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1、LOGO超声波测距器的设计超声波测距器的设计一、功能要求一、功能要求 超声波测距器可应用于汽车倒车。建筑施超声波测距器可应用于汽车倒车。建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度、物体厚度等用于如液位、井深、管道长度、物体厚度等的测量。其测量范围为的测量。其测量范围为0.104.00m，测，测量精度为量精度为1cm。测量时与被测物体无干脆接。测量时与被测物体无干脆接触，能够清晰、稳定地显示测量结果。触，能够清晰、稳定地显示测量结果。Company Logo二、方案论证二、方案论证v 由于超声波指向性强，能量消耗慢，在介质中传播的
2、距离较远，因而超声波常由于超声波指向性强，能量消耗慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波常常用于距离的测量。利用超声波检测距离设计比较便利，计算处理也比较简洁，并常用于距离的测量。利用超声波检测距离设计比较便利，计算处理也比较简洁，并且在测量精度方面也能达到运用的要求。且在测量精度方面也能达到运用的要求。v 超声波发生器可以分为两大类：一类是运用电气方式产生超声波；另一类是用超声波发生器可以分为两大类：一类是运用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括电压型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液机械方式产生超声波。电气方式包括电压型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋
3、笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波各不相同，因而用途也哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。v 依据设计要求并综合各方面因素，本例确定接受依据设计要求并综合各方面因素，本例确定接受AT89C52单片机作为主控器，单片机作为主控器，用动态扫描法实现用动态扫描法实现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。超声波测距器系统设计框图如下：波测距器系统设计框图如下：Company
4、 Logo二、方案论证二、方案论证v超声波测距系统框图超声波测距系统框图Company Logo三、系统硬件电路的设计三、系统硬件电路的设计单片机系统及显示电路单片机系统及显示电路1超声波发射电路超声波发射电路2超声波检测接收电路超声波检测接收电路3硬件电路主要分为以下三个部分：硬件电路主要分为以下三个部分：Company Logo三、系统硬件电路的设计三、系统硬件电路的设计1.单片机系统及显示电路单片机系统及显示电路 单片机接受单片机接受89C51或其兼容系列。系统接受或其兼容系列。系统接受12MHZ高精度的晶振，以获得较稳定的时钟高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差。单片机
5、用频率，并减小测量误差。单片机用P1.0端口端口输出超声波换能器所需的输出超声波换能器所需的40kHz方波信号，方波信号，利用外中断利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路接受简洁好用的回信号。显示电路接受简洁好用的4位共阳位共阳LED数码管，段码用数码管，段码用74LS244驱动，位码用驱动，位码用PNP三极管驱动。单片机系统及显示电路如图：三极管驱动。单片机系统及显示电路如图：Company Logo三、系统硬件电路的设计三、系统硬件电路的设计复位电路晶振电路LED显示电路Company Logo三、系统硬件电路的设计三、系统硬件电路的设计v复位
6、电路的原理：只有在复位电路的原理：只有在RST端给它端给它24个时钟周期，才能让它复位。当按下开关个时钟周期，才能让它复位。当按下开关时，时，VCC接通，由于接通，由于10K电阻的分压作用，电阻的分压作用，RST端的电压为端的电压为5V，而，而5V电压正好电压正好可以满足可以满足RST复位的复位的24个时钟周期要求，于是个时钟周期要求，于是RST复位。此电路同时也是自动上复位。此电路同时也是自动上电复位的，当电容起先充电、放电时，电复位的，当电容起先充电、放电时，RST端的电压便随之变更，电压由低到高，端的电压便随之变更，电压由低到高，再由高到低，时间能够满足再由高到低，时间能够满足24个时钟
