第1章课题及功能分析
本系统是基于单片机的测距系统设计。在本系统的设计当中，主要是应用单片机AT89C52控制超声波发射与接收，运用压电式超声波技术来实现基本测距的功能。
1.1 题目来源
本次毕业设计的题目是基于单片机的测距系统设计。在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。测距电路在人们的日常生活及工作中都有广泛的应用，可谓是源于生活，贴近生活，是和生活密不可分的。而在本测距系统的设计中主要应用超声波技术来实现测距的功能，我们知道，超声波是指频率大于20kHz的在弹性介质中产生的机械振荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点，因此常被用于非接触测距，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
超声波测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，所以将此技术应用到生活中可以节省很多人力、物力等资源，而且利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，在测量精度方面能达到日常使用的要求，大大提高了产品的性能及质量。此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。
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1.2 主要任务
本次毕业设计的任务比较明确，主要是测量超声波到反射物的距离，此设计中最关键的是计算从超声波发出到途中遇到障碍物反射回来的往返时间，然后利用有关参数根据距离计算公式算出所测距离，要求测距的范围是0.5到10米，所测到距离要能够实时显示，如果距离小于0.5米，将采用声光报警来提示用户。
1.3 功能分析
本次毕业设计的基于单片机的测距系统设计主要是应用超声波技术，以单片机系统为设计核心的控制系统，该系统要实现以下功能：
1．测距范围为0.5到10米；
2．数码管实时显示所测到的距离；
3．距离小于0.5米发生声光报警。
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第2章方案论证
2.1 系统设计要求
本设计要求设计一测距系统，测距的范围是0.5到10米，所测到距离要能够实时显示，如果距离小于0. 5米，将采用声光报警来提示用户。在设计当中以单片机为核心器件，形成相应的测距电路，信号处理电路及报警电路，自行编制单片机控制程序，并进行硬件调试、软件调试，最后进行软硬件联调，达到性能要求。
系统性能要求如下：
1．收发传感器均选用超声波传感器；
2．距离要求显示；
3．探测距离0.5m—10m；
4．工作温度-20—45℃。
2.2 系统方案论证
超声波测距原理是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S＝CT／2，式中的C为超声波波速。
限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射或接收的设计方法。
2.2.1方案1
本系统主要是基于单片机的测距系统，在系统的设计当中要以单片机为核心器件，分为超声波发射电路和超声波检测接收电路、显示及报警四部分。超声波测距电路的设计框图如图2.1所示：
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图2.1 超声波测距电路的设计框图
本方案采用单片机作为控制系统，用单片机产生8个40kHz 的超声波，脉冲持续时间为0.2ms 左右，时隔59.8ms 反复进行。此脉冲信号作为计时的起始脉冲，由单片机输出的端口的高频脉冲经过74LS04六反相器功率放大、升压后与超声波探头产生共振，使超声波探头工作，则超声波由超声波发射头发射出去。接收电路由超声波接收器、CX20106A 集成电路组成。使用CX20106A 集成电路对接收探头收到的信号进行放大、滤波。当CX20106A 接收到反射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，停止计数器T0计数，并读取T0计数值存储。显示用4位共阳极LED 数码管，声光报警是用发光二极管和蜂鸣器组成的，单片机输出一定频率的脉冲驱动蜂鸣器发出报警声，同时点亮发光二极管。系统中采用的是压电式超声波发生器，这个发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成。发射超声波时，压电传感器中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。接收超声波时，两电极间未外加电，共振板接收到超声波，将压迫压电晶片作振动将机械能转换为电信号。
2.2.2方案2
原理框图如图2.2所示。 74LS04反相器 CX20106A 集成电路 超声波发射器 超声波接收器
MCS-52 单 片
机
显
示
报
警
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图2.2 方案原理框图
本方案主要是对方案1的发射和接收电路做了改动，在本方案中的发射电路是由单片机I/O 口编程输出40kHz 的方波，持续时间为0.2ms ，每隔59.8ms 左右再发一次，常温下超声波在空气中的传播速度为340米/秒，这样决定了仪器的最大探测距离为m s m ms 2.102
