毕业设计（论文）-基于MCS-51单片机的汽车测距与制动系统.doc

编号：05023442 河南大学 2010 届本科毕业论文 汽车测距与制动系统 Automobile distance and brake system 论文作者姓名 作 者 学 号： 05023442 所 在 学 院： 计算机与信息工程学院 所 学 专 业： 自动化 导师姓名职称： 论文完成时间： 2010 年 5 月 开题报告 河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）开题报告届毕业论文（设计、创作）开题报告 （由学生本人认真填写） 学号姓名 导师姓名 职称 开题时间2009 年 12 月 1 日 课题题目汽车测距与制动系统 课题来源导师指定 自定 其他来源 课题的目的、意义以及和本课题有关的国内外现状分析： 1目的：为了保证车辆在高速行驶时的安全，驾驶员必须控制两车之间的 安全距离。多少的制动距离是安全的呢？一般在高速行驶时，主要靠驾驶员的经 验。为了减少事故，这里设计一种能自动检测两车的安全距离的装置，在小于或 者等于安全距离时，车辆能警告驾驶员并自动减少供油量，以达到增加车辆的距 离。 2意义：本课题设计的汽车测距以及制动系统能有效的解决车速过快而刹 车不及带来的严重后果。 3现状：现目前通过超声波来测量距离等应用已经很成熟，有很多集成的芯 片或者电路能够直接运用，例如采用超声波测距来控制汽车倒车系统等都是应用 得非常广泛和成熟的。 研究目标、研究内容和准备解决的问题： 1目标：通过本课题设计出基于单片机的车距测量以及制动系统。 2内容：用 MCS-51 系列单片机的汽车测距与制动系统，该系统通过超声波探 头发出超声波，利用超声波探头进行接收，根据超声波在空气中传播以及反射原 理, 以超声波传感器为接口部件,利用超声波在空气中的时间差来测量距离。 3准备解决的问题：如何将采集到的超声波信号经过单片机进行计算采用数 字显示方法进行显示，并且对整车进行制动控制。 开题报告 开题报告 拟采取的方法、技术或设计（开发）工具： 采用 MCS-51 系列单片机的汽车测距与制动系统，该系统通过超声波探头发 出超声波，利用超声波探头进行接收，根据超声波在空气中传播以及反射原理, 以超声波传感器为接口部件,利用超声波在空气中的时间差来测量距离，并使用 高速单片机 MCS-51 进行计算距离。 预期成果 毕业论文 进度计划： 2009.12.1 - 2010.3.5： 查找资料、搜集相关素材 2010.3.6 - 2010.3.26：完成需求分析 2010.3.27 - 2010.4.7： 完成概要设计 2010.4.8 - 2010.4.15：完成详细设计 2010.4.16 - 2010.4.28：完成编码 2010.4.29 - 2010.5.4： 完成软件测试 2010.5.5 - 2010.5.15：整理资料、撰写毕业论文 2010.5.16 - 2010.5.20：根据导师要求，完善毕业论文 指导教师对选题报告的意见： 指导教师签名： 2009 年 12 月 1 日 开题报告 任务书 河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）任务书届毕业论文（设计、创作）任务书 题目名称 汽车测距与制动系统 学生 姓名 赵昊 学院 计算机与信息工程 学院 学号05023442 所学 专业 自动化 毕业论文(设计、创作)要求 1. 可行性分析：完成系统的技术可行性分析 2. 系统设计：对系统中用到的关键技术进行初步设计 3. 程序开发与调试：具体进行项目的开发 4. 撰写论文：完成论文撰写 毕业论文(设计、创作)进度安排 2009.12.1 - 2010.3.5： 查找资料、搜集相关素材 2010.3.6 - 2010.3.26：完成需求分析 2010.3.27 - 2010.4.7： 完成概要设计 2010.4.8 - 2010.4.15：完成详细设计 2010.4.16 - 2010.4.28：完成编码 2010.4.29 - 2010.5.4： 完成软件测试 2010.5.5 - 2010.5.15：整理资料、撰写毕业论文 2010.5.16 - 2010.5.20：根据导师要求，完善毕业设计和论文 三、需收集的资料和指导性参考文献 任务书 指导教师签名： 2009 年 12 月 8 日 中期检查表 河南大学河南大学 20102010 届毕业设计（论文、创作）中期检查表届毕业设计（论文、创作）中期检查表 题目名称：汽车测距与制动系统 学生 姓名 赵昊 学 院 计算机与信息工程学 院 学号05023442 所学 专业 自动化 一、毕业论文(设计、创作)进展情况 二、毕业论文(设计、创作)存在问题及解决方案 三、指导教师对学生毕业论文(设计、创作)进展方面的评语 指导教师签名 2010 年 月 日 综合成绩表（一） 河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（一）届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（一） 学院名称：计算机与信息工程学院 学 号姓名专业 指导教师综合得分 论文题目 指导教 师评语 该生的课题选择立意新，论文叙述条理清晰、详略得当，并 按时完成了项目所要求的功能，是一篇优秀的本科论文。 