基于单片机stc89c52控制超声波测距系统设计

基于单片机stc89c52控制超声波测距系统设计内容摘要：

波测距系统测量的范围之内可以通过按键设置）。 利用 STC89C52 微型单片机某个引脚产生 10181。 s 以上的高电平脉冲信号，再指定 引脚输出，等待高低电平指定输出。 只要有高低电平输出，即在配合的 推挽形式中的 74LS04 数 字芯片 ，提高驱动发射超声波信号。 遇到物体反射回来的信号，接收模块接收回波信号后，通过 CX2020A 接收芯片内部处理，放大、滤波等后，接收到一个负跳变的信号，送到微型单片机中外部中断口 0。 在微型单片机内部使用定时器，利用信号传播速度走的来回就是发射脉冲信号到接收反射脉冲信号的时间间隔可以计算出发射头到障碍物的距离，并由微型单片机控制液晶显示屏显示出来 [7]。 从下面的时序图可以看出来，发射电路在 T0 时刻发射出 (12M 晶振，因此大约 40kHz)高低电平为周期的一半的信号，在同一时间内也启动微型单片 机的内部定时器计时开始，当发射信号遇到物体，返回给超声波测距接收模块电路，该模块收到回波信号后，会有一负跳变电平信号到单片机外部中断口，论文设计选择了外部中断 0 接收，启动内部的程序响应中断服务子程序，定时器瞬间停止计时计数。 程序按照公式计算时间间隔绝对值 t，按照公式可以计算出 L实际距离大小 [8]。 如图 42 时序图： 图 42 时序图 . . 5 方案论证与比较 本论文设计选的单片机采用 STC89C52 型号做主控部分，而超声波发射和接收电路硬件的电路有多种，本论文举例常用的电路设计，最后根据任务书要求 合理选择合适本论文设计的硬件电路方案。 各种发射电路方案 方案一分立元件组成的电路 发射电路方案有很多种，以前的经典模拟电路其中经常使用两只低功耗的三极管NPN(C9013 或者其他 NPN 型号三极管 )构成的电路具体放大，振荡和驱动的分立元件小电路模块，在电路里面其中三极管 Q Q2 加外围电阻或者电感构造成两级放大器。 因为超声波发射传感器本身具有正、反馈作用，本来是两级放大作用的 NPN 电路变成了可以产生振荡的电路。 超声探头的内部里面的压电晶片体看作成是串联式 LC 谐振器电路，能够选频，振荡电路 得到固有的振荡频率维持在 0f。 右图中选择了电感 L1取代电阻达到增大电压作用，使电路具有较大的功率输出 [8]。 如图 51 所示： 图 51 分立元件构成的超声波发射电路 . . 方案二 555集成电路组成的电路 还有常使用的经典模拟或者数字 555 集成芯片构成的电路。 它可以调节出不一样的大小的振荡电路，还具有激励电压输出。 一般都使用双极型 555（内部结构的电路就是集成一体的低功耗三极管电路），这个不适用 7555 单极型构成发射电路（因为 内部电路是由数字集成电路构成，虽然外部引脚与与双极型 555 相同），但主要是构成的发射电路发射强度不大。 7555 能带起的负载能力比较弱。 555 的 3 脚可以调节得到大约输出的 40kHz的振荡脉冲驱动超声波发射器 TCT4016mm工作，使其发射出 40kHz的超声波信号。 电路工作电压一般为 +9V，工作电流为 40～ 45mA,控制发射距离大于8m[8]。 如图 52 所示： 图 52 555 构成的超声波发射电路 . . 方案三与非门集成电路组成的电路 与微型单片机的引脚构成的发射电路一般常用主要由集成数 字芯片 74LS04（实质是多个反相器集成）和超声波传感器组合的。 微型单片机的 引脚端口经过程序控制输出 的方波信号（汇编程序指令编写，误差小，比较准确快速得到方波信号）经过第一级的 5（ 11）脚到 6（ 10）脚的 74LS04 后送传感器的一个引脚 2 端，另一路经两级（第一级 1 脚到 2 脚，第二级 9（ 3）脚到 8（ 4）脚）的 74LS04 后送到超声波传感器的另一个引脚 1 端，利用这样反相电路的推挽方式将单片机发出的 信号加到传感器的两端，有利于增大了发射信号强度。 