/34060=*。直接由单片机产生40kHz 的超声波，在发射电路中，由于单片机的P1口作为I/O 口使用时吸电流能力小，所以外接一个三极管来提高其输出电流的能力，保证40kHz 的脉冲有一定的功率。在接收端方案二采用FPS4091接收组件，需要将红外接收管PH302换为超声波接收头。因为在距离较远时，回波信号很弱，使用此接收组件，可以在有效的测距范围内保证接收到的信号其输出达到TTL 电平避免了为达到几十万倍的放大量而采用多级运放组成的调试困难的高增益放大电路，十分便于制作，且电路无需调试。
2.2.3方案比较
通过分析上述两个方案，可以发现他们的主要区别在超声波的接收和发射部分，方案一的发射电路采用74LS04六反相器来驱动40kHz 的超声波，而方案二采用直接通过对单片机的编程由I/O 口直接产生40kHz 的超声波，方案一虽然增加了六反相器，但这能保证超声波一定能发射出去，提高驱动能力。在接收部分方案一采用CX20106A 集成电路，使用CX20106A 集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤 MCS-51 单 片 机 超声波发射器
显
示
报
警 超声波接收器
FPS4091接
收组件
波。当CX20106A接收到反射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，停止计数器T0计数，并读取T0计数值存储。而方案二采用FPS4091接收组件，结构虽然简单且不用调试，容易实现，但是大大的增加了投入费用，这与我们的实际情况不符，同时FPS4091接收组件在市场上不是很容易买到，尤其是小批量的购买很难。
2.2.4结论
通过方案比较，方案一更加节省资金，容易实现，与我们的实际情况相符，因此确定选择方案一为最终实施方案。
2.3 元器件的选择
在整个的系统设计当中，元器件的选择是否适合本设计的需求，对于系统设计的成功与否起着相当重要的作用，所以在系统的设计过程中，一定要慎重地选择所要用的元器件。在本系统中，单片机采用AT89C52，具有较高的数据存储空间；晶体振荡器采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差；超声波传感器选择T/R40-16（T发射/R接收）；LED七段数码管选用简单实用的四位LED 共阳数码管，位码采用PNP三极管8550驱动；超声波发射电路采用六反相器74LS04构成的推挽形式将方波信号加到超声波传感器两端，以提高超声波的发射强度；超声波检测接收电路主要采用CX20106A集成电路。
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第3章系统硬件电路的设计
本系统是利用超声波技术来实现其测距的功能，它不仅包含硬件电路的设计，也包含了软件程序的编程。下面就先以硬件电路的设计加以说明。
3.1 系统硬件电路的设计思想
本系统主要是用单片机来实现的测距电路的设计，按照设计的要求，主要是根据超声波测距原理，以AT89C52单片机控制系统为核心来设计本系统。
以下是对超声波测距系统的各部分电路的说明：
1、AT89C52单片机最小系统是本系统设计的核心部分。它的主要作用是：
①发射40kHz的方波信号用来驱动超声波传感器发生超声波信号；
②利用计数器T0对超声波从发射到返回所用的时间进行计数；
③利用外部中断0口来检测超声波回波信号；
④根据所测出的时间及有关参数来计算距离；
⑤控制有关参数的输入与显示。
2、显示电路的作用是采用动态扫描法使4位LED共阳数码管实时显示。
3、超声波发射电路的作用主要是将单片机发射过来的40kHz的方波信号放大加到超声波发射传感器两极，用以驱动超声波传感器发生超声波信号。
4、超声波检测接收电路的作用主要是对接收到的超声波回波进行放大和整形，将其转换成单片机中断信号。
5、声光报警电路的作用主要是根据有关参数及设计要求使系统按要求发出相应的报警信号。
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3.2 系统硬件电路的设计
本系统的硬件电路主要分为单片机最小系统、显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路及声光报警电路五部分。
3.2.1 单片机最小系统电路
单片机最小系统电路是整个硬件电路中非常重要的一部分。单片机系统主要起控制电路中的各部分能够按照设计要求正常工作的作用，在本电路中单片机采用AT89C52，采用了12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机AT89C52最小系统电路如图3.1
所示：
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1、单片机AT89C52
AT89C52是一种低功耗、高性能的含有8K字节快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造。芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C52的内部有256个字节的RAM，地址范围是00H-FFH，但实际提供给用户使用的只有128个字节（00H-7FH），另128个字节（80H-FFH）是特殊寄存器区。除ROM和RAM外，芯片内部还有三个16位的定时器/计数器，在本系统中定时器T0用来测量超声波的传输时间。51系
所示：
列单片机引脚与封装如图3.2
图3.2 51单片机引脚与封装图
AT89C52的主要性能如下：
⑴与MCS-52微控制器产品系列兼容；
⑵片内有8K字节的可在线重复编程快闪擦写存储芯器（Flash Memory）；
⑶编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给；
⑷存储器可循环写入/擦除1000次；
⑸存储数据保存时间为10年；
