基于单片机AT89S52的超声波测距465464设计.doc

密级： 公开 科学技术学院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR（2009 2013 年）题 目 基于AT89S52单片机的超声波测距的设计 学 科 部： 信息学科部 专 业： 通信工程 班 级： 通信091班 学 号： 7023809033 学生姓名： 江文祥 指导教师： 吕金甫 彭岚峰 起讫日期：2012年11月26日2013年5月26日目 录 摘要IAbstractII第一章 引言11.1 单片机应用系统概述11.2 超声波测距系统概述21.3 本设计的主要内容及课题研究方案2第二章 超声波的原理42.1 超声波概述42.2 压电式超声波传感器原理及特性52.3 超声波测距系统原理6第三章 系统主要硬件设计83.1 电路工作原理及设计83.2 主要元器件介绍83.2.1 单片机AT89S5283.2.2 芯片CX20106介绍103.3 单片机主机电路系统123.3.1 单片机电路123.2.2 复位电路123.3.3 时钟电路133.3.4 蜂鸣器电路133.3.4 超声波发送电路14 3.3.5 超声波接收电路14 3.3.6 显示电路15第四章 系统软件设计184.1 超声波的软件原理184.2 主程序流程表18第五章 超声波测距的误差分析205.1 测量结果205.2 误差分析20结 论21参考文献（References）22致 谢23附录I 原理图24附录II 源程序25基于单片机AT89S52的超声波测距的设计专业：通信工程 学号：7023809033 学生姓名：江文祥 指导老师:吕金甫、彭岚峰摘要：随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。在社会生活中应用超声波测距技术已很广泛，如汽车倒车雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声测距技术的研究和开发具有实际意义。本文介绍了一种利用超声波测距的系统，该系统是一种基于AT89S52单片机的超声波测距系统，它根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。通过单片机的I/O口控制超声波发射电路发出40KHz的超声波，反射波经由超声波检测接收电路、放大电路送入单片机外部中断端，通过计算超声波的发射和返回的时间，确定超声波发生器和反射物体之间的距离，完成测距。该系统可实现3米内测距，盲区20厘米。关键词：超声波，单片机，数码管显示，测距，误差分析Desgin of UI trasonic Tester Based on the AT89S52Abstract：With the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. It is applied widely by ultrasonic to measure distance,such as cars reversing radar， range finder and level measurement and so on.Because of the strong point of ultrasonic, low energy consumption,long distance transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultrasonic. In this paper ,it introduces a system to measure distance by ultrasonic,which is based on the AT89S52.The theory is based on the principles of reflection of ultrasonic spreading in the air. The system uses ultrasonic sensors as a detector, and applies MCU and the time difference of ultrosonic spreading in the air to measure the distance. The system consists of the main controller module, ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module and display module. The MCU I / O port controls ultrasonic transmitter to send 40 KHz ultrasonic, and the reflecting singal is received by the ultrasonic receiver circuit, and it is amplified,and finally,it starts the interruptor of the MCU.The MCU calculates the time of launch and return of ultrasonic to get the disctance between the ultrasonic generator and the reflective objects. The range of measurement is within four meters,with the blind spot of 20 cm.Keyword：ultrasonic ranging, single-chip,LED display, Distance measuremen, error analysis第一章 引言1.1 单片机应用系统概述 单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会，超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用1。和其他方法相比，如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。 嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的IT应用之一。嵌入式系统的应用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命”的现代化智能系统。嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的设备中，单片机作为嵌入式系统的核心部件，其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果，常常无需对硬件资源做任何改动，只需更新系统软件就能使系统功能升级。现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域，主要可以归纳为以下几个方面。1、 军事装备：各种武器控制(火炮控制、弹道控制、炮弹引信等)，坦克、舰船、轰炸等各种电子装备，雷达、电子对抗、军事通讯装备等。2、 家用电器：各种家电产品，如数字电视、机顶盒、数码相机、VCD、DVD、可视电话、洗衣机、电冰箱、手机、智能玩具等。3、 工业控制：各种智能仪器仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统、工业机器人、机电一体化设备、汽车电子设备等。4、 商用设备：各种收款机、POS系统、电子秤、条形码阅读器、商务终端、IC卡输入设备、自动柜员机、防盗系统等。5、 办公用品：复印机、打印机、传真机、扫描仪、手机、个人数字助理(PDA)、变频空调设备、通信终端、程控变换机、网络设备等。6、 医疗电子设备：各种医疗电子仪器，如X光机、超声诊断仪、心脏起搏器、监护仪器等，以及辅助诊断系统、专家系统等。单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如下：图1.1 设计步骤1.2 超声波测距系统概述在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，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2。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义。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的传播时间，用软件来计算出距离，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。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离3。1.3 本设计的主要内容及课题研究方案本课题主要内容是设计一个超声波测距系统,由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出发射点到障碍物的实际距离。