7、周期，故而个时钟周期，故而RST能够复位。能够复位。v晶振电路的原理：晶振两端各接一个无极性电容，电容上电，然后再放电，这样便晶振电路的原理：晶振两端各接一个无极性电容，电容上电，然后再放电，这样便可以帮助晶振起振。另：可以帮助晶振起振。另：12MHZ的晶振两端接的晶振两端接30PF的电容，的电容，6MHZ的晶振两端的晶振两端接接20PF的电容。的电容。vLED的工作原理：四位共阳的工作原理：四位共阳LED的一边是段选端，一边是位选端。同名段选端各自的一边是段选端，一边是位选端。同名段选端各自相连，然后相连，然后7位段选端口接到位段选端口接到P0口，位选端接到口，位选端接到P2口。通过位选可以
8、限制每一个口。通过位选可以限制每一个LED亮，通过段选端可以限制亮，通过段选端可以限制LED亮什么，其中段选端还要接上拉电阻，其作用是亮什么，其中段选端还要接上拉电阻，其作用是为了保证为了保证LED能够点亮。在位选端加一个高电压，段选端加一个低电压，那么再加能够点亮。在位选端加一个高电压，段选端加一个低电压，那么再加上上拉电阻的作用，便可以保证上上拉电阻的作用，便可以保证LED的两端形成一个压差，这样的两端形成一个压差，这样LED就点亮了。就点亮了。Company Logo三、系统硬件电路的设计三、系统硬件电路的设计2.超声波放射电路超声波放射电路 超声波放射电路原理图如下图。放射电路主要由反
9、向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40kHz方波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送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超群声波的放射速度。输出端接受两个反向器并联，用以提高驱动实力。两个上拉电阻一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动实力；另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。Company Logo三、系统硬件电路的设计三、系统硬件电路的设计v超声波换能器的工作原理v 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如下图所示，它有两
10、个压电晶片和一个共振板。当它的两极加脉冲信号，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，并带动共振板振动产生超声波，这时它是一个超声波发生器；反之，假如两极间未加外电压，当共振板接收道超声波时，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换能器了。超声波放射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，运用时应分清器件上的标记。超声波放射换能器上标有字母T，而接收换能器上标有字母R。超声波换能器结构图 Company Logo三、系统硬件电路的设计三、系统硬件电路的设计3.超声波检测接收电路超声波检测接收电路 集成电路集成电路CX20106A是一款红外线检波是一款红
11、外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收接收的专用芯片，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器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与与测距的超声波频率测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图所示。试验它制作超声波检测接收电路，如图所示。试验证明，用证明，用CX20106A接收超声波（无信号的接收超声波（无信号的输出高电平）具有很高的灵敏度和较强的抗干输出高电平）具有很高的灵敏度和较强的抗干扰实力。适当地更改电容扰实力。适当地更改电容C4的大小，可以变更的大小，可以变更接收电路的灵敏度和抗干扰实力。接收电路的灵敏
12、度和抗干扰实力。超声波检测接收电路超声波检测接收电路Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计v 超声波测距器的软件设计主要由主程序、超超声波测距器的软件设计主要由主程序、超声波程序发生子程序、超声波接收中断程序声波程序发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。由于及显示子程序组成。由于C语言程序有利于实语言程序有利于实现较困难的算法，汇编语言程序则具有较高现较困难的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且简洁精确计算程序运行的时间，的效率并且简洁精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较困难的计算而超声波测距器的程序既有较困难的计算（计算距离时），又要求精确计算
