时和高精度的检测，同时此系统的成本非常的低廉，稳定性好,可以得到广泛的应用。 1.4 课题设计意义通过本题的完成，可以使学生初步具备超声波发出以及接受电路的设计，学会通过汇编语言以及 c 语言来实现参数的获得来完成距离的计算，并且能通过
12、protel 等应用工具软件完成系统硬件的原理图与印版图的制作。超声波测距仪设计 32 超声波测距原理2.1 测距传感器的选择2.1.1 激光测距传感器激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高。2.1.2 红外线测距传感器红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇
13、到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。2.1.3 超声波传感器超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于 20 kHz 的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。在中
14、、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。根据对以上三种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。同时超声波传感器具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。2.2 超声波的基本理论超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收超声波测距仪设计 4的物理过程完成的。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障
15、生产安全和设备安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。2.2.1 超声波的三种形式超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：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。2.2.2 超声波的物理性质(1) 超声波的反射和折射当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在
16、相邻介质内部继续传播。这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。(2) 超声波的衰减超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。(3) 超声波的干涉如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。2.2.3 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张，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，存在于液体中的微气泡
17、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。超声波测距仪设计 5(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。2.3 超声波测距系统原理2.3.1 超声波传感器总体上讲，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、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性
18、各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波传感器结构如下：图 2.1 超声波传感器外部结构 图 2.2 超声波传感器内部结构 2.3.2 超声波探头属性超声波测距仪设计 6图 2.3 外形尺寸 表 2.1 超声波探头性能参数产品型号 40C16T-
19、1 40C16R-1产品分类 开放型 开放型产品类别 收发分体（发送器） 收发分体（接收器）标称频率 40.01.0KHz 40.01.0KHz声压 114dB min. -灵敏度 - -68dB min静态电容 2500Pf20% 2500Pf20%最高输入电压 80Vp-p 80Vp-p方向角 6015(-6dB) 6015(-6dB)检测范围 0.215m(反射) 0.215m(反射)分辨率 10mm 10mm工作温度 -20+70 -20+70 储存温度 -40+85 -40+85 外壳材料 铝壳 铝壳传感器特点：1、 外形尺寸小、重量轻2、 灵敏度高和高声压3、 耗电量低4、 高可靠
20、性2.3.3 超声波测距的方案超声波测距方法主要有三种：1）相位检测法：精度高，但检测范围有限；2）声波幅值检测法：易受反射波的影响；3）渡越时间法：工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间 t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离 l。设 l 为测量距离，t 为往返时间差，超声波的传播速度为 c，则有l=ct/2。综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。51 单片机在执行程序后由 P1.6 端口产生 40kHz 的脉冲信号通过 74LS04 电路进行放大并送到到超声波发射探头，产生超声波。在超声波发射电路启动的同
21、时单片机启动中断定时器，利用其计数的功能记录超声波发射超声波到接收到超声波回波的时间。当接收回射的超声波时，接收电路的输出端产生负跳变输出到单片机产生中断申请，执行外部中断子程序计算距离。结合各方面的因素考虑，依据设计的要求，查阅相关数据资料，选择了超40C16T/R-1 压电超声波传感器（其中 T 表示超声波发射探头，R 表示超声波接超声波测距仪设计 7收探头） ，脉冲发射由单片机控制,发射频率为 40KHz。而且,此超声波探头的工作频率范围为 40.01.0KHz 左右，完全能在 40 kHz 工作频率工作。由于超声波的发射和接收是分开发送和接收的，所以发射探头和接收探头必须在同一条水平行
22、直线上，这样才能准确地接收反射的回波。而由于测量的距离不同和发射扩散角所引起的误差以及超声波信号在空气中传播的过程中的超声波衰减问题，发射探头和接收探头距离不可以太远，而且还要避免发射探头对接收探头在接收信号时产生的干扰，所以二者又不能靠得太近。根据对相关资料查阅，将两探头之间的距离定在 5 cm8 cm 最为合适。图 2.4 测距原理忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为 h，则空气中传播的超声波波动方程为：kht+et+20AcosAc