指导教师对毕业论文（设计、创作）评分 评分项 目分值 撰写开题 报告、文 献综述 15 调查 研究 查阅 整理 资料 10 学习 态度 与规 范要 求 10 数据处 理、文 字表达 10 论文（设计、创 作）质量和创新 意识 55 合计 100 得分 指导教师评语及得分 指导教 师签名 2010 年 5 月 20 日 评阅教 师评语 评阅毕业论文（设计、创作）评分 评分项 目分值 撰写开题 报告、文 献综述 15 调查 研究 查阅 整理 资料 10 学习 态度 与规 范要 求 10 数据 处理、 文字 表达 10 论文（设计、 创作）质量和 创新意识 55 合计 100 评阅教师评语及评分 得分 综合成绩表（一） 评阅教 师签名 2010 年 5 月 22 日 此表由教师填写 综合成绩表（二） 河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（二）届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（二） 学号姓名所在学院计算机与信息工程学院 答辩委 员会评 语 答辩委员签字： 2010 年 5 月 25 日 论文答辩小组评分 答辩情况论文质量 评分 项目 分值 内容表 达情况 （15） 答辩问题 情况 （25） 规范要求与 文字表达 （20） 论文（设计、 创作）质量和 创新意识 （40） 合计 （100） 答 辩 委 员 会 评 语 及 评 分 得分 答辩委员会主任签字： 2010 年 5 月 25 日 毕业论文（设计、创作）成绩综合评定： 分 综合评定等级： 备注： 一、论文的质量评定，应包括对论文的语言表达、结构层次、逻辑性理论分析、 设计计算、分析和概括能力及在论文中是否有新的见解或创新性成果等做出评 价。从论文来看学生掌握本专业基础理论和基本技能的程度。 二、成绩评定采用结构评分法，即由指导教师、评阅教师和答辩委员会分别给 分（以百分计） ，评阅教师得分乘以 20%加上指导教师得分乘以 20%加上答辩委 员会得分乘以 60%即综合成绩。评估等级按优、良、中、差划分，优 90-100 分； 良 76-89 分；中 60-75 分；差 60 分以下。 三、评分由专业教研室或院组织专门评分小组（不少于 5 人） ，根据指导教师和 答辩委员会意见决定每个学生的分数，在有争议时，应由答辩委员会进行表决。 四、毕业论文答辩工作结束后，各院应于 6 月 20 日前向教务处推荐优秀论文以 汇编成册，推荐的篇数为按当年学院毕业生人数的 1.5%篇。 五、各院亦可根据本专业的不同情况，制定相应的具有自己特色的内容。须报 教务处备案。 六、书写格式要求： 1. 目录； 2. 内容提要须书写 200 左右汉字，开题报告（文科除外）的内容要根据不同专 业的课题任务要求，阐述查阅文献、文案论证、解题思路、工作步骤等； 综合成绩表（二） 3. 正文（含引言、结论等） ； 4. 参考文献（或资料） 承诺书 河南大学本科生毕业论文（设计、创作）承诺书河南大学本科生毕业论文（设计、创作）承诺书 论文题目论文题目汽车测距与制动系统 姓姓 名名所学专业所学专业 学学 号号完成时间完成时间 指导教师指导教师 姓名职称姓名职称 承诺内容：承诺内容： 1本毕业论文（设计、创作）是学生本毕业论文（设计、创作）是学生 在导师在导师 的指导下独立完成的，没有的指导下独立完成的，没有 抄袭、剽窃他人成果，没有请人代做，若在毕业论文（设计、创作）的各种检抄袭、剽窃他人成果，没有请人代做，若在毕业论文（设计、创作）的各种检 查、评比中被发现有以上行为，愿按学校有关规定接受处理，并承担相应的法查、评比中被发现有以上行为，愿按学校有关规定接受处理，并承担相应的法 律责任。律责任。 2学校有权保留并向上级有关部门送交本毕业论文（设计、创作）的复印件和学校有权保留并向上级有关部门送交本毕业论文（设计、创作）的复印件和 磁盘。磁盘。 备注： 学生签名：学生签名： 指导教师签名：指导教师签名： 2010 年年 月月 日日 2010 年年 月月 日日 说明：学生毕业论文（设计、创作）如有保密等要求，请在备注中明确，承诺 内容第 2 条即以备注为准。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第页 目 录 摘 要. ABSTRACT 第 1 章 绪 论.1 1.1 超声波的性质及参数1 1.1.1 超声波的应用1 1.1.2 超声波测距研究的可行性2 1.2 超声波测距原理2 1.3 课题研究的意义和目的.2 第 2 章 系统整体方案分析系统整体方案分析.4 2.1 多种方案的比较.4 2.2 设计方案的选定6 第 3 章 系统硬件设计.8 3.1 系统的构成及工作原理.8 3.2 超声波发射电路9 3.3 超声波接收电路10 3.4 主控制器12 3.5 LED 显示电路.13 3.6 直流稳压电源.14 3.7 单片机控制燃油喷射系统的硬件构成.15 第 4 章 系统软件的设计.18 4.1 汽车测距与制动系统的软件规划.18 4.2 主模块的程序设计18 4.3 超声波发射模块的设计20 4.4 超声波接收模块的设计21 4.5 距离计算模块的设计22 4.5.1 乘法子程序 24 4.5.2 除法子程序26 4.5.3 数码转换28 4.6 显示模块的设计.29 4.7 制动系统控制模块的设 计.29 河南大学本科毕业生学士学位论文 第页 结 论.31 参考文献.32 河南大学本科毕业生学士学位论文 第页 摘摘 要要 本文介绍一种基于 MCS-51 系列单片机的汽车测距与制动系统，该系统通过 超声波探头发出超声波，利用超声波探头进行接收，根据超声波在空气中传播 以及反射原理, 以超声波传感器为接口部件,利用超声波在空气中的时间差来测 量距离并使用高速单片机 MCS-51 进行计算距离，然后经过单片机处理，使用四 位 LED 数码管显示测距距离，可以直观地显示前车与后车之间的距离，并以此 来控制车速并提醒驾驶员注意保持车距与车速。 