13、程序运行（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以限制程序可接时间（超声波测距时），所以限制程序可接受受C语言和汇编语言混合编程。下面对超声波语言和汇编语言混合编程。下面对超声波测距器的算法。测距器的算法。Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计v1.超声波测距器的算法设计超声波测距器的算法设计v 距离计算公式：距离计算公式：d=s/2=(vt)/2v 其中其中d是被测物与测距器的距离；是被测物与测距器的距离；s是超是超声波的来回路程，声波的来回路程，v是超声波在当前温度下的是超声波在当前温度下的速度，速度，t是发送和接收超声波所经验的时间。是发送和接
14、收超声波所经验的时间。Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计v超声波测距器原理图超声波测距器原理图TR障碍物Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计v2.主程序算法设计主程序算法设计v 主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器工作模式为主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器工作模式为16位定时、计数器模式，置位总中断允许位位定时、计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口并对显示端口P0和和P2清清0；然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。；然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避开超声波从放射器干脆传送到接收器引起的直射波触发，为
15、了避开超声波从放射器干脆传送到接收器引起的直射波触发，须要延迟须要延迟0.1ms后才打开外中断后才打开外中断0，接收返回的超声波信号。，接收返回的超声波信号。v 由于接受由于接受12MHZ晶振，计数器每记一个数就是晶振，计数器每记一个数就是1us，取取20时的超声波传输速度时的超声波传输速度v=344m/s,则则d=(vt)/2=344t/2=(172T0/106)m=(172T0/10000)cmv 其中其中T0为中断为中断T0的计数值。的计数值。v 测出距离后，结果以十进制测出距离后，结果以十进制BCD码方式送往码方式送往LED显示约显示约0.5S，然后再发出超声波脉冲重复测量。，然后再发
16、出超声波脉冲重复测量。v v 主程序流程图如下：主程序流程图如下：v Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计 开始系统初始化发送超声波脉冲等待反射超声波计算距离显示结果Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计3.超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超声波端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约脉冲信号（频率约40KHZ的方波），脉冲宽度为的方波），脉冲宽度为12us左右，同时左右，同时把计数器把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序
17、较简洁，但要求程序打开进行计时。超声波发生子程序较简洁，但要求程序运行时间精确，所以接受汇编语言程序编程。运行时间精确，所以接受汇编语言程序编程。超声波测距主程序利用外中断超声波测距主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收检测返回超声波信号，一旦接收到返回的超声波信号（即到返回的超声波信号（即INT0引脚出现低电平），马上进入超声波引脚出现低电平），马上进入超声波接收中断程序。进入该中断后，就马上关闭计时器接收中断程序。进入该中断后，就马上关闭计时器T0，停止计时，停止计时，并将测距成功标记字赋并将测距成功标记字赋1。假如当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器假如当计时器溢出时
