1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 毕 业 论 文 基于单片机的超声波测距倒车雷达设计The design of Ultrasonic ranging reverse radar based on Singlechip 系（院）名称： 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2011 年 5 月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含
2、我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录摘 要Abstract 引 言1第一章 方案论证及选择21.
3、1 微处理器选择21.2测距传感器选择21.3语音报警器的选择31.4显示子系统的设计3第二章 超声波测距雷达工作原理42.1超声波传感器介绍42.1.1超声波传感器的特性62.2 超声波测距的原理及实现7第三章 硬件设计93.1系统总体结构框图93.2 AT89C51单片机93.3 电源电路123.4 时钟电路133.5 复位电路133.6 超声波测距模块HC-SR04143.7 74HC573芯片163.8 数码管显示及报警电路设计17第四章 系统软件设计204.1系统主程序的设计204.2中断处理程序的设计224.3测距模块的设计224.4显示及报警模块的设计23结 论25致 谢26参考
4、文献27附 录28附录A：系统总电路图28附录B：部分源程序29基于单片机的超声波测距倒车雷达设计摘要：随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。这些事故常常给驾驶员带来许多麻烦，因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。倒车雷达，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。本文设计了一种利用超声波测距原理研究的高性价比倒车雷达，它可以提醒驾驶员进入警戒区域，同时进行声光报警。无须占用司机的视觉资源，使司机可以把全部注意力用于观察车前及车旁的路况。超声发射部分由AT89C51单片机产生10us的高电平信号
5、，触发测距模块；系统接收部分由接收探头拾取反射回来的信号，当接收电路接收到反射信号就中断AT89C51计数器停止计数，从而得到超声波从发射到接收信号的时间差,进而计算出车与后方障碍物之间的距离，指导司机安全倒车。关键词：倒车雷达 超声波 单片机 声光报警 The design of Ultrasonic ranging reverse radar based on SinglechipAbstract：Along with the rapid development of economy of our country, more and more people have their own c
6、ars, as well as the parking and reversing the accident caused will be increasingly. These accidents often bring many troubles to drivers, so, the reverse radar of help drivers parking and of reversing arise at the historic moment. Reverse radar, the automobile parking safety auxiliary devices, more
7、intuitive to told the driver of around obstacles by voice or display. This paper designs a kind of using ultrasonic ranging principle research high performance-to-price ratio reverse radar；it can remind drivers entered exclusionary area, simultaneously the acousto-optic alarm. The radar need not occ
8、upy the drivers visual resources, and can make the driver putting the whole attention to observe the passenger side of the front and roads. Ultrasonic launching 10us partly by AT89C51 produce the high level signal to triggering ranging module; System receiving part reflected by the receiving probe o
9、f the signal and when the receiving circuit receives reflected signals will interrupt AT89C51 counter stop counting. Thus obtains from the launch to receiving signal ultrasonic lag between driving, and then calculating the distance between the obstacles to instruct driver safety reverse.Key words：Re
10、verse radar; Ultrasonic ; Single-chip microcomputer；Sound-light ala引 言随着社会的不断发展，汽车已逐渐成为人们不可或缺的交通工具。由于汽车的日益普及，人为原因而产生的碰撞问题也日益突出，其中倒车碰撞占据很大一部分。因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者显示器的显示通告司机车后的状况，解除了司机泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的麻烦，并帮助司机解决由视觉引起的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的
11、原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。司机在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由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，从而计算出车体与障碍物之间的距离，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使司机倒车时不至于撞上障碍物。当前国内外倒车雷达的研究现状：通常的倒车雷达主要由感应器、主机、显示设备等三部分组成。感应器发出和接受超声波信号，并将接收到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。据感应器种
12、类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式等种。粘帖式感应器后有一层胶，可直接粘在后保险杠上：钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去：悬挂式感应器主要用于载货车。根据显示设备种类不同，倒车雷达又可以分为数字式、颜色式和蜂鸣式等三种。数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接用数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。本文旨在设计一种以AT89C51单片机为核心控制芯片，高
13、性价比的倒车雷达，系统成型后，经过专业技术人员论证后可推向市场。第一章 方案论证及选择1.1 微处理器选择方案一：使用51单片机。51单片机具有功能强、抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，而且它经过多年的发展，技术也相当成熟。方案二：使用AVR Mega系列单片机。Mega系列是美国ATMEL公司生产的AVR 8位单片机中的高端产品，由于市场和技术原因，市场占有率挺高，采用精简指令集系统。方案三：使用MPS430，凌阳61单片机等16位单片机或者ARM系列32位单片机。由于本系统控制功能简单，没有必要为了提高性能而增加成本和开发难度。经过综合
14、考虑，本题目采用第一套方案，选取性价比较高的51单片机。1.2测距传感器选择 方案一：红外传感器。其原理是传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号强弱判断物体的距离。 方案二：激光传感器。它是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光
15、速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。 方案三：超声波传感器。超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。其原理犹如蝙蝠，它嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫的时候，它的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置并予以捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接收来判断是否检测到物体。 根据以上性能的比较，我们能看出来激光传感器是比较理想的选择，但是其价格较高，不易为大众接受。考虑到车辆行驶过程中测距应当有较强的抗干扰和较短的响应时间，最终选用超声波传感器作为此方案的技术扩展。1.3语音报警器的选择 由于在该设计中只涉及到简单的
16、报警声音，可以直接用单片机的某一引脚产生方波控制。我拟定采用简单的蜂鸣器来实现该功能。1.4显示子系统的设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以用LED发光二极管，设计简单，易于安装，但给出只是一个简单的开关信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏，从能够实现显示功能以及个人设计简单方便方面考虑，本设计中采用三位8段数码管实现显示功能。第二章 超声波测距雷达工作原理2.1超声波传感器介绍 超声波是一种频率超过 20kHz 的机械波。超声波作为一种特殊的声波，
17、同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，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，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。超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超
18、声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。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。 超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率
19、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：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包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”。 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于
20、晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较
21、少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。图2.1 压电式超声波传感器结构图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，超声波发生器内部结构如图2.