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⑹宽工作电压范围：Vcc可由2.7V到6V；
⑺全静态工作：可由0Hz到16MHz；
⑻程序存储器具有3级锁存保护；
⑼128×8位内部RAM；
⑽32条可编程I/O线；
⑾三个16位定时器/计时器；
⑿中断结构具有5个中断源和2个优先级；
⒀可编程全双工串行通道；
⒁空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。
2、时钟电路
常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式，本系统采用的是内部时钟方式。51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2.。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容。这里晶振的振荡频率为12MHz，电路中的电容C6、C7选为30pF。
3、复位电路
本系统设计是的上电自动复位电路，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，当电源接通时只要Vcc 的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
3.2.2显示电路
在本系统的显示电路的设计中主要采用的是4位共阳LED数码管，根据LED数码管内部发光二极管的连接方式，数码管结构可以分为共阳极型和共阴极型两种，共阳极型的内部发光二极管是由阳极连在一起接高电平。由于P0口输出电压很低，无法驱动数码管点亮，所以要加上拉电阻，一般选择10kΩ上拉电阻。同时数码管额定工作电压范围为1.2—1.5V，工作电流为10mA,要加限流电阻，根据公式：
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- 11 - 5 1.535010V V mA
-=Ω 所以此处限流电阻选择380Ω。显示电路如图3.3所示：
图3.3 显示电路
3.2.3超声波发射电路
超声波发射电路主要由六反相器74LS04组成的推挽电路和超声波发射传感器构成。超声波发射电路如图3.4所示。单片机P1.0端口向外输出超声波脉冲信号，该信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两极反相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，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。其中的上拉电阻R1、R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
图3.4 超声波发射电路
1、反相器
在本系统的超声波发射电路中采用的反相器是六反相器74LS04芯片，其引脚结构如图3.5所示：
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图3.5 芯片74LS04引脚结构
由其引脚结构可知， 7脚接地，14脚接电源，剩下12个管脚可分为六个反相器，其中A 为输入端，Y 为输出端，例如：1A 输入，1Y 输出。
2、超声波传感器
超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率通常在20Hz-20kHz 范围内，超过20kHz 称为超声波，低于20Hz 的称为次声波。常用的超声波频率为几十kHz-几十MHz 。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它的波形有纵波、横波、表面波三种。质点的振动与波的传播方向一致的波称为纵波；质点的振动与波的传播方向垂直的波称为横波；质点的振动介于纵波与之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。横波、表面波只能在固体中传播，纵波可在固体、液体及气体中传播。
2.1 传播速度
超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关。在液体中传播速度为 C=1/g pB 式中p 为介质的密度；g B 为绝对压缩系数。对于固体，其
传播速度为 C=(1)/[(1)(12)]E u p u u -+- 式中，E 为固体的弹性模量；u 为介质的泊松比。在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播
速度为C=331.5+0.607t (m/s)式中，t为环境温度，单位为0C。
2.2 反射和折射
超声波在通过两种不同介质时，会产生反射和折射现象，有如下的关系：
a b=C1/C2 式中C1、C2为超声波在两种介质中的速度；a为入射角，b为折射sin/sin
角。
2.3 传播中的衰减
随着超声波在介质中传播距离的增加，介质吸收能量使超声波强度有所衰减。若超声波进入介质的强度为I0，通过介质后的强度为I，则他们之间的关系为：I= I0e-Ad 式中，d为介质的厚度，A为介质对超声波能量的吸收系数。介质的密度越小，衰减越快，频率高时则衰减更快。因此，在空气中常采用频率较低的超声波，而在固体、液体中则采用频率较高的超声波。
利用超声波的特性，可做成各种传感器（包括超声波的发射和接收），配上不同的电路，可制成各种超声波仪器及装置，应用于工业生产、医疗、家电等行业中。