关键词关键词 超声波；MCS-51单片机；LED显示；车距测量 河南大学本科毕业生学士学位论文 第页 ABSTRACT This paper describes a microcontroller based on MCS-51 family of vehicles ranging and braking system, which sent through the ultrasonic probe ultrasound, used ultrasound probe receives, according to ultrasonic wave propagation in the air and the reflection principle, ultrasonic sensors to the interface components use of ultrasound in air to measure the distance of time difference and use high-speed microcontroller MCS-51 for calculating the distance, and then through the single chip processing, using four LED digital display ranging from the can directly to the show after the car before the car and the distance between and use it to control the speed and remind drivers pay attention to maintaining vehicle distance and vehicle speed. Keywords: Ultrasonic; MCS-51 microcontroller; LED display; Vehicle Distance Measurement 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 1 页 第第 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 超声波的性质及参数超声波的性质及参数 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发 生振动产生，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为 射线而定向传播等特点，具有指向性强、能量消耗缓慢、在介质中传播距离远 等特性。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中， 它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回 波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 超声波中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频 率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率越 高，测距越短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有 30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz 等。 1.1.11.1.1 超声波的应用超声波的应用 人耳最高只能感觉到大约20000Hz的声波，频率更高的声波就是超声波了。 超声波有三个特点，一个是能量大，二个是沿直线传播，三是传播速度低。它 的应用就是按照这三个特点展开的。 在工业领域，超声波应用于金属无损探伤、超声波焊接、超声波电镀、超 声波清洁设备、超声波测距、超声波测厚、超声波液位测量和超声波比重计等。 在交通、医疗卫生和银行中有超声波汽车倒车防撞报警、汽车轮胎漏气报 警、汽车防盗报警、铁路安全警示、铁路探伤、超声波诊断和治疗仪和银行自 动取款机系统中。 超声波传感器也广泛应用于家庭。如防盗警报系统、非接触式开关、自动 水龙头、洗手间自动冲水控制系统、灯具控制、防近视报警等。 