18、还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢溢出中断将外中断出中断将外中断0关闭，并将测距成功标记字赋值关闭，并将测距成功标记字赋值2，表示本次测距，表示本次测距不成功。不成功。Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计4.C程序代码程序代码/*-超声测距器单片机程序超声测距器单片机程序MCU AT89C51 XAL 12MHz-*/#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longextern void cs_t(void);extern void del
19、ay(uint);extern void display(uchar*);data uchar testok;Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计/*主程序主程序*/void main(void)data uchar dispram5;data uint i;data ulong time;P0=0 xff;P2=0 xff;TMOD=0 x11;IE=0 x80;while(1)cs_t();delay(1);testok=0;EX0=1;ET0=1;while(!testok)display(dispram);Company Logo四、四、系统程序的设计系统程序的
20、设计if(1=testok)time=TH0;time=(time8)|TL0;time*=172;time/=10000;dispram0=(uchar)(time%10);time/=10;dispram1=(uchar)(time%10);time/=10;dispram2=(uchar)(time%10);dispram3=(uchar)(time/10);if(0=dispram3)dispram3=17;else dispram0=16;dispram1=16;dispram2=16;dispram3=16;for(i=0;i300;i+)display(dispram);/Com
21、pany Logo四、四、系统程序的设计系统程序的设计/*超声接收程序（外中断超声接收程序（外中断0）*/void cs_r(void)interrupt 0 TR0=0;ET0=0;EX0=0;testok=1;/*超时清除程序（内中断超时清除程序（内中断T0）*/void overtime(void)interrupt 1 EX0=0;TR0=0;ET0=0;testok=2;Company Logo五、遇到的问题以及解决方法五、遇到的问题以及解决方法1.当把硬件电路连接好后，接到电源，发觉当把硬件电路连接好后，接到电源，发觉LED灯不亮。灯不亮。LED灯不亮灯不亮的缘由有以下几个：的缘由
22、有以下几个：单片机不工作单片机不工作 LED显示模块的硬件电路设计有问题显示模块的硬件电路设计有问题 LED显示模块的硬件电路连线有问题显示模块的硬件电路连线有问题 故障排查：故障排查：单片机不工作。先检查单片机不工作。先检查AT89C52单片机的电源线和地线是否接好，单片机的电源线和地线是否接好，发觉接线无误。再看晶振电路是否工作，细致检查发觉晶振有一个引发觉接线无误。再看晶振电路是否工作，细致检查发觉晶振有一个引脚接错，改正后发觉，通电后晶振一端出现脚接错，改正后发觉，通电后晶振一端出现50HZ的正弦波，且的正弦波，且ALE端出现方波，表示单片机正常工作。端出现方波，表示单片机正常工作。L
23、ED可以显示了，但是显示全部可以显示了，但是显示全部是是8888。Company Logo五、遇到的问题以及解决方法五、遇到的问题以及解决方法LED显示模块的硬件电路设计有问题显示模块的硬件电路设计有问题 解决方法：软件仿真解决方法：软件仿真 在在LED显示模块的显示模块的proteus仿真文件中添加如下程序仿真文件中添加如下程序代码的代码的hex文件，仿真后可以看到文件，仿真后可以看到LED被点亮。被点亮。LED模块调试代码模块调试代码 ORG 0000H AJMP 0030H ORG 0030H MOV P2,#00H ；P2端全部送低电平，经过三极端全部送低电平，经过三极管管9012后，
24、位选端为高电平后，位选端为高电平 MOV P0,#00H ；P0端全部送低电平，段选全部端全部送低电平，段选全部为低电平，使为低电平，使LED全部点亮全部点亮 END LED模块调试代码调入后得到仿真效果如下：模块调试代码调入后得到仿真效果如下：Company Logo五、遇到的问题以及解决方法五、遇到的问题以及解决方法LED模块调试代码调入后得到仿真效果模块调试代码调入后得到仿真效果Company Logo五、遇到的问题以及解决方法五、遇到的问题以及解决方法LED显示模块的硬件电路连线有问题显示模块的硬件电路连线有问题 由于单片机正常工作后，由于单片机正常工作后，4位共阳位共阳LED能够全部