在本系统的设计中就是利用压电式超声波传感器，该超声波传感器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波传感器的内部结构如图3.6所示。超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成。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换能器了。同时要注意的是超声波发射换能器与接收换能器在其结构上稍有不同，在使用中一定要分清楚器件上的符号标志。
图3.6超声波传感器的内部结构
本系统所采用的是T/R40-16型超声波传感器。下面就对T/R40超声波传感器进
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行一些简单介绍：
⑴超声波传感器型号代码
例如T/R40-16型超声波传感器的型号代码如图3.7所示。
图3.7 T/R40-16型超声波传感器型号代码
⑵超声波传感器外部结构如图3.8所示。
图3.8超声波传感器的外形结构示意图
⑶超声波传感器内部结构如图3.9所示。
图3.9超声波传感器的内部结构示意图
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⑷超声波传感器的性能指标如表3.1所示。
要想很好地运用超声波传感器，还要了解它的各项性能指标，超声波传感器的性能指标如表3.1所示：
表3.1超声波传感器性能指标
超声波型号T/R40-10 T/R40-12 T/R40-16
中心频率40士1kHz 40士1kHz 40士1kHz
发射声压大于107dB 大于112dB 大于115dB
接收灵敏度>-74dB/v/ubar >-67dB/v/ubar >-64dB/v/ubar
-6dB指向100deg 80deg 50deg 电容1100士25%pF 2500士25%pF 2400士25%pF
⑸超声波传感器特性曲线
①声压电平特性曲线如图3.10所示。
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- 17 - 图3.10 声压电平特性曲线
② 灵敏度特性曲线如图3.11
所示。
图3.11 灵敏度特性曲线
由这些特性曲线图可知，T/R40超声波传感器在输入频率为40kHz时，各种特性都呈现出最佳状态，因此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的频率为40kHz。
3.2.4超声波检测接收电路
超声波检测接收电路主要是由红外线检波接收的专用芯片CX20106A以及超声波接收传感器R构成的，其电路图如图3.12所示。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，而且CX20106A的载波频率可以通过其5脚与电源所接的电阻大小调整到40kHz，所以可以利用它制作超声波检测接收电路。用CX20106A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。以集成片CX20106A的7脚做为指今输出端，利用单片机外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号；CX20106A的5脚与电源之间所接电阻R7的大小决定着它本身的带通滤波器的中心频率
f的大小，在本系统中选择R7的阻值为
200k ，此时的中心频率
f=40kHz；超声波接收传感器R接在CX20106A的1脚与
地所接电容C5的两端，根据测量范围要求不同，可适当更改接于超声波接收传感器R电极两端的电容C5的大小，以改变接收电路的接收灵敏度和抗干扰能力。
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图3.12 超声波检测接收电路
红外线检波的专用芯片CX20106A是8脚单列直插式塑封结构，其各引脚功能如表3.2所示，它的主要功能是对接收到的超声波信号进行放大、滤波。它主要是由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器（BPF）、峰值检波器和波形整形器等组成。其主要特点如下：
（1）低电压供电（Vcc=5V），低功耗（Vcc=5V时，典型功耗为9mV）。
（2）带通滤波器在集成电路内部，滤波特性由5脚和电源之间外接电阻的阻值来决定，可不必进行调整，带通滤波器的频率范围为30～60kHz，由于没有使用电感，可免受磁场的影响。
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- 20 - （3）能和PIN 光电二极管直接相连。
（4）集电极开路输出，能直接与TTL 或CMOS 电路相连。
表3.2 CX20106A 的各引脚功能 引脚
符号 功能 电压(V) 1
IN 信号输入端,输入阻抗为40±5 k Ω 2.5 2 C2 该脚和地之间接有RC 串联网络,用来确定前置放大器
的频率特性和增益.若电阻大、电容小,则增益低,反之
则高。但电容不易过大，否则瞬间响应速度会降低
2.5 3 C3 该脚和地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波；
若电容量小，则为峰值检波，瞬间响应灵敏度高，但检
波输出脉冲的脉宽变动大，易造成遥控误动作
1.5 4
GND 接地端 0 5 0f
该脚为带通滤波器的中心频率设置端，其与电源所接的
电阻用来设置带通滤波器的中心频率0f ：当R=200 k Ω
时，0f =40kHz ；
当R=220 k Ω时，0f =38kHz
1.4 6 C4 该脚为积分电容连接端，所接电容的标准值为330pF 。
若电容量大，则受外部噪波干扰增强，而且输出脉冲的
低电平持续时间增加，遥控距离变短
1.0 7 OUT 指令输出端,是集电极开路输出端,该脚与电源之间连
接22 k Ω电阻,输出脉冲的低电平标准为0.2V