例如渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声 波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了。这种仪器叫 做声纳。声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度具体 的来说就是探测与障碍物之间的距离。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 2 页 1.1.21.1.2 超声波测距研究的可行性超声波测距研究的可行性 本课题研究的是利用超声波在空气中的时间差来测量距离。由于超声波在 空气中的传播速度较慢，一般为 340m/s 左右，它具有频率较高，沿直线传播、 方向性好、绕射性小、穿透力强、传播速度慢等特点。超声波对液体和固体的 穿透力很强，尤其对在阳光下不透明的固体可穿透几十米的深度。超声波遇到 杂质或分界面会发生反射波，利用这一特性可构成超声波探伤仪或测距仪。这 使得超声波测距仪使用变得异常简单，而利用它去测量距离就不再困难了。综 上所述，利用 MCS-51 型单片机，超声波测距数字显示装置的课题研究是可行的。 1.21.2 超声波测距原理超声波测距原理 超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标 或障碍物后反射回来，反射波称为回声。其所经历的时间与超声波传播的路程 的远近有关，测试传输时间可以得出距离，只要从测量点某一时间发射超声波， 并测量该声波返回的时间即可实现测距。 假如S(m)表示物体之间的距离，测得的时间为T(s)，传播速度为V (ms) 表示，则有以下关系式： S=T·V2 (m) (1-1) 即：S=340· T2 (m) (1-2) 1.31.3 课题研究的意义和目的课题研究的意义和目的 在现实生活中，传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷， 例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过 给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解， 从而失去灵敏性。利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。在日常机场 保障与维护过程中，工程车、充气车、电源车、加油车等诸多车辆常常需要在 停机坪附近穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与飞机非常接近，驾 驶员的视野颇受限制，碰撞和拖挂飞机的事故时有发生，在夜航时则更显突出。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 3 页 为确保飞机安全，设计一种测距装置，通过空气传播超声波测出离障碍物的距 离。有效地提高飞机在保障和维护过程中的安全性和可靠性。目前市面上常见 的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得 在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。 在高速行驶的公路上， 车辆很容易造成追尾事故，原因主要是前后两车的 相对距离较近。当后车驾驶员发现情况，采取制动时已为时已晚。因为，当车 辆在高速行驶中制动时，制动距离与制动时的速度成正比，另外还需要加上后 车驾驶员的反应时间（设车辆的制动性能相同）所需要的距离。为了保证车辆 在高速行驶时的安全，驾驶员必须控制两车之间的安全距离。多少的制动距离 是安全的呢？一般在高速行驶时，主要靠驾驶员的经验。为了减少事故，这里 设计一种能自动检测两车的安全距离的装置，在小于或者等于安全距离时，车 辆能警告驾驶员并自动减少供油量，以达到增加车辆的距离。为解决这一系列 难题，设计基于 MCS-51 单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距和制 动系统。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 4 页 第第 2 章章 系统整体方案分析系统整体方案分析 2.12.1 多种方案的比较多种方案的比较 2.1.1 发射模块 方案一：利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生 40kHz 的超声波信 号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏 灵活性。 方案二：利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动 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， 但需要设计一个驱动电流为 100mA 以上的驱动电路。 2.1.2 接收模块 超声波接收器包括超声波接收探头，信号放大电路及波形变换电路三部分。 超声波接收探头必须采用与发射探头对应的型号(主要是频率要求一致，否则会 因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收)。