1、 课程设计报告（嵌入式系统设计实践）学 院：电气工程与自动化学院 题 目：基于 51单片机的车倒车雷达设计专业班级：自动化 131班 学 号：2420132905 学生姓名：吴亚敏 指导老师：罗龙 时 间：2015 年 12月 1 日 摘 要倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。本文介绍了以 STC89C51RC单片机为核心的一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统。倒车雷达一般由超声波传感
2、器（俗称探头） 、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。倒车雷达的提示方式可分为液晶、语言和声音三种；接收方式有无线传输和有线传输等。本方案采用语音提示的方式，利用 STC89C51RC单片机所具备的功能，外接超声波测距模组，即超声波发射模块和超声波接收模块，加上显示模块和语音报警模块，组成一个
3、示例的倒车雷达系统，语音提示报警（0.27m1.0m）范围内的障碍物，并通过数码管显示与障碍物之间的距离。关键词：倒车雷达；超声波；单片机 STC89C51RC目 录第一章 概述 .11.1 设计目的 .11.2 设计要求 .11.3 本设计主要内容 .1第二章 倒车雷达的基本工作原理 .22.1 单片机的发展及其应用 .22.2 超声波测距原理 .22.2.2 超声波测距的基本原理 .22.2.3 超声波测距的设计实现 .52.3 超声波倒车雷达系统工作原理 .52.3.1 超声波倒车雷达的工作原理 .52.3.2 系统原理框图 .62.4 本章小结 6第三章 系统硬件设计 .73.1 单片
4、机系统及显示电路 .73.1.1 单片机控制芯片选择 .73.1.2 单片机系统及其外围电路 .93.1.3 显示电路 .103.2 超声波发射电路 .113.3 超声波接收电路 .123.4 语音部分原理图 .143.5 电源电路的设计 .153.6 本章小结 .15第四章 系统软件设计 .164.1 超声波测距仪的算法设计 .174.2 主程序设计 .184.3 超声波发生与接收程序设计 .204.3.1 超声波发生子程序设计 .204.3.2 外部中断子程序设计 .214.4 倒车距离显示及语音报警程序设计 .224.4.1 显示报警子程序设计 .224.4.2 LED 显示子程序设计
5、.244.5 本章小结 .24第五章 分析调试及结论 .255.1 硬件组装 .255.2 软件实现 .255.3 整机调试 .265.4 结论分析 .265.5 本章小结 .26致 谢 .27参考文献 .28附录 I29附录 II 30江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告1第一章 概述1.1 设计目的伴随着我国汽车行业的高速发展，特别是近几年来，开始进入私家车时代，汽车的数量正在逐步增加，造成交通越来越拥挤。驾驶员开始越来越担心行车安全，其中倒车最为典型。同时汽车驾驶员中非职业汽车驾驶员的比例也在逐年增加。在公路、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
6、后顾，稍微不小心就会发生追尾事件。 本系统是将微计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术、单片机技术等相结合，可以检测到汽车倒车时障碍物与车尾的距离，通过液晶显示屏显示距离，并根据实际距离发出报警等级。驾驶员只要在驾驶室里就能做到心中有数，极大的提高了停车和倒车时的安全和效率。1.2 设计要求本系统主要由超声波发射、接收电路、单片机处理模块、LED 数码显示以及声光报警等部分组成。 设计要求：1、设计硬件系统；2、设计软件系统；3、绘制硬件电路图；4、进行图像显示提示及声音提示，当距离小于 5CM（2.5M）的时候声音提示，小于 0.5CM（0.5M）时，急促声音提示。1.3 本设计主要内容本
7、设计是以 STC89C51RC单片机为核心，一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统。利用 STC89C51RC单片机所具备的功能，外接超声波测距模组，即超声波发射模块和超声波接收模块，加上显示模块和语音报警模块，组成一个示例的倒车雷达系统，语音提示报警（0.27m1.5m）范围内的障碍物，并通过数码管显示与障碍物之间的距离。设计共分六章，主要内容包括：绪论，倒车雷达的基本工作原理，系统硬件设计，系统软件设计，安装调试及分析，以及对测距仪改进的一些设想。江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告2第二章 倒车雷达的基本工作原理2.1 单片机的发展及其应用单
8、片机又称微控制器，是在一块硅片上集成了各种部件化微型计算机，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存贮器 RAM、程序存贮器 ROM、定时器/计数器和多种 I/O接口电路。单片机体积小、重量轻、具有很强的灵活性而且价格不高，越来越得到广泛的应用。8051 在小中型应用场合很常见，已成为单片机领域的实际标准。80 年代中期，Intel公司将 8051内核使用权以专利互换或出售形式转给世界许多著名 IC制造厂商，如 PHILIPS、西门子、AMD、OKI、NEC、Atmel 等，这样 8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百个品种的大家族。90 年代，PHILIPS 推出支持 16位计算的 X
9、4系列。XA系列是 16位单片机，又可完全兼容 8051的指令系统。Intel 推出的 80C51也是与8051在机器代码级兼容，这样保证了 8051用户到 21世纪技术的领先性。随着硬件的发展，8051 软件工具已有 C级编译器及实时多任务操作系统（RIOS） ，单片机的程序设计更简单、更可靠、实时性更强。因而 8051系列是单片机教学的首选机型。而有内部可擦写 RAM的 89C51/52是目前我们常用的芯片。2.2 超声波测距原理2.2.2 超声波测距的基本原理（1）认识超声波超声波是指振动频率大于 20KHz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz） ，
10、人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。超声波由于其指向性强、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。（2）超声波发生
