基于单片机的超声波测距设计

基于单片机的超声波测距设计内容摘要：

装；封装形式： SOP、 SSOP 和 DIP。 ③引脚分配 Em78p153 单片机引脚分配如 图 34。 图 34 Em78p153 引脚图 第 3章 硬件电路 11 MAX232 MAX232 芯片是美信（ MAXIM）公司专为 RS232 标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用 +5v 单电源供电。 此处用于对 T4016 激励电压的放大。 ① MAX232 引脚图 芯片引脚如图 35。 图 35 MAX232 引脚图 ②引脚介绍 第一部分是电荷泵电路。 由 6 脚和 4 只电容构成。 功能是产生 +12v和 12v 两个电源，提供给 RS232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。 由 1 1 1 14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（ R1IN）、 12 脚（ R1OUT）、 11 脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道 ；8 脚（ R2IN）、 9 脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、 7 脚（ T2OUT）为第二数据通道。 第三部分是供电。 15 脚 GND、 16 脚 VCC（ +5v）。 TL074 常用的低噪声 JFET 输入四运算放大器，引脚如图 36。 图 36 TL074 引脚图 第 3章 硬件电路 12 3 脚是通道 1 的输出端、反相输入端、同相输入端， 7 脚是通道 2 的同相输入端、反相输入端、输出端， 10 脚是通道 3 的输 出端、反相输入端、同相输入端， 1 1 14 脚是通道 4 的同相输入端、反相输入端、输出端， 4 脚是正电源， 11脚是负电源。 TL074 内部组件数量如下表 31 所示。 表 31 TL074 组件 电阻 44 晶体管 56 JFET 6 二极管 4 电容 4 epiFET 4 T4016与 R4016 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。 总体上讲，超声波发生器可以分为两大类： 1． 电气方式产生超声波 , 主要 包括压电型、磁致伸缩型和电动型等 ； 2. 机械方式产生超声波 ， 主要包括 加尔统笛、液哨和气流旋笛等。 它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。 目前较为常用的是压电式超声波发生器。 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。 其内部 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，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 模块使用 T4016T/R 超声波换能器即为压电型。 ①器件说明 名 称：压电陶瓷超声传感器 ； 型 号： T4016T/R； 类 别：通用型 ； 中心频率： 40KHZ； 外 径： 16mm； 使用方式： T 为发射头， R 为接收头， TR 为收发兼用 ； 第 3章 硬件电路 13 适用范围：家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；超声波测距及汽车倒车防撞装置；液面探测；超声波接近开关及其它应用的超声波发射与接收。 ②器件性能 (KHz)： 40KHz； at10V(0dB=)：≥ 110dB； at40KHz(0dB=V/ubar)：≥ 70dB； at1KHz,1V(PF)： 2020177。 30%； (m)：。 传感器实物如图 37所示。 图 37 传感器实物图 超声波发射电路 HCSR04 模块内部超声波发射电路如图 38 所示，主要由 Em78p153 单片机、 MAX232及超声波发射头 T40 组成。 图 38 超声波发射电路 第 3章 硬件电路 14 超声波接收电路 HCSR04 模块内部超声波接收电路如图 39 所示，主要由 TL074 运算放大器及超声波接收探头 R40 组成。 图 39 超声波接收电路 HCSR04 模块工作原理 基本工作原理 ①采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号； ②模块自动发送 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 输出一个高电平，高电平持续时间就是超 声波从发射到返回的时间。 电气参数 HCSR04 模块参数如下表 32所示。 表 32 模块参数 电气参数 HCSR04 超声波模块 工作电压 DC 5V 第 3章 硬件电路 15 续表 工作电流 15mA 工作频率 40khz 最远射程 4m 最近射程 2cm 测量角度 15176。 输入触发信 号 10us 的 TTL脉冲 输入回响信号 输出 TTL电平信号，与射程成比例 规格尺寸 45*20*15cm 超声波时序图 超声波时序图如图 310 所示 图 310 超声波时序图 以上时序图表明只需要提供一个 10us 以上脉冲信号，该模块内部将发出 8 个 40khz周期电平并检测回波。 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测量的距离成正比。 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： 距离 =高电平时间 *声速（ 340m/s） /2。 为防止发射信号对回响信号的影响，测量周 期一般要 60ms 以上。 第 3章 硬件电路 16 单片机应用系统中，常用的显示器件有 LED（发光二极管显示器）和 LCD（液晶显示器）。 这两种器件都具有成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便的特点。 但相对而言LCD 的接口较复杂，成本也比数码管高， 数码管消耗电力比液晶多一点，但是 数码管显示 更加清晰，更加适合在白天等强光条件下显示。 液晶极其省电，但是使用有温度范围限制，且因是反光式的，在外界光线很明亮的情况下很容易看不清楚。 因此本次设计采用数码管显示。 LED 结构与显示方式 LED 显示器结构与原理 LED 显 示块是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。 