1、 超声波测距仪设计要求如下： (1) 测量距离6m； (2) 精度优于1%； (3) 显示方式采样数码管； (4) 具有抗干扰能量； (5) 体积小、功耗低、便于嵌入到其他系统。2、 硬件电路的设计 (1) 方案的论证; (2) 元件的选择; (3) 用Altium designer绘制原理图。3、 系统的PCB制作 (1) PCB布局布线； (2) PCB实验板的焊接。4、 系统软件的编写 (1) 软件的编写和编译检查； (2) 基于Proteus的软件仿真。5、 误差分析 (1) 误差的分析； (2) 改进。 课题研究方案是根据设计要求并综合各方面因素，采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，本设计要进行近距离测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器压电式超声波换能器4。第二章 超声波的原理2.1 超声波概述声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声5。对于液体介质，只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。声速是随着介质及其状态(如温度)的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。声速与介质的许多特性有关，有的关系非常直接，可有精确的理论公式，有的关系比较间接而复杂，但在特定条件下，也可建立一些经验公式，例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、某些液体的比重等，都可以与声速建立一定关系，这样就可以通过声速来测定这些特性参数。由于介质的温度、压强和流速等状态参量的变化都会引起响应的声速变化，因此出现了超声温度计和超声流量计等。在声速已知的介质中，可以利用身波传播距离L和传播时间t的关系L=vt，进行超声测距，超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。由物理学可知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波型相同时，波速相同，入射角度等于反射角。当波在界面处生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比。超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传声介质的密度与声速c的乘积，用Z表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利(rayl)。超声波在弹性介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生原因可分为三个方面:(1) 由于波前的扩展而产生的能量损失；(2) 超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减；(3) 由于介质内耗所产生的吸收衰减。2.2 压电式超声波传感器原理及特性为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。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，或者超声波探头。压电式超声波传感器如图2.1所示。压电晶片共振板电极AB图2.1 超声波传感器结构图压电式超声传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效应6。逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，品体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体藕合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。正压电效应是指当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为接收换能器。超声波传感器的基本特性分为频率特性。图2.2是超声波的频率特性曲线。图中，f0为超声波发射器的中心频率，在f0处，超声波发射器产生的超声机械波最强，也就是说，在f0处所产生的超声波声压能级最高。而在f0两测，声压能级迅速减小。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的f0的交流电压来激励。由图知，f0为中心频率，曲线在f0处最尖锐，输出电信号的幅度最大，信号f0处接收灵敏度最高。因此超声波接收器具有很好的频率选择特性，在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外，超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系，如果R很大，(如大于100K)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，(如小于10K)频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽，同时灵敏度也随着降低。并且最大灵敏度向着稍低的频率移动7。因此，超声波接收器应于输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。12011010080700灵敏度KHZf=40KHZ图2.2 超声波发射传感器的发射频率特性2.3 超声波测距系统原理在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：1、 取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；2、 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，所以被测距离的为S=12vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。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。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12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米(15时)。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下： (2.1) 图2.3 测距原理超声波测距器的系统框图如下图所示：图2.4 超声波测距器系统设计框图第三章 系统主要硬件设计3.1 电路工作原理及设计主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分组成。利用单片机来实现对超声波和超声波转换模块的控制。单片机通过INT0引脚来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT1引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离8。3.2 主要元器件介绍控制器选用AT89S52单片机,单片机INT0口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号,由CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波换能器来实现超声波信号的接受和发射控制，经计算，距离由显示电路显示，采用简单的4位共阳极LED数码管进行动态显示。3.2.1 单片机AT89S52简介AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图3.1 单片机引脚图VCC：电源GND：地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash 编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示：表3.1 AT89S52单片机P1口第二功能脚号第二功能P1.0T2(定时器/计数器 T2的外部计数输入),时钟输出P1.1T2EX(定时器/计数器 T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)P1.5MOSI(在系统编程用)P1.6MISO(在系统编程用)P1.7SCK(系统编程用)P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR)时，P2口送出高八位地址。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89S52 特殊功能使用，如下表所示。表3.2 AT89S52单片机P3口第二功能脚号第二功能P3.0 RXD(串行输入)P3.1 TXD(串行输出)P3.2 INT0(外部中断 0)P3.3 INT1(外部中断 0)P3.4 T0 (定时器0外部输入)P3.5 T1(定时器1外部中断)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器写选通)RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用.