23、os由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 由于超声波也是一种声波，其声速 c 与空气温度有关，一般来说，温度每升高 1 摄氏度，声速增加 0.6 米秒。表 1 列出了几种温度下的声速：表 2.2 声速与温度的关系表温度（摄氏度） 30 20 10 0 10 20 30 100声速（米秒） 313 319 325
24、323 338 344 349 386在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速 c 是基本不变的，计算时取超声波测距仪设计 8c 为 340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。在本系统中利用 AT89C51 中的定时器测量超声波传播时间，利用DS18B20 测量环境温度，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可表示为：)/(6.04316.2745.31smTTc声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：l=1/2(331.4+0.6T)t。 （系统中应用该式进行温度补偿）如果为了进
25、一步提高测量精度，将根据需要利用软件方式增加角度补偿的设计： ，在此次设计中，由于发射与反射之间存在一定的夹角 2，22slh同时 夹角并不是很大，所以并未采用角度补偿。超声波测距仪设计 93 系统硬件设计3.1 超声波测距系统电路总体设计方案本系统硬件部分由 AT89C51 单片机做为控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、以及 led 八段码显示电路，键盘电路等组成。图 3.1 系统原理图由单片机 AT89C51 编程产生 10以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射频率为 40KHz 的超声波
26、。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由显示电路来显示出来。由时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在 T0 时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。超声波测距仪设计 10图 3.2 时序图3.2 基本电路3.2.1 CPU 电路及键盘电路单片机采用 AT89C51 或其兼容系列
27、。采用 12MHZ 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.6 端口输出超声波换能器所需的 40KMZ 方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。(1) CPU 电路及键盘电路原理图图 3.3 cpu 电路，键盘电路(2) 时钟电路当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的 XTAL1 和 XTAL2 用来接石英晶体和微调电容如上图。超声波测距仪设计 11(3) 键盘电路键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。一般单片机系统中采和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，
28、它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。我们通过 P2.0 来启动测量，程序中通过查询 P2.0，的电平来检测是否按键被按下，在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。(4) AT89C51的简介主要功能特点：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器1288字节内部 RAM32个可编程IO口线2 个16位定时计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式3.2.2 显示电路MAX7219 与 AT89C51 单片机的连接采用三线串行接口，如下图。AT89C51单片机每
29、次用串行方式向MAX7219传送16位信息，通过输出MAX7219的串行数据输入端口Din，对于MAX7219，串行数据是以16位数据包的形式从Din脚串行输入，在CLK的每一个上升沿一位一位的送入芯片内部16位移位寄存器而不管Dout脚的状态如何。Load脚必须在第16个CLK上升沿出现的同时或之后，同时在下一个CLK上升沿之前变成高电平，否则移入的数据将丢失。在DIN 端的数据传输到移位寄存器在16.5 个时钟周期之后出现在DOUT 端。在时钟的下降沿数据将被输出。数据位标记为D0-D15，D8-D11为寄存器地址位。D0-D7 为数据位。D12-D15 为无效位。在传输过程中，首先接收到
30、的是D15 位，是非常重要的一位（MSB ） 。 （操作者只需编程发送 16位数据包, 就能简单地操作LED 的位选以及段选 ,设置和改MAX7219的工作模式。同时每个显示位都能个别寻址和刷新，而不需要重写其他的显示位，这样使得软件编程变得非常的简单灵活。图3.4 串行数据格式超声波测距仪设计 12(1) 显示电路原理图SA 14SB 16SC 20SD 23SE 21SF 15SG 17SDP 22DIG0 2DIG1 11DIG2 6DIG3 7DIG4 3DIG5 10DIG6 5DIG7 8Vcc19Din1 Load12CLK13Iset18Dout24GND4GND9U2MAX7
31、219R19.53K显显显显DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7abcdefgdpDIG0 DIG2 DIG4 DIG5P0.0P1.0P0.7abcdefgdpDIG1 DIG3 DIG6 DIG7VCCa bfcgde76421109 abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS0DPY_7-SEG_DPabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpa bfcgde76421109 abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS1DPY_7-SEG_DPa bfcgde764211
