1、沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计(论文)I超声波测距电路设计摘 要随着单片机技术的发展，各种控制系统都趋向于自动化。以单片机为核心的控制系统体积小、功能强、价格低，因而在众多领域得到广泛应用，并显示出广阔前景。论文介绍了一种运用单片机和 CX20106A 组成的超声波测距系统。本设计主要以 STC89C51作为控制核心，包括键盘输入模块，超声波发射模块，超声波接收模块（CX20106A） ，数码管显示模块，报警模块。主要实现超声波测距并显示功能，依据实际的测量精度要求还可以添加温度补偿电路。本系统成本低廉，功能实用。硬件系统具有良好的性能，且由于构成系统的器件应用普遍，便于维护。因此，本设
2、计具有较强的性价比及实用性。关键词： STC89C51；CX20106A ； 超声波发射模块； 超声波接收模块； LED 显示电路沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计(论文)IIIAbstractAlong with the monolithic integrated circuit technology development, each kind of control system all tends to the automation. By the monolithic integrated circuit for the core control system volume smal
3、l, the function strong, the price is low, thus obtains the widespread application in the multitudinous domain, and demonstrates the broad prospect. This design is based mainly on STC89C51 chip core ultrasonic range finder, and a ultrasonic processing module CX20106A, CD4069 composed of ultrasonic tr
4、ansmitter, digital display devices such as composition, including the SCM system, ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver circuit, MCU Resetcircuit, LED display circuit.Ultrasonic Distance and direction to achieve the main functionality.Based on the actual measurement accuracy can also add te
5、mperature compensation circuit.The system cost, functional and practical.Hardware system has good performance, and constitute a system of device applications as universal, easy maintenance.Therefore, this design has a strong cost-effective and practical.Keywords: stc89c51 ;CX20106A ; ultrasonic emis
6、sion of ultrasonic receiver ; LED display circuit;目录摘 要 .IAbstract.II目录 .III1 绪论 .11.1 课题意义 .11.2 单片机发展历史 .12 超声波测距仪系统的硬件和软件的功能分析 .32.1 超声波测距的设计原理论证 .32.1.1 超声波测距仪的设计思路 .32.1.2 超声波测距原理 .32.1.3 超声波测距仪原理框图 .42.2 电超声波测距仪系统的软件方案论证 .53 超声波测距仪系统的硬件设计 .63.1 STC89C51 简介 .63.2 数码管显示的设计 .123.2.1 八位 7 段数码管工作原理
7、 .123.3 超声波发射电路模块设计 .133.4 超声波接收电路模块设计 .143.4.1 超声波接收电路设计原理 .143.4.2 CX20106A .154 超声波测距系统的软件设计 .174.1 程序的总体设计 .174.1.1 主程序设计 .174.2 40KHZ 脉冲的产生与超声波发射 .184.3 显示子程序和蜂鸣报警子程序设计 .205 超声波测距仪调试与测试 .215.1 调试 .21沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计(论文)V5.1.1 硬件调试 .215.1.2 软件调试 .23结 论 .25结束语 .26致 谢 .27参考文献 .28附录 I程序源码 .29附录 I
8、I电路原理图 .48沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）11 绪论1.1 课题意义随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳
9、，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。1.2 单片机发展历史目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。 由于 CHMOS 技术
10、的进入，大大地促进了单片机的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以 80C51 取代 8051 为标准 MCU 芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用 CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和CHMOS 工艺。CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。目前生产的 CHMOS 电路已达到LSTTL 的速度，传输延迟时间小于 2ns，它
11、的综合优势已在于 TTL 电路。因而，在单片机领域 CMOS 正在逐渐取代 TTL 电路。 低功耗化，单片机的功耗已从 Ma 级，甚至 1uA 以下；使用电压在 36V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。低电压化，几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在 36V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 12V。目前 0.8V 供电的单片机已经问世。低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家
12、在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。大容量化，以往单片机内的 ROM 为 1KB4KB，RAM 为64128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内 ROM 最大可达 64KB，RAM 最大为 2KB。高性能化，主要是指进一步改进CPU 的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC ）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒） ，并加强了位处理功能
13、、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其 I/O 功能，由此引入了虚拟外设的新概念。 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，80C51 系列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司将其 MCS 51 系列中的 80C51 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 IC 制造厂商，如 Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与 80C51 单片机兼容的基础上改善了 80C51 的许多特性。这样，80C51 就变成有众多制
14、造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为 80C51 系列。80C51 单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的 MCU 品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51 可能最终形成事实上的标准 MCU。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）32 超声波测距仪系统的硬件和软件的功能分析2.1 超声波测距的设计原理论证2.1.1 超声波测距仪的设计思路超声波是指频率高于20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一
15、个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（time of flight ） 。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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12.0MHZ 晶振，所以此系统的测
16、量精度理论上可以达到毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。2.1.2 超声波测距原理发射器发出的超声波以速度 在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为 t，由 s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速 v 与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。表1 超声波波速与温度的关系表温度（） -30 -20 -10 0 10 20 30 100声速（ms） 313 319 325 323 338 344 349 3862.1.3 超声波测距仪原理框图根据设计要求并综合各方面因素，可以采用 STC89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如图2.1.STC89C51L E D 显示超声波接收超声波发送扫描驱动图2.1 超声波测距仪原理框图