然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。PSEN：外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2.2 芯片CX20106介绍集成电路CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。CX20106也有不少用于超声波测试。红外遥控常用的载波频率为38KHz，这是由发射端所使用的455KHZ晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455KHz1237.9KHz38KHz。也有一些遥控系统采用36KHz、40KHz、56KHz等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定9。本设计中就是利用这一芯片来实现检测接收电路，实验证明用集成电路CX20106接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。CX20106工作原理：日本索尼公司生产的红外解调集成电路,采用8脚单列直插式塑料封装，内部含有前置放大、自动偏置、限幅放大、通带滤波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路。典型应用电路如图所示,其主要功能是从40kHz红外载波信号中，将编码信号解调出来，并加以放大和整形,然后再送到微处理器(CPU)进行处理，以实现遥控操作功能。使用CX20106存在的优缺点如下： 优点：简单易用，电路简单，减少了生产调试的麻烦。缺点：必须保证接收到的信号为40KHz，否则无法解调出。其引脚如图3.2所示。图3.2 CX20106引脚图 图3.2中，引脚从上至下依次为1、2、3、4、5、6、7、8 。 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=1F。 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，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。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C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。CX20106A的第5脚的电阻决定接收的中心频率，200k的电阻决定了接收的中心频率为40KHz。 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22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。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。8脚：电源正极，4.55V。就是根据这个特性在电路图设计时将C7和C0并在一起后接到地上10。3.3 单片机主机电路系统3.3.1 单片机电路图3.3 单片机主电路引脚功能：P0口用来送显示信号给LED的数据为，P20P23送命令到LED控制LED的显示方式。P1.0接测量按键。3.2.2 复位电路单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，本设计采用上电复位和按钮组合的复位电路如下：图3.4 复位电路上电复位：在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即ms。一般取R10，C10uF。按键复位：当人按下按钮S1时，使电容C1通过R1迅速放电，待S1弹起后，C再次充电，实现手动复位。R2一般取1011。3.3.3 时钟电路当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XATL1和XATL2用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择3M24M，电容选择22pF左右。我们选择晶振为12MHz,电容22pF。图3.5 时钟电路3.3.4 蜂鸣器电路本次设计通过一只蜂鸣器来提示用户按键按下了，现在单片机开始了测距。蜂鸣器时一块压电晶片，在其两端加上35V的直流电压，就能产生3KHz的蜂鸣声。通过单片机软件产生3KHz的信号从P2.4口送到三极管9.13的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。如图3.6所示。图3.6 蜂鸣器电路3.3.4 超声波发送电路超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头(“也称为超声波换能器”)的型号选用CSB40T(其中心频率为40KHz)。可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74LS04，具体电路如图：图3.7 超声波发送电路从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平，下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动CSB40T，只要控制信号接近40KHz，就能产生超声波。3.3.5 超声波接收电路超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。CX20106是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理，构成接收电路如下图：图3.8 超声波接收电路使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db12。3.3.6 显示电路LED数码管由七段发光线段组成，每条线段可以使一个或者几个发光二极管，七段数码管结构图如图3.9。在图3.9中，只要使不同段的发光二极管，即可改变所显示的数字和字母，LED七段数码管根据内部LED的连接方法不同，有共阴极和共阳极两种接法，在共阳极接法中，当某一段发光二极管输入为低电平时，该发光二极管亮，反之则熄灭。而在共阴极接法中，刚好与共阳极接法相反。图3.9 七段数码管结构图在图3.9中，只要使不同段的发光二极管，即可改变所显示的数字和字母，LED七段数码管根据内部LED的连接方法不同，有共阴极和共阳极两种接法，在共阳极接法中，当某一段发光二极管输入为低电平时，该发光二极管亮，反之则熄灭。而在共阴极接法中，刚好与共阳极接法相反。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字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类13。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端口进行驱动，或者使用如BCD码二十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S52单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 2、 动态显示驱动：数码管动态显示接口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，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，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，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通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，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动14。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，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数据，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端口，而且功耗更低。LED数码管由七段发光线段组成，每条线段可以使一个或者几个发光二极管，七段数码管结构图如图3.10。显示电路原理图如图3.10所示。系统显示电路设计 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使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，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。综合课题的实际要求以及考虑