22、1所示，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，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭
23、、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可以防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。2.1.1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： 1） 频率特性 如图 2.2是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中，f040KHz 为超声发射传感器的中心频率，在f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在f0处所产生的超声声压能级最高。而在f0两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率
24、f0的交流电压来激励。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。曲线在f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在f0处图2.2 超声波传感器频率特性曲线接收灵敏度最高。因此，超声波接收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具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。 2）指向特性 实际的超声波传感器中的压电晶片是一
25、个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。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。2.2 超声波测距的原理及实现 超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感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停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为 C=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： （
26、2-1）其中，t0就是所谓的渡越时间。 可以看出主要部分有： 1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路）； 2) 使接收和发射隔离的开关部分； 3) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；4) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；5) 接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备； 6) 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。 在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。
27、目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。 距离测量系统常用的频率范围为 25KHz300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距
28、离读数并加以显示或记录。 第三章 硬件设计3.1系统总体结构框图按照系统所需功能，系统硬件结构可以划分为三大主要模块：测距系统、控制系统以及显示和语音报警系统。系统总体结构框图如3.1所示。图3.1 系统总体结构框图其中测距系统有超声波发射、接收子系统构成；控制部分以AT89C51单片机为核心，其P2.0口输出10us的触发信号制超声波发射电路产生40KHz的超声波，利用外部中断监测超声波接收电路输出的返回信号；显示报警部分由显示系统及语音系统构成，其中显示系统采用简单实用的3位共阳8段数码管。3.2 AT89C51单片机 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性
29、能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图3.2所示。图3.2 AT89C51管脚图1） 主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个1
30、6位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2）管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输
31、出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是
32、8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚备选功能：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST
33、脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3） 振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4） 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复
34、编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.3 电源电路本设计使用汽车尾灯的12V电源为系统供电，但本系统适用电压为5V，需设计电源电路将其转化为5V电压。电源电路如图3.3所示。图3.3 电源电路图三端稳压集成电路7805：用7805三端稳压器组成稳压电源输出电压稳定，电压大小为+5V，满足单片机的工作电源需求，7805所需的外围元件极少，
35、电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。桥堆2W10：将交流电压变为直流电压。整流桥堆是由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封，增强散热。整流桥品种多：有扁形、圆形、方形、板凳形（分直插与贴片）等，有GPP与O/J结构之分。最大整流电流从0.5A到100A，最高反向峰值电压从50V到1600V。3.4 时钟电路单片机各种功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量影响单片机系统的稳定性。时钟电路有两种设计有两种方式，一是内部时钟方式，另一
36、种是外部时钟方式。我采用的是内部时钟方式，其电路图如图3.4所示。图3.4 时钟电路图单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为单片机的XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚外部跨接石英振荡器Y1和微调电容C1和C2，构成了稳定的自激振荡器。而电容的大小会影响振荡的频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性，因此对于电容选择是很关键的，我们这次设计的时钟电路采用了所提供的33pF电容可以构成稳定的自激振荡器电路。3.5 复位电路复位电路是采用手动按键电平来实现单片机系统的复位的。复位电平是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的其复位电路图如图3.5