32、09 abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS2DPY_7-SEG_DPa bfcgde76421109 abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS3DPY_7-SEG_DPa bfcgde76421109 abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS4DPY_7-SEG_DPa bfcgde76421109 abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS5DPY_7-SEG_DPa bfcgde76421109 abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS6DPY_7-SEG_DPa bfcgde76421109 abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS7DPY_7-SE
33、G_DPSA 14SB 16SC 20SD 23SE 21SF 15SG 17SDP 22DIG0 2DIG1 11DIG2 6DIG3 7DIG4 3DIG5 10DIG6 5DIG7 8Vcc19Din1 Load12CLK13Iset18Dout24GND4GND9U2MAX7219R19.53KDIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7abcdefgdpDIG0 DIG2P0.0P1.0P0.7abcdefgdpDIG1VCCabfcgde76421109abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS0DPY_7-SEG_DPabcdefgdpabcdefgdpa
34、bfcgde76421109abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS1DPY_7-SEG_DPabfcgde76421109abcdefg5 dpdpCOM3COM8DS2DPY_7-SEG_DP图 3.5 MAX7219 显示电路(2) MAX7219 的简介MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。一个方便的四线串行接口
35、可以联接所有通用的微处理器。每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。整个设备包含一个150A的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。MAX7219引脚排列及功能如下：超声波测距仪设计 13图 3.6 MAX7219 引脚图1 DIN：串行数据输入端口。在时钟上升沿时数据被载入内部的16 位寄存器。2,3,5-8,10,11 DIG 0DIG7：八个数据驱动线路置显示器共阴极为低电平。关闭时7219 此管脚输出高电平4,9 GND：地线（4 脚和9 脚必须
36、同时接地）12 LOAD(MAX7219)：载入数据。连续数据的后16 位在LOAD 端的上升沿时被锁定。13 CLK：时钟序列输入端。最大速率为10MHz.在时钟的上升沿，数据移入内部移位寄存器。下降沿时，数据从DOUT端输出。14-17,20-23SEG ASEG G,DP：7 段和小数点驱动，为显示器提供电流。当一个段驱动关闭时，7219 的此端呈低电平。18 SET：通过一个电阻连接到VDD 来提高段电流。19 V+：正极电压输入，+5V24 DOUT：串行数据输出端口，从 DIN 输入的数据在 16.5 个时钟周期后在此端有效。当使用多个MAX7219时用此端方便扩展。(3) MAX
37、7219寄存器MAX7219 通过D11 D84 位地址位译码,可寻址14 个内部寄存器,分别是8 个LED 显示位寄存器,5 个控制寄存器和1 个空操作寄存器。 LED 显示寄存器由内部8 8 静态RAM 构成,操作者可直接对位寄存器进行个别寻址 , 以刷新和保持数据, 只要V 超过2 V(一般为 5V)。超声波测距仪设计 14图3.7 数据寄存器和控制寄存器控制寄存器包括: 译码模式, 显示亮度调节, 扫描限制(选择扫描位数),关断和显示测试寄存器。MAX7219 的驱动程序首先必须对5 个控制寄存器初始设置即初始化, 各控制寄存器设置含义如下:1.在初始状态下，所有的控制寄存器将被重置，
38、显示器熄灭，MAX7219进入掉电模式。对显示驱动预先编程为以后显示而用。否则它将以最初的设置来扫描每一，位数据，不对数据寄存器里的数据进行扫描，显示亮度寄存器设置为最小值。2.掉电模式MAX7219 掉电后，扫描震荡器关闭，所有段电流源和地连接，所要数字驱动与V+相连，所以显示熄灭。在数据和控制寄存器里的数据是不变的。停机模式可以节省电源，当有一个连续的警报使显示器发光时，便能离开掉电模式。为了满足掉电模式最低的工作电流，逻辑输入应该在GND 或V+ （CMOS 的逻辑电位） 。MAX7219可以在小于250s 的时间内离开掉电模式。在掉电模式下，显示驱动是可以编程的，而且在显示检测的时候不
39、用考虑他是否在掉电模式工作。3.译码模式选择寄存器(地址 F9H);MAX7219 有两种译码方式:B 译码方式和不译码方式。用来设置对每个数据进行B 型 BCD 译码或者不译码。BCD译码方式适用于驱动LED数码管；非BCD译码方式适用于驱动条形显示器，采用BCD 码时，编程相对简单，在采用BCD码方式时，要在指定的位码上显示字符，只要按照BCD 码字符表将字符代码写入相应的位码寄存器就可以了寄存器中的每一位对应一个数据。逻辑高电平用来选择译码低电平取消译码。当选择不译码时, 8 个数据为分别一一对应7 超声波测距仪设计 15个段和小数点位;B 译码方式是BCD 译码,直接送数据就可以显示。
40、图3.8 译码控制器的格式 4.扫描限制寄存器: 地址 FBH;扫描控制寄存器用来设定扫描显示器的个数（LED 个数） ，从1 个到8 个.比如当设置为0xX4 时,LED 05 显示。它们将以800Hz 的扫描速率进行多路扫描显示。如果数据少的话，扫描速率为8*fosc/N，N 是指需要扫描数字的个数。扫描数据的个数影响显示亮度，所以不能将扫描寄存器设置为空扫描。 图3.9 扫描控制器的格式5.亮度调节寄存器: 地址 FAH;共有16 级选择,用于LED 显示亮度的强弱设置。MAX7219通过加在V+和ISET 之间的一个外部电阻来控制显示亮度。段驱动电流一般是流入ISET端电流的100倍。