25、点亮；而且能够全部点亮；而且LED显显示模块的软件仿真成功，说明示模块的软件仿真成功，说明LED显示模块的硬件电路连线没有问题。显示模块的硬件电路连线没有问题。至此，至此，LED显示模块的故障被解除。显示模块的故障被解除。Company Logo五、遇到的问题以及解决方法五、遇到的问题以及解决方法2.LED全部显示全部显示8888的问题的问题 把把HEX程序烧进单片机后，连接电源，发觉程序烧进单片机后，连接电源，发觉LED全部显示全部显示8888。可能是。可能是P0口没有接上拉电阻口没有接上拉电阻(上拉电阻的阻值一般在上拉电阻的阻值一般在1K-10K之间之间)。因为。因为“从从P0口口输出时，
26、必需外接上拉电阻才能有高电平输出。输出时，必需外接上拉电阻才能有高电平输出。”（见单片机课本（见单片机课本p20）。假）。假如如P0口不接上拉电阻，那么段选始终是低电平，而接受的是数码管的动态扫描，口不接上拉电阻，那么段选始终是低电平，而接受的是数码管的动态扫描，看上去，位选端相当于始终高电平，即：数码管始终点亮。因此，假如看上去，位选端相当于始终高电平，即：数码管始终点亮。因此，假如LED全全部显示部显示8888，那么在，那么在P0口加上上拉电阻或许可以解决问题。口加上上拉电阻或许可以解决问题。前后分别做了两个板子，第一个板子出现前后分别做了两个板子，第一个板子出现LED全部显示全部显示88
27、88的问题，再加的问题，再加上电路布线不够合理，不够美观，于是换了一块板子重新焊接。但是第上电路布线不够合理，不够美观，于是换了一块板子重新焊接。但是第2块板块板子焊好后，又发觉单片机不能正常工作了。检查别人正常电路上的单片机的晶子焊好后，又发觉单片机不能正常工作了。检查别人正常电路上的单片机的晶体振荡器，视察晶振两个脚上的波形，发觉其中一个脚上是体振荡器，视察晶振两个脚上的波形，发觉其中一个脚上是50HZ的正弦波，的正弦波，另一个脚上出现类似正弦波的波形，但是有少量谐波成分。但是检查我们自己另一个脚上出现类似正弦波的波形，但是有少量谐波成分。但是检查我们自己的晶振，发觉一端是的晶振，发觉一端
28、是50HZ的正弦波，但是另一端出现无规律的杂波，另外的正弦波，但是另一端出现无规律的杂波，另外ALE端也没有出现方波。端也没有出现方波。P1.0口（输出到超声波放射电路）也没有输出口（输出到超声波放射电路）也没有输出40KHZ的方波。说明单片机没有正常工作。的方波。说明单片机没有正常工作。Company Logo五、遇到的问题以及解决方法五、遇到的问题以及解决方法3.晶振不能正常工作的问题晶振不能正常工作的问题 接接线线时时，尽尽量量使使晶晶振振电电路路靠靠近近单单片片机机。晶晶振振正正常常工工作作时时，一一端端可可以以检检测测到到50HZ的的正正弦弦波波，另另一一端端类似正弦波，但是有少量的
29、谐波成分。类似正弦波，但是有少量的谐波成分。Company Logo五、遇到的问题以及解决方法五、遇到的问题以及解决方法4.复位电路复位电路 LED不不能能正正常常显显示示，可可能能是是复复位位电电路路出出问问题题。假假如如复复位位开开关关始始终终导导通通，则则LED可可能能不不亮亮。检检查查复复位位开关是否短路即可。开关是否短路即可。Company Logo六、总结六、总结1.遇到不懂的问题，应当虚心向别人请教。遇到不懂的问题，应当虚心向别人请教。2.不要盲目信任课本。例如，书上的原理图上不要盲目信任课本。例如，书上的原理图上P0口没有接上拉电阻，口没有接上拉电阻，而事实上而事实上P0口一般
30、都要接上拉电阻。本试验中，口一般都要接上拉电阻。本试验中，P0口不接上拉电阻口不接上拉电阻的后果是的后果是LED始终显示始终显示8888。另外，书上说可以用。另外，书上说可以用74LS244驱动驱动LED的断码，而的断码，而74LS244芯片在本试验中的作用就是输入等于输出，芯片在本试验中的作用就是输入等于输出，并没有用到锁存功能，所以为了简化电路，可以省掉并没有用到锁存功能，所以为了简化电路，可以省掉74LS244。3.接线应当细心。特殊是一些芯片的电源线和地线简洁出问题。接线应当细心。特殊是一些芯片的电源线和地线简洁出问题。4.多调试。包括软件调试和硬件调试。假如一个功能模块电路出现问题，
31、多调试。包括软件调试和硬件调试。假如一个功能模块电路出现问题，先用软件仿真，看看电路设计是否有误；若无误，则检查硬件电路的先用软件仿真，看看电路设计是否有误；若无误，则检查硬件电路的连线是否有问题；假如没有问题，再进行硬件仿真，看看是不是程序连线是否有问题；假如没有问题，再进行硬件仿真，看看是不是程序的问题。一个模块一个模块地排查，就可以发觉错误。的问题。一个模块一个模块地排查，就可以发觉错误。5.假如多次检查仍不能解决问题，也不要盲目地换电路，重头起先。耐假如多次检查仍不能解决问题，也不要盲目地换电路，重头起先。耐性地调试，一步一步排查错误，总能找到问题的症结；不仅最终能解性地调试，一步一步排查错误，总能找到问题的症结；不仅最终能解决问题，还能学到很多实际操作的方法和阅历，这都是在课本上学不决问题，还能学到很多实际操作的方法和阅历，这都是在课本上学不到的。到的。Company LogoLOGO