电路里面采用 74LS04内部两个反 向器的并联输出，还有利于可以增大驱动。 对称的两个电阻 R R6 作用一可以达到增大超声波传感器的阻尼效果，还可以缩短其模块电路的自由振荡花费的时间，另一方面可以使得增大 74LS04 输出端的高电平的驱动效果 [8]。 如图 53所示： 图 53 由非门构成的超声波发射电路 . . 各种接收电路方案 方案一分立元件组成的电路 同样接收电路方案也有很多种，以前的经典模拟电路其中经常使用是低功耗的三极管 T1,T2（一般选择 C9013 或者其他低功率的 NPN 三极管）搭配外围一些电阻跟电容构成的两级放大的 耦合电阻电容交流的分立元件接收回波电路。 第一级中电阻 R6为 T1 的集电极负载端的串接电阻； R5 为 T 三极管的偏流端的电阻，偏流端的电阻作用是为了引入交、直流并联电压负反馈，静态工作点得到稳定工作，同时非线性失真能够减少以及增大增益得到平稳工作；一级放大 NPN 的 T1 发射极端的负反馈电阻是R2，负反馈电阻能引入串联交、直电流负反馈，电流负反馈的作用能改善存在的失真情况，增大增益，但是分立元件组成的电路容易受到外部干扰，容易出故障 [8]。 如图54所示： 图 54 分立元件构成的超声波接收电路 . . 方 案二运算放大器组成的电路 接收电路方案还有一种，配合运算放大器的经典模拟电路，其特点如以下三点： （ 1）一般用运算放大器组成的放大电路都要求有对称的正负电源供电，这里的电路以单电源供电，输出端的静态电位必须设置在 1/2 倍的电源电压，这由同相输入端的点位来确定， 2R 和 3R 分压取得 1/2V 的电源电压加到运放的同相输入端，使其电位电压为 1/2 电源。 （ 2）一般为了提高输入端的电阻阻抗，都采用同相输入端，信号直接送到同相端输入，能提高信号接收的灵敏度，还可以有选频的作用。 （ 3）反相端是不能直接接地的，不能这样提供直流通路，加上一个隔直电容就能直接提供直流通路了。 测试发现得到的回波信号不稳定，而且运算放大器的电源都是比较大的。 因此不合适结合微型单片机组合使用 [9]。 如图 55 所示： 图 55 运放构成的超声波接收电路 . . 方案三 CX20206A 芯片组成的电路 近年一直都流行使用红外接收，里面集成了放大，滤波等集成电路。 红外接收灵敏稳定工作能 高强度的抗干扰，其 CX20206A 集成芯片一直是是红外接收器主要组成芯片，改进芯片的外围电路使其合适用于超声波的接收电路，实物制作选择使用了CX20206A 做主要组成。 封装使用单列直插 8个管脚，简单，体积不大，使用电源供电都是 5V左右等特点。 第八个引脚是 VCC 端，根据它使用手册可以使用 ；第七个引脚是回波的信号输出端引用端，可以采用集电极开路方式输出，因此要接上一个上拉电阻 R9也连接到电源端，工作的原理是没有回波信号时，这个引脚输出为高电平信号，如果检测到有信号，电平就会降低；第六个引脚是跟地 端连接，由于不能直接接地因此使用一个积分电容隔离，要测量距离越大，电容值就要越小；第五个引脚一般要连接一个 200k 的电阻，因为是设置内部滤波带通的中心接收频率，这样使得接收的中心频率维持在 40kHz；第三个引脚是检波脉冲端，实验数据表明脉冲输出变化较大的，连接一个 电容，实质就是检波电容；第二个引脚是放大电路模块的，它的总增益与外围电路的 C W1微调电阻有关，减小微调电阻 W1阻值或增大电容 C7容值，都会让总增益变大，负反馈回来的信号变小，电容的变化会影响频率特性，凋试都是改变微调电阻的阻值；第一个 引脚就是超声波的回波信号输入处理端，按照使用的经验值都是选择 40k 阻值 [10]。 如图 56所示： 图 56 CX20206 构成的接收电路 . . 