由于经接收探头变换后的正 弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦信号不能直接被处理器接 收，因此最后必须进行波形变换。 方案一：采用集成锁相环 NE567 对放大后的信号进行频率监视和控制。一 旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由 RC 值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁 定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。 这种方法的特点是电路简单，但锁相环接收的频带较窄，不易锁相。 方案二：采用红外线检波接收的专用集成芯片 CX20106A，它常用于电视机 红外遥控接收器，由于红外遥控常用的 38kHz 载波与测距用的 40kHz 超声波接 近，当它没有接收到信号时输出为高电平，当它接收相近频率的信号时输出为 低电平。因此它可以用来作为超声波检测接收电路。这种方法的特点是不仅灵 敏度很高，抗干扰能力很强，而且还不需要放大电路，可使系统电路更为简洁、 调试更方便。 方案三：采用集成运放芯片（LM324）作为比较器对放大后的信号进行波形 变换。当输入信号的电压大于基准电压时，输出为“1”；当输入信号的电压小 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 5 页 于基准电压时，输出为“0”；这样就取到对输入信号进行变换的目的。这种方 法的特点是电路简单（主要是与放大电路共用一块芯片），但放大系数和选择 比较电压选择非常关键。调试起来有一定难度。 2.1.3 温度补偿 超声波测量距离的可用式（2-1）表示， （2-1） 式中 C 为超声波在空气中的传播速度，0时为 331m/s, 25时为 347m/s 其与环境温度 T（）的关系如式（2-2） （2-2） 由此可见，声速与温度有着密切关系，在应用中如果温度变化不大并且无 特殊要求，可认为声速基本不变的，否则必须进行温度补偿。 在硬件上，温度补偿主要采用测温电路来实现。它一般是由 DS18B20 测温 专用芯片来测定。得到的数据送到串行口，单片机就会根据温度变化将声速作 相应得处理；在软件上，温度补偿常有方法有以下两种： 方案一：每次先按照式（2-2）计算当时的声速 C，然后再按式（2-1）计 算距离。 方按二：根据当时的环境温度，查取特征温度值（声速表中最接近温度对 应的声速值）作为当前声速，然后按照式（2-1）进行距离计算。其特点是可采 用事先得到温度声速二维表，将之固化到系统程序中，然后直接使用查表法 得到声速值，这样程序实现比较简单，但精度没有方案一高。 方案三：忽略温度对超声波传播速度的影响，这样的系统应用于精确度要 求不是很高的测距系统。 另外，由于发射与反射之间存在一定的夹角 2 ，当 很小时，可直接按式 （2-1）计算距离；当 很大时，则必须进行距离修正，其修正公式为（2-3） 。 （2-3） 在式（2-3）倾角 与超声波发射装置和接收装置的安装位置有关，在 实际应用中应注意适当安装,减小方向角对装置的影响。 sc t 2 C331.40.61 T scos c t 2 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 6 页 2.1.4 显示模块：方案一: 采用 LED 数码管显示.其优点在于它能在低电压,小 电流的条件下发光,能与 CMOS,TTL 电路兼容;发光响应时间短( 0.1 秒),高 频特性好,单色性好,亮度高，体积小,抗冲击性能强等。.以上优势使得 LED 广泛运用于数字仪器、数控装置、计算机等显示部件中。 方案二: 采用 LCD 液晶显示。LCD 的工作电流比 LED 小几个数量级,故功耗 很低;尺寸小,厚度约为 LED 的 1/3;字迹清晰,美观,使用方便;编程简单,信息量 大。 2.1.5 电源模块 方案一: 采用电池(1.5V×2)。这样供电很简单,而且组成系统时,占用的空 间小;但供电的功率低,运行单片机系统的时候,因为其要求的电流较大,可能会 造成单片机程序跑飞,复位等异常现象,严重时会造成系统死机。 方案二: 采用主要由三端稳压片 LM7805 构成的电源。这种电源与前者相比 较为复杂,但是其带载能力明显强于前者,在单片机系统中得到了广泛的应用。 2.1.6 控制模块： 方案一：采用单片机控制燃油喷射系统，从而控制油量，在汽车距离小于 或等于安全距离时，达到汽车减速的目的。 方案二：采用单片机控制汽车电控自动变速器，在汽车距离小于或等于安 全距离时，达到汽车减速的目的。 2.22.2 设计方案的选定设计方案的选定 按照设计要求并根据以上分析，经综合考虑，测距仪的设计方案确定为以 ATMEL 公司生产的 89C51 作为系统的核心。具体描述如下: 2.2.1 超声波频率及探头的选用 超声波在空气中,频率越高,功率越大,精 度越高,但在空气中衰减越快;相反,频率越低,功率越小,空气中衰越慢,但误差 大. 综合考虑75 kHz、40 kHz、25 kHz ,取40 kHz 可以较好地解决这个矛盾。 