在单片机应用系统中通常使用的是 7 段 LED。 这种显示块有共阴极与共阳极两种。 共阴极 LED 显示块的发光二极管阴极共地，如图 311(a)所示，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极 LED 显示块的发光二极管共阳极并接（在系统中，接驱动电源），如图 311(b)所示，当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管亮。 通常 7 段 LED 显示块中有 8 个发光二极管，其中 7 个发光二极管构成 7 笔字形“ 8”，一个发光二极管构成小数点“ .” 共计 8 段，因此提供给 LED 显示器的字形数据正好一个字节。 LED 显示块与单片机接口非常容易，只要将一个 8 位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。 引脚配置如图 311(c)所示。 8 位并行输出口输出不同的字节数据可显示不同的数字或字符，如表 33 所示。 通常将控制发光二极管的 8 位字节数称为段选码或称字形代码，公共极称为位选线。 共阳极与共阴极的段选码互为补数。 表 33 7 段 LED 的段选码 显示字符 共阴极段选码 共阳极段选码 0 3FH C0H 1 06H F9H 2 5BH A4H 3 4FH B0H 4 66H 99H 5 6DH 92H 6 7DH 82H 7 07H F8H 8 7FH 80H 9 6FH 90H 第 3章 硬件电路 17 LED 显示器与显示方式 在单片机应用系统中，经常要使用 LED 显示块构成 N 位 LED 显示器。 N 位 LED 显示器有 N 根位选线和 8N根段选线。 根据显示的方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。 段选线控制要显示什么用的字符，而位选线则控制要在哪一位上显示这个字符。 LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式： ① LED 静态显示方式。 所谓静态显示，就是 当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截至，并且显示器的各位可同时显示。 静态显示时，较小的驱动电流就能得到较高的显示亮度。 但与此同时 N位静态显示器则要求有 N8 根 I/O 口线，占用 I/O 口线资源较多。 故在位数较多时不采用静态显示，而采用动态显示。 ② LED 动态显示方式。 所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位，对e d c a b f g dp 图 311(a) 共阴极 图 311(b) 共阳极 +5V d a b c e f g dp d GND b 10 dp 6 8 9 3 2 1 5 4 7 e GND c dp e d c g a f b a g f 图 311(c) 引脚配置 第 3章 硬件电路 18 于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。 显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。 多位 LED 动态显示电路只需要一个 8 位 I/O 口来控制段选，然后几位 LED 对应几个I/O 口控制位选即可。 显示模块电路 本次设计要求测量范围为 20cm150cm，误差为 1cm，所以采用 3 位共阳数码管动态显示，显示电路如图 312 所示，有 P0 口控制段选， 控制位选。 图 312 显示模块电路 显示子程序 计算得到结果后，分别将米、分米、厘米位的值存放到 40H42H 中，然后调用显示子程序将结果显示到数码管上。 显示子程序如下： DISPLAY:MOV R0,2 DISSP:MOV DPTR,TAB MOV A,40H。 //40H42H 分别对应米、分、厘米位 // MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CLR。 //开米位显示 // LCALL DEL。 //调用延时程序 // 第 3章 硬件电路 19 SETB。 //关米位显示 // MOV A,41H。 //分米位 // MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CLR LCALL DEL SETB MOV A,42H。 //厘米位 // MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CLR LCALL DEL SETB DJNZ R0,DISSP RET。 //子程序返回 // TAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H； //共阳极数码管位选 // 报警方式主要分为光报警和声报警。 光报警主要通过点亮不同颜色的 LED 灯光来实施报警提醒。 本次设计要求 在汽车与物体距离为 、 1m 时，以及 1m每 蜂鸣器短鸣提示；在 时蜂鸣器长鸣示警。 蜂鸣器及其原理 鸣器的介绍 ①蜂鸣器的作用：蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 ②蜂鸣器的分类：蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 ③蜂鸣器的电路图形符号：蜂鸣器在电路中用字母“ H”或“ HA”（旧标准用“ FM”、“ LB”、“ JD”等）表示。 第 3章 硬件电路 20 ①压电式蜂鸣器：压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。 有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二 极管。 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。 当接通电源后（ ~15V 直流工作电压） ,多谐振荡器起振 ,输出 ~的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 ②电磁式蜂鸣器：电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。 振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 这里的“源”不是指电源。 而是指震荡源。 也就是说，有。