11、器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。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。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，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。江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告3（3）超声波传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的传感器T/R40发射型超声波传感器的特性为例加以说明。频率特性图 2-1 超声波传感器的升压能级和灵敏度图 2-1是超
12、声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中，40KHz 处为超声波发射传感器的中心频率，在 40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 40KHz处所产生的超声声压能级最高。而在 40KHz两侧，声压能级迅速衰减。其频率特性如图 2-2所示。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 40KHz的交流电压来激励。发射灵敏度 （ d B ）图 2-2 超声发射传感器频率特性另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。超声发射传感器频率特性如图 2-2所示，曲线在 40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的振幅最大，即在 40KHz处接收灵敏度最高。因此，超声波接收
13、传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻 R也有很大关系，如果 R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果 R较小，频率特性变得光滑而且有较宽的带宽，同时灵敏度以随之降低。并且最大灵敏的向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。考虑到实际工程测量的要求，可以选用超声波频率 f = 40KHz，波长 = 0.85cm。江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告4指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡器，辐射出一个半球波（子波） ，这
14、些子波没有指向性。但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射） ，却有指向性。超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为 40度到 80度，本设计要求传感器的指向角为 75度。图 2-3是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。图 2-3 超声波传感器指向特性及结构（4）超声波传感器的应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对
15、受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓的 A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上， “悄无声息”地探测人
16、们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。 （5）超声波测距原理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，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。假设某环境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。江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告52.2.3 超声波测距的设计实现超声波测距是单片机控制超声波传感器发射出超声波束，遇到障碍后返回，然后接收它的回波，利用
17、发、收过程中产生的时间差，就可以计算出前方物体离超声波传感器的实际距离。经分析可知：频率为 40KHZ左右的超声波在空气中传播的效率最佳，因此，为了方便处理，发射的超声波被调制成 40KHZ左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号，如图 2-4所示。1 0 u s 的 T T L循环发出 2 个 4 0 K H z 脉冲回响电平输出与检测距离成正比触发信号模块内部发出信号输出回响信号图 2-4 超声波通道工作时序图以上时序图表明你只需要提供一个 10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出 2个 40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。
18、由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。2.3 超声波倒车雷达系统工作原理倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。该设计的应用背景是基于 STC89C51RC的超声信号检测的。因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在 1.5米左右。单片机（STC89C51RC）发出短暂的 40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技
19、术判断后，把相应的计算结果送到 LED显示电路显示，并进行声光报警。2.3.1 超声波倒车雷达的工作原理声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 T,然后求出距离 S=VT/2，式中的 V为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速 C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基江
20、西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告6本不变的。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。图 2-5即为超声波测距的具体流程图。定时器控制显示器调制器计时器振荡器接收检测器电声换能器声电换能器图 2-5 超声波测距流程图倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。2.3.