为了便于超声波的发送和接收，本文采用共振频率为40 kHz的超声波探头，其 发射探头选用TCT40-12T,其对应的接收探头选用TCT40-12R。 2.2.2 超声波的产生 本系统采用方案二，用软件产生 40kHz 的超声波信 号。 2.2.3 超声波的接收 本系统采用方案二，这种方法比其它方案电路简单， 实现很方便。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 7 页 2.2.4 温度补偿 本系统采用方案三，这种方法对测量精度要求一般，实 现也很方便。 2.2.5 显示器的选用 本系统采用方案一,这种方法编程简单,应用广泛， 价格低廉，元器件容易购买，驱动电路容易实现，所以采用 LED 显示。 2.2.6 电源的选用 为提高测量范围,在发射部分要求的功率较大,而在接 收部分对其要求一般,所以本系统发射部分用的是由 LM7805 构成的稳压电源提 供 5V 供电。 2.2.7 控制器的选择 相比较，选择方案一单片机控制燃油喷射系统。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 8 页 第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 系统系统的构成及工作原理的构成及工作原理 本课题的汽车测距与制动系统主要由超声波发射器、接收器、主控制器、 LED显示电路、电源部分及单片机控制油量控制车距等几大部分构成 。如图3-1 所示。 下面我来给大家介绍下系统的工作原理：本系统采用的是定时器中断从P1 口产生40kHz的超声波信号，超声波传感器由74LS04组成的驱动电路实现一定功 率的超声波发射。定时器中断产生40kHz的超声波信号就可以通过超声波探头将 其发射出去，超声波遇见障碍物就反射回来，反射回来被超声波接收探头所接 收。但是由于超声波探头接收到的信号很微弱很小，所以还必须经过一个放大 电路进行放大，因为单片机不能直接接收这样的信号，所以最后再通过波形变 换电路将信号转换成单片机能接收的信号进行接收。单片机接收信号后关闭计 时器、禁止P1口工作，最后通过显示电路显示测量到的距离。LED数码显示一段 时间后将进行下一回合的测量。 在整个测量过程中由于电源电路提供能量才使得各模块电路在单片机的控 制下成功有序地完成一次距离测量。可见电源电路也是该系统不可缺少的一部 分，而且起非常重要的地位。 图 3-1 超声波测距仪的原理方框图 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 9 页 3.23.2 超声波发射电路超声波发射电路 超声波发射是由单片机软件设置程序从P1.0发出40KHz的方波信号，然后通 过74LS04组成驱动器驱动电路推动发射探头工作。其原理图如图3-2所示 图3-2 超声波发射驱动电路 从P1.0输出40KHz的方波信号，由于输出的方波信号驱动电流比较小，通过 74LS04组成的驱动电路实现较大功率的输出。其原理为当P1.0输出为高电平时 经过U4A反相输出到U4B、U4D，两个反相器并联输出高电平信号；另一路由P1.0 输出到U4C、U4E反相放大后为低电平。反过来，当P1.0为低电平时U4B、U4D输 出低电平，U4C、U4E输出高电平。R8、R9为上拉电阻实现输出功率补偿，当为 上正下负的时候有电流流过R8推动超声波传感器工作；当下正上负时R9有电流 流过传感器推动传感器工作，实现传感器比较大功率的工作。 超声波发射头采用开放式封装TCT40-12T超声波发射探头配对接收头为 TCT40-12R其接收灵敏度高适用于测距仪及其它超声波器件其参数如表3-1所示： 表 3-1 超声波发射和接收头参数 +5V R8 1K LS1 TX(F) R9 1K P1.0 12 U4A 74LS04 34 U4B 74LS04 56 U4C 74LS04 98 U4D 74LS04 1110 U4E 74LS04 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 10 页 器件 特性 发射头 器件 特性 接收头 中心频率400±10 kHz带宽(-6 dB)20 kHz 发射声压 at10V(0dB=0.02mPa)112dB 接收灵敏度 -65 dB min 6dB 指向角 70o 探测距离（m） 0.220m 外形尺寸 12mm 最大驱动电压 20 Vrms 探测距离（m） 0.2-20m 3.33.3 超声波接收电路超声波接收电路 超声波接收器主要由超声波接收探头和红外线检波接收集成电路两部分组 成。具体电路如下图3-3所示 LS4 RX(S) C10 3.3uF C9 473 R15 200K C17 3.3uF C6 330P R14 4.7 +5V +5V R16 220K C11 104 1 2 3 4 5 6 7 8 CX20106A J4 CX20106A 图3-3 超声波接收电路 CX20106A红外遥控接收器是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器， 即是红外遥控接收前置放大双极型集成电路。内部电路有前置放大器、自动偏 置电平控制电路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形 电路等组成。 