以上各种的发射和接收的硬件设计电路是最常使用的，随着技术不断发展，它们各有长处短处可取，电路技术首要因素是稳定。 通常使用分立元件构成的发射和接收的电路存在几个问题：凋试困难，体积占用大，外部干扰下故障率也高，对应低功率的要求也达不到，如果作为原理的理解是值得学习的电路模块； 随着技术更新，集成电路出现，取代了很多分立元件构成的电路。 它比分立元件构成电路有许多有点，它集成一片晶体：占用电路板的体积小，内部的电阻电容不受外界干扰，电路比较稳定可以长期工作，外加一些外围元件可以变化多种电路，调试简单等特点；但集成电路供电都比较大，要另外设计电源。 因此在选择合适自己系统的集成电路时候，要根据电压范围选择，可以减少避免麻烦的电路模块，最好一个电源范围就可以供完电路。 以上的电路方案首先考虑采用集成芯片外加电阻电容组合的电路来组成超声波的发射很接收电路。 综合选择发射电路，本论文设计选择了数 字芯片的与非门的74LS04 构成的驱动发射电路；而接收电路我采用由红外接收检波芯片 CX20206A 构成的，因为考虑供电电压范围 ++5V，可以跟单片机的可以使用同一个电源。 经过凋试，电路还是比较稳定的发射跟接收信号的。 . . 单片机主控系统电路 单片机的在领域上的广泛应用  工业自动化：数据采集、测控技术、超声波测距。  智能仪器仪表：数字示波器、数字信号源、数字万用表、感应电流表等。  消费类电子产品：洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、微波炉、手机、 IC 卡、汽车电子 设备等。  通讯方面：调制解调器、程控交换技术、手机、小灵通等。  武器装备：飞机、军舰、坦克、导弹、航天飞机、鱼雷制导、智能武器等。 等等… [10] . . 单片机的内部原理 在集成电路芯片上具有微处理器（ CPU）、存储器（ RAM 和 ROM）、输入输出接口（ I/O接口）电路，组合构成了单芯片微型计算机，习惯称单片机。 集合 CPU 芯片、存储芯片、在输入输出接口和简单的 I/O 设备（小键盘、 LED 显示器或者液晶显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在 ROM 中 ），就构成了一台单板微型计算机（通常叫单板机） [10]。 微处理器（ CPU）：是由运算和控制逻辑构成，里面还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器； 存储器 RAM：是用来储存可读可写的数据，例如程序在运算的中间结果暂时保存、或者程序在运算的最终结果以及需要最终显示的数据； 存储器 ROM：是用来存放内部的程序、少许原始数据与表格； 输入输出接口 I/O 端口：四个（ ， ， ， ）8位并行 I/O 口，既能作输入 IN，也可以作输出 OUT，双向性能； 定时器 /计数器：它内部具有两个定时 /计数器，既可以工作在定时模式，给程序定时，也可以工作在计数模式，运行计数模式。 两者也可以配合使用； 五个中断源的中断控制系统，本论文设计使用到是外部中断输入，判断高低电平； 单片机里面由振荡器和时钟产生电路，因此石英晶振和微调无极电容需要外接。 它具有的最高振荡频率于单片机型号及性能决定 [10]。 本论文设计选用的单片机是 STC89C52芯片，它是一种功耗消耗低、 8位 CMOS微控制器，性能较高，内存大小 8K 存储器可以编写程序。 STC89C52单片机是基于经典的 MCS51单片 机的内核，但是做很多升级使得芯片具有传统 51单片机不具备的功能。 尤其对于本论文设计要使用到的 P3端口 IO引脚第二功能定义： ：接收 RXD 串行口输入； ：发射 TXD 串行口输出； ： INT0外部中断 0输入； ： INT1外部中断 1输入； ： T0定时器 0外部输入，可以定时可以计数； ： T。