37、所示。图3.5 复位电路图常见的复位电路为上电复位电路，它能有效的实现上电复位和手动复位。复位信号为高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期以上才能完成复位操作。在复位电路通电瞬间，由于RC的充电过程，在 RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持一定宽度，就能使单片机自动复位。以上的复位电路在通电时，是通过10uF的电容充电，并在复位端口和地之间加10k欧电阻从而使复位端口能够保持高电平，并有效保持复位按键按下后能够准确复位。3.6 超声波测距模块HC-SR04本系统超声波测距模块采用HC-SR04测距模块。HC-SR04测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度
38、可达到3mm,模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。基本工作原理：1） 采用IO口TRIG触发测距，,加至少10us的高电平信号；2） 模块自动发生8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；3） 有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高低平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S）/2.HC-SR04的外型及引脚如图3.6所示，HC-SR04的性能参数和引脚定义分别如表3.1和表3.2所示。图3.6 HC-SR04超声波测距模块外形图表3.1 HC-SR04性能参数工作频率40MHz 工作电压DC5V工作电流15mA最远射程4m最近射程2
39、cm测量角度15度输入触发信号10us的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm ( 宽*长*厚 )表3.2 HC-SR04引脚定义引脚功能VCC5V电源GND地线GNDTRIG触发控制信号输入ECHO回路信号输出HC-SR04的超声波时序图如图3.7所示。图3.7 HC-SR04超声波时序图以上时序图表明只需要提供一个10us以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHZ周期电平检测回波，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检测的距离成正比，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。3.7 74HC573芯片7
40、4HC573是高性能硅门CMOS器件，为八进制3态非反转透明锁存器。当锁存使能引脚LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步），当锁存使能引脚LE变低时，符合建立时间和保存时间的数据会被锁存。74HC573芯片的引脚图如图3.8所示，功能表如表3.3所示。 表3.3 74HC573功能表输入D输出使能锁存使能输出QHLHHLLHLXLL不变XHX高阻图3.8 74HC573芯片引脚图3.8 数码管显示及报警电路设计 LED是发光二极管的缩写。LED数码管里面有8只发光二极管，分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp为小数点，每一只发光二极管都有一根电极引到外部引脚上
41、，而另外一只引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，记作公共端（COM），其中引脚的排列因不同的厂商而有所不同。LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位。根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 1）静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位解码器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840个I/O口来驱动，要知道一个51单片机可用的I/O口才32个。故实际应用时必须增加解码驱动器
42、进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 2）动态显示驱动数码管动态显示界面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a、b、c、d、e、f、g、dp”的同名端连在一起，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1 ms2 ms
43、，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。动态扫描显示方式在数码管应用系统中应用得最为广泛，这也是我在本设计中的显示方法。共阳极与共阴极这两种方法难度差不多，考虑到我自己对于共阳极的编程更熟悉，因此在该设计中我也采用数码管共阳极的接法。 至于语音报警，则采用一个简单的蜂鸣器，利用单片机产生方波来控制。根据所测距离的长短来决定该方波的频率，即蜂鸣器的报警频率。语音报警电路和数码管显示电路分别如图3.9和图3.10所示
44、。图3.9 语音报警电路图图3.10 数码管显示电路图第四章 系统软件设计本系统的主要功能为发送超声波、对回波进行检测、计算测量距离、显示测量距离、声光报警等。软件包括主程序、超声波发射子程序、INT0中断服务程序、定时器T0溢出中断程序四个主要模块组成。4.1系统主程序的设计主程序对系统环境初始化后，首先置位回波接收标志和由单片机P2.0口输出一个高电平以启动超声波发射电路，同时启动定时器T0。然后调用计算距离子程序，根据定时器T0记录的时间计算出待测距离。接着调用显示子程序，将测出距离以十进制BCD码方式送LED显示，同时也调用声音处理程序，控制蜂鸣器的发声。最后主程序通过回波信号的接收；
45、若标志位清零，说明接收到回波信号，则主程序返回到起始端重新置位回波接收标志位和在P2.0上发送高电平，如此往下运行，循环往复。 本设计中系统的核心技术在于距离的测量，精确的测距后通过单片机来处理数据是比较容易实现的。各种信号都将干扰到测距，其中余波信号的干扰严重影响到本设计中精确的测距。接收回路中的超声波信号共有两个波束，第一个波束为余波信号，即超声波接收探头在发射探头发射信号后，马上就接收到了超声波信号。另一个波束为有效信号，即经过被物体表面反射的回波信号。超声波在测距时，需要测的是从开始发射到接收到信号的声波往返的时间差，需要检测的有效信号为反射物体反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信
46、号。所谓余波就是在刚发射超声波时直接到达接受探头的直达波，它是超声波检测中存在测量盲区的主要原因。 超声波接收电路收到回波后，比较器动作，发出有效信号，计算机通过外部中断引脚感受回波信号的到达时间，中断发生后表示已接收到回波信号，此时停止计时，并读取计数器中的数值，此数值即为需要测量的时间差的数据。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s，所以发射点距障碍物之间的距离为： （4-1）由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数，设计中时钟频率取12MHz，设计数值N，则 （4-2） （4-3） （4-4）或 （4-5）程序中对测距数据的处理方法是：距离按式（4-5）进行计算，其中，为计数器的值，此时声速取为340m/s。综上所述，可得到系统主程