21、2 系统原理框图如图 2-6所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射 40kHz的超声波信号，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机 STC89C51RC将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于 1m、大于 0.27m时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。系统的工作原理框图如图 2-6所示：超声波发送模块超声波接收模块驱动电路放大 比较S T C 8 9 C 5 1 R C倒车档显示模块语音电路图 2-6 系统工作原理框图2.4 本章小结本章主要学习了单片机的发展及其应用，超声波研究发展及其测距工作原理，超声波
22、倒车雷达系统工作原理，包括国内外超声波研究历史及发展现状，超声波测距的基本原理，利用超声波测距的实现，超声波倒车雷达的工作原理，并完成了系统工作原理基本框图。基本熟悉了超声波倒车雷达所涉及的理论知识，为后面的设计打下了一定基础。江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告7第三章 系统硬件设计3.1 单片机系统及显示电路3.1.1 单片机控制芯片选择 在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方
23、面：（1）单片机的基本性能参数。例如指令执行速度、程序存储器容量、I/O 引脚数量等。（2）单片机的存储介质。对于程序存储器来说，Flash 存储器和 OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是 Flash存储器。（3）芯片的封装形式。如 DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC 有对应插座）封装及表面贴附等。（4）芯片的功耗。比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几毫安的电流，选用 STC单片机就是因为它能满足低功耗的要求。（5）供货渠道是否畅通、价格是否低廉。（6）芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。综合考虑以上因素，选择 STC89C55作为本系统的控制部件。STC89C51RC是
24、采用 8051核的 ISP（In System Programming）的系统可编程芯片，最高工作时钟频率为 80MHz，片内含 8K Bytes的可反复擦写 1000次的 Flash只读程序存储器，器件兼容标准 MCS-51指令系统及 80C51引脚结构，芯片内集成了通用 8位中央处理器和 ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合 PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。STC89C51RC系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容 8051 内核单片机，是高速/ 低功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线/精简指
25、令集结构,内部集成 MAX810专用复位电路。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机 STC89C51RC的特点：(1)增强型 1T 流水线/精简指令集结构 8051 CPU。(2)工作电压：3.4V-5.5V （5V 单片机）/ 2.0V-3.8V （3V 单片机） 。(3)工作频率范围：0 -35 MHz，相当于普通 8051 的 0420MHz.实际工作频率可达 48MHz。(4)用户应用程序空间 12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K字节。(5)片上集成 512 字节 RAM。(6)通用 I/O
26、 口（27/23 个） ，复位后为：准双向口 / 弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口） ，可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/高阻，每个I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不得超过 55mA。江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告8(7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器。可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成。(8)EEPROM 功能。(9)看门狗。(10)内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路） 。(11)时钟源：外部高精度晶体/
27、时钟，内部 R/C 振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟。常温下内部 R/C 振荡器频率为：5.2MHz 6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选 4MHz 8MHz。(12)有 2个 16 位定时器/ 计数器。(13)外部中断 2 路,下降沿中断或低电平触发中断 ,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。(14)PWM( 4 路）/ P C A（可编程计数器阵列） ，也可用来再实现 4个定时器或 4个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可支持) 。(15)STC89Cc516AD具有 ADC功能。1
28、0 位精度 ADC，共 8 路。(16)通用异步串行口(UART) 。(17)SPI同步通信口，主模式/ 从模式。(18)工作温度范围：0 -75/ -40 -+85。(19)封装：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20(超小封装)。它的超低功耗性能表现在：（1）掉电模式：典型功耗0.1uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。（2）空闲模式：典型功耗 2mA。（3）正常工作模式：典型功耗 4mA7mA。（4）掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。单片机 STC89C51RC的管脚图如图 3-1所示：
29、1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 4-Jun-2013 Sheet of File: C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLES主主主111.DDBDrawn By:P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9 RXD 10TXD 11INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD17X218X119GND20P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P