CX20106A 是 CX20106 的改进，二者之间的主要差别在于电参数略有不同。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 11 页 CX20106A 采用单列 8 脚直插式，超小型封装，5V 供电。其内部方框图如图 3-4 所示，其引脚功能如下表 3-2 所示。 图332 CX20106A 内部方框图 图 3-4 CX20106A 内部结构 表 3-2 CX20106A 的引脚功能详表 超声波接收电路外部电路设计为： 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=3.3F。 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 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 12 页 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。 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 220k，没有接受信号是该端输出为高电平， 有信号时则产生下降。 8 脚：电源正极，4.55V。 超声波接收工作过程为：当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压 电晶片作振动，将机械能转化成电信号，即红外线检波接收集成芯片CX20106A 接到电信号后，对信号进行放大、限幅、滤波、检波比较、整形、滞后比较等 一系列处理后，对所接信号进行识别，若频率在40kHz左右，则输出低电平，否 则没有识别信号输出高电平。 3.43.4 主控制器主控制器 主控制器主要由单片机 MCS-51、时钟振荡器和复位电路三部分组成。设计 原理图如 3-5 所示，由于它是单片机工作的必要组成部分，所以又称为单片机 最小系统。主控制器是测距仪的控制中枢，也是整个系统的核心部分。主控制 器之所以这样重要是因为它在测距仪中发挥了三个作用：（1）控制超声波的发 射；（2）负责处理接收电路发出的信号；（3）时间转化成距离的数据处理。 综上所述，主控制器的正常工作是保证超声波测距仪成功测距的先决条件和基 础，单片机最小系统的设计虽简单但是很关键很重要。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 13 页 Y1 12MH Z EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 U5 8051 C25 20P C20 20P +5V S10 REST R32 10K RD WR P1.0 P1.1 C19 3.3uF +5V 图 3-5 主控制器系统电路图 3.53.5 LEDLED 显示电路显示电路 4 位数码扫描显示电路，其中每个数码管的 8 个段： dp、g、f、e、d、c、b、a（dp 是小数点）都连在一起，4 个数码管分别由 4 个 选通信号来选择。被选通的数码管显示数据。例如，在某一时刻，Q 2 为低电平， 其余选通信号为高电平，从单片机 P0 口输出显示的段码。这时仅 Q2 对应的数码 管显示来自段信号端的数据，而其它 3 个数码管呈现关闭状态。根据这种电路状 况，如果希望在 4 个数码管显示希望的数据，就必须使得 4 个选通信号 Q2、Q3、Q4、Q6 分别被单独选通，并在此同时，在段信号输入口加上希望在该 对应数码管上显示的数据，同样如此循环下去，在下一时刻又只让另一位玄同线 处于选通状态，而其他的位选通信号处于关闭状态，由于人眼有视觉暂留现象， 只要每位显示时间间隔足够短，则可造成多位同时亮的假象，达到显示的目的。 于是当选通信号的扫变频率大于 24Hz，就能实现扫描显示无闪烁现象。 LED 显示电路由单片机、段码驱动电路、四位 LED 数码管、位码驱动电路四 部分组成。其设计原理图如图 3-6 所示。 段码信号从 8051 单片机 P0 口输出，经过 74LS245 同相驱动器，驱动段码 信号送到数码管显示。位码信号从 P2.4-P2.7 口输出到由 9012 组成的位码驱动 电路。当 P2.4 为低电平时，P2.5-P2.7 为高电平，Q6 导通，也就是 DS4 这个数 码管选通，这是从 P0 口输出段码信号，就可以在 LED 上显示出来。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 14 页 图3-6 超声波测距仪显示模块 3.63.6 直流稳压电源直流稳压电源 本系统所需能源是由自制的集成直流稳压电源提供。它主要由整流滤波电 路和稳压电路所组成。如图3-7所示。 13 2 VV GND INOUT U778L05 D2 206 J3 POWER + C16 1000UF + C15 1000UF +5V D1 POWER-LE D R30 1k C8 104 C7 104 图3-7 超声波测距仪直流稳压电源 在这个系统中,因为在整个电路中分有发射电路和接收电路两个分离的部分 而接收部分采用 5V 电压供电。为得到+5V 由三端稳压集成块 L