41、这个电阻可以是固定的，也可以是可变电阻，通过前面板来控制以选择合适的亮度。其最小值为9.53K ，它设定段电流为40mA。显示亮度也可以通过亮度寄存器来控制。6.关断模式寄存器:地址 FCH;有两种模式选择:一种是关断状态模式(D0 0);一种是正常操作状态(D0 1),通常选择正常操作状态。7.显示测试寄存器:地址 FFH;有两种选择用于设置LED 是测试状态还是正常操作状态:当在测试状态时(D0 1)各位全应亮， 。在此状态下，8 个数据都会被扫描，工作周期为31/32.,一般选择正常操作状态（D0 0） 。超声波测距仪设计 163.2.3 复位电路(1) 复位电路原理图图3.10 复位电
42、路(2) 复位电路原理单片机在 RESET 端加一个大于 20ms 正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如图 14。在系统上电的瞬间，RESET 与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RESET 电位下降，于是在 RESET 形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位。当人按下按钮 S1 时，使电容电容通过 电阻来迅速放电，待 S5 弹起后，电容再次充电，实现手动复位。3.2.4 超声波发射和接收电路分立元件构成的发射和接收电路容易受到外界的干扰，体积和功耗也比较大。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，所以优先采用集成电
43、路来设计收发电路。(1) 超声波接收电路原理图超声波测距仪设计 17图3.11 超声波接收电路(2) 超声波接收电路原理使用 CX20106A 作为超声波接收处理的典型电路。 （当 CX20106A 接收到 40KHz 的信号时，会在第 7 脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入） 使用 CX20106A 集成电路可以对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。(3) CX20106A 的简介CX20106A 采用单列 8 脚直插式，超小型封装，+5V 供电。图 3.12 CX20106A 集成电路的内部结构图超声波测距仪设计 18l 脚：
44、超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40k。2 脚：该脚与 GND 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 R或减小 C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7，C=3.3F。3 脚：该脚与 GND 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：该脚与电源端 VCC 接入一个电阻
45、，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，fn42kHz，若取R=220k，则中心频率 f038kHz。6 脚： 该脚与 GND 之间接入一个积分电容，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，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为 220k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。8 脚： 电源正极，4.5V5V。(4) 超声波发射电路原理图图3.13 超声波发射电路超声波测距仪设计 19(5) 超声波发射电路原理上图是用74LS04反相器构成的超声波发
46、射电路，用74LS04构成的电路简单，调试容易，易通过软件控制，该信号由单片机通过软件产生，p1.6管脚输出，再经片外六反向器74LS04推挽激励后接超声波发射器的两极。发射器采用推挽激励可增大超声波发射器的发射强度；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。两个上拉电阻一方面可以提高反相器74LS04输 出高电平的驱动能力，另一方面可以增加发射器的阻尼效果，缩短发射器余震的时间。综合以上的分析，在由集成电路构成的接收和发射电路中，发射电路选用由反相器构成的电路，接收电路采用由红外接收检波芯片 CX20106A 构成点的电路，主要是考虑 CX20106A 自带的
47、放大功能以及系统调试简单，成本低以及可靠性好。3.2.5 通信电路(1) 通信电路原理图超声波测距仪设计 20图3.14 通信电路(2) RS232电路RS-232-C 是美国电子工业协会 EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS 是英文“推荐标准 ”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C 总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C 标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 10
48、0、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C 标准规定，驱动器允许有2500pF 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是 RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m 以内的通信。 接口定义：DB9；1DCD 载波检测;2RXD 接收数据;3TXD 发送数据;4DTR 数据终端准备好; 5SG 信号地;6DSR 数据准备好;7RTS 请求发送 ;8CTS 允许发送;9RI振铃提
49、示。(3) 485通信电路RS-485总线, 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行总线标准。RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用 RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。由于此次的通信长度不会很长，也不会应用到485的联网分布式系统，所以本次设计采用的通信系统为 RS232。超声波测距仪设计 21(4) MAX202资料由于采用的是 RS-232通信电路，固对 MAX202芯片进行简单介绍。MAX202器件是专