30、27 28PSEN 29ALE/P 30EA/VP31P07 32P06 33P05 34P04 35P03 36P02 37P01 38P00 39VCC 40U2STC89C51RC江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告9图 3-1 单片机 STC89C51RC管脚图3.1.2 单片机系统及其外围电路复位是单片机的初始化操作，只要给 RESET引脚加上 2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电
31、路，本设计复位电路由一个按键、一个 10uF电容、一个 10k电阻组成，接到单片机的 RESET管脚，如图 3-2所示。时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地一拍一拍地工作。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。单片机采用 STC89C51RC系列。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。本设计振荡电路由两个 30pF电容和一个 12MHZ的晶振组成时钟电路，接到单片机的 XTAL1和 XTAL2管脚。单片机用 P1.0 端口输出超声波转化器所需
32、的 40KHz方波信号，利用外中断 0 口检测超声波接受电路输出的返回信号。利用 P0口输出控制四位共阳极数码管的段选，用 P2.0到 P2.3的输出控制四位数码管的位选。通过 P1.1端口输出控制蜂鸣器报警。单片机系统及其外围电路如图 3-2所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 4-Jun-2013 Sheet of File: C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESBACKUP114.DDBDrawn By:P101P112P123P134P145P156P16
33、7P178RESET9 RXD 10TXD 11INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD17X218X119GND20P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30EA/VP31P07 32P06 33P05 34P04 35P03 36P02 37P01 38P00 39VCC 40U2STC89C51RCP10P32C7 10ufC330PFC430PFR1310kY112MVCCVCCRSTRSTP11主主主主主主主主主主主S5图 3-2 单片机系统及其外围
34、电路江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告103.1.3 显示电路超声波测距仪显示模块电路如图 3-3所示。通过单片机的 21、22、23、24 四个管脚的信号控制四个三极管的 B极，利用三极管的开关特性，实现数码管的点亮，从而实现动态显示。采用 LED 动态显示，数据经过芯片的计算后传到 LED上，显示精度是厘米。单片机 STC89C51RC采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减少测量误差。单片机用 P1.0端口输出超声波换能器所需的 40KHz方波信号，利用外中断 0口检测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 4位共阳 LED数码管，用于显示
35、车尾障碍物的距离，由单片机 P0.0P0.6接 LED的 ag七个笔段，单片机的 P0.7口接 LED的 dp段，P2.0P2.3 接四个 8550三极管的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。段码用 74LS04驱动，位码用 PNP三极管 8550驱动。显示部分电路如图 3-3所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAP101 P112P123 P134P145 P156P167 P178RESET9 RXD 10TXD 11INT0/P3212 INT1/P3313T0/P3414 T1/P3515WR/P3616 RD17X218 X119GND20P20 21P2122P2
36、2 23P23 24P2425P25 26P26 27P2728PSEN 29ALE/P30EA/VP31P07 32P0633P05 34P04 35P0336P02 37P01 38P0039VCC 40U2STC89C51RCa2b6c9d11e12f3g8dp10com17com25com34com41abcdefgdpDS1SMG_4R173kR163kR153kR143kR7330R11330R9330R10330R5330R8330R4330R6330Q18550 Q38550Q28550 Q48550123456789J14.7KVCC VCCP00P01P02P03P04P0
37、5P06P07P00P01P02P03P04P05P06P07P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07VCCP20P21P22P23P20P21P22P23主主主主主主主主主图 3-3 显示电路江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告113.2 超声波发射电路发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内） ，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固定参数决定，频带较宽。将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固有频率 40KHz，使其工作在谐振频
38、率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是由两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（STC89C51RC）能
39、够识别的中断信号作为回波到达的标志。超声波发射电路原理图如下图所示。图 3-4 超声波发射电路原理图发射电路主要由反向器 74LS04和超声波发射换能器 T构成，单片机 P1. 0端口输出的 40 kHz 方渡信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻 R10、R11，一方面可以提高反向器 74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。超声传感器是一种将其他形式的能转
40、变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。流体动力性中包江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告12括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛” 。压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。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
41、将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。发射部分电路硬件接线图如图 3-5所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA1234567 891011121314U374LS0412T_40KHZTransmitT_40_16R201KCVCCR211KCCAAAAAAVCCC10104主主主主CP10图 3-5 发射部分电路硬件连接图3.3 超声波接收电路电路采用集成电路 CX20106A。这是一款红外
42、线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38kHz 与测距超声波频率 40kHz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变 C1 的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R1 和C5 控制 CX20106A内部的放大增益，R2 控制带通滤波器的中心频率。一般取 R1=4.7 ，C5=3.3F。其余元件按图 3-5取值。超声波接收头，当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断 INT0上。当超声波接收头接收到 40kHz方波信号时，将会将此信号通过 CX20106A驱动放大送入单片机的外部
43、中断 0口。单片机在得到外部中断 0的中断请求后，会转入外部中断 0 的中断服务程序进行处理，在移动机器人的避障工作中，可以在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离，比如 1.0m。对于距离大于 1.0m的障碍物，可以不做处理直接跳出中断服务程序；对于距离小于或等于1.0m.又做另外一种处理等。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。 江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告13使用 CX20106A集成电路对接收探头受到的信号
44、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 R1或减小 C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C1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 R1=4.7，C1=3.3F。 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
45、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，f 042kHz，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 10k，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。 接收部分电路如图 3-6所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA1 2 3 4
46、5 6 7 8U1CX20106A21R_40KHZReciveR_40_16 R14.7C53.3ufC63.3ufR2220kVCCC2330PFR310kP32C1473主主主主C11104图 3-6 超声波接收部分电路图江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告143.4 语音部分原理图蜂鸣器与家用电器上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，工作时电路上通过的电流基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，即由于一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音,所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流。 通过将蜂鸣器连接到三极管的集电极，一旦有被检测物体进入，单片机
47、P1.1口为0，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。实现报警。当 P1.1管脚为高时，三极管截至，蜂鸣器不发出声音。报警电路如下如图 3-7所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAB el lF M QQ 58 55 0V C CR 2 24 .7 K主 主 主 主 主 主 主P 11图 3-7 蜂鸣器报警电路原理图江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告153.5 电源电路的设计在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一的能量来源，稳压电源的主要任务是将 50Hz 的电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足负载的需要，直流
48、稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。由于本设计实际要求电源电压较低，在实际操作中用五号电池+电池盒模式代替。同时，为了显示外接电源给实训板提供了电源，在系统中增加了电源指示灯电路，由于发光二极管工作在正常工作状态时，流过 LED的电流只需要 510mA 左右就行，在电路中采用红色高亮 LED，所以可以取 5mA左右的电流值，通过计算，可知：连接 LED的限流电阻的阻值可以采用 1k。电路如图 3-8所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAZ1DY_5VC8220UFC9104R191KD1LED主主主主图 3-8 电源电路3.6 本章小结本章主要完成了系统的硬件电路设计，
49、包括单片机系统，单片机外围电路及显示电路，超声波发射电路，超声波检测接受电路，语音部分原理图及应用外接功放电路图，电源电路等。这期间遇到了许多问题，最后通过网络以及参考各方面书籍，完成了各电路的设计，完成了本设计中的系统硬件设计部分。江西理工大学 2013 级自动化专业项目驱动设计报告16第四章 系统软件设计超声波测距器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、显示子程序及语音控制程序组成。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并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算(计算距离时)，又要求精确计算程序运行时间(超声波测距时)，本设计在计算部分比较复杂，所以控制程序采用 C语言编程。软件设计的总体结构框图如图 4-1：系统各功能模块系统初始化程序数码管显示模块按键扫描模块发射接收控制模块运算结果处理模块声光报警模块图 4-1 系统模块框图（1）系统初始化模块：即系统刚上电的时候对系统的各个引脚的电平分配和对各寄存器的初值赋值。（2）数码管显示模块：通过该模块的设计能够让所测得的距离显示在数码管上。（3）