5.0 8 Vcc 供电电源端,电压为5±0.3V 5.0
第37卷第4期应用科技 V o.l 37, .4 2010年4月 Appli ed Sc i ence and T echno l ogy A pr .2010 do :i 10.3969/.j issn .1009-671X.2010.04.003 基于单片机的机器人用红外测距仪系统设计 唐秦崴,瞿哲奕,朱熀秋 (江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013) 摘 要:针对机器人智能倒车防护的问题,提出了以单片机AT 89S52为控制核心,采用红外测距技术设计机器人用红外测距仪系统,由单片机处理环境信息,红外测距仪发出停车提示或直接执行停车,不需要驾驶员亲自根据信息作判断,具有显著的智能化.论文采用红外管和AT 89S52单片机,设计和制作了红外测距仪系统硬件电路,并且开发了相关软件.试验表明:研制的基于单片机的红外测距仪,机器人停车时距预期位置最大误差不超过4c m,工作可靠,性能良好,确保机器人倒车的智能性和稳定性.关键词:单片机;机器人;红外测距仪;系统设计 中图分类号:TP273.4 文献标识码:A 文章编号:1009-671X (2010)04-0011-04 Desi gn of i nfrared range fi nder syste m for a robot based on a si ngle chip m icroco mputer TANG Q in w e,i QU Zhe y,i Z HU Huang qiu (Schoo l of E lectrica l and In f o r m ati on Eng i neer i ng ,Jiangsu U niversit y ,Zhenjiang 212000,Ch i na) A bstract :A i m i n g at the proble m of r obot inte lligent par k i n g pr o tecti o n ,an i n frared range fi n der is designed by u sing the i n frared rang i n g techno logy for par k i n g syste m based on a si n g le ch ip m icr oco mputer AT89S52.The i n fra red range finder can send out par k i n g si g na lpro m ptly or execute parking directly .The driver does not need to j u dge infor m ati o n by h i m se l;f t h e i n for m ati o n is processed by a sing le ch i p m icroco m puter AT89S52,and t h e infrared range fi n der has disti n ct i n telli g ent f u nction.This paper i n troduces t h e soft w are and har dw are c ircuits o f an infrared range finder parking syste m ,w hich are designed and deve l o ped w it h an infrared tube and a si n g le ch i p m i c roco m puter .The experi m ental resu lts have shown that the i n frared range based on a si n g le chip m icroco m puter operates reliab l y and m easures exactl y ,having good perfor m ance w ith the m ax i m um error of no tm ore than 4c m,thus the robo ts 'i n telli g ence and stab ility are i n sured.K eywords :si n g l e ch i p m icroco m puter ;robo ;t i n frared range finder ;syste m desi g n 收稿日期:2009 12 03. 项目基金:国家高技术研究发展计划基金资助项目(2007AA04Z213);江苏省高等学校大学生实践创新训练计划基金资助项目(2008 297).作者简介:唐秦崴(1986 ),男,大学本科,主要研究方向:机器人编程及硬件制作,E m ai:l tqw86107@yahoo .co https://www.doczj.com/doc/0016670083.html, . 机器人智能倒车防护有利于机器人安全可靠运行.目前投入应用的机器人智能倒车防护技术主要有2种:一种是车载雷达(超声波技术)测距倒车防护 [1-4] ;一种是摄像头视觉防护 [5-6] .车载雷达测距 十分精确,智能化程度较高,但造价较为昂贵;摄像头视觉防护虽然可以让驾驶员实时获取身后的环境信息,但对距离的测量则仍需要外加其他设备的辅助,驾驶员仍然需要亲自通过肉眼判断身后的情况,智能化有所不足.基于红外管以及单片机技术的机器人用测距仪采用单片机独立处理环境信息并发出 停车提示或直接执行停车,不需要驾驶员亲自根据信息作判断,能够实现智能化防护提示或停车.采用的红外技术虽然在精准度上不及超声波技术,但对于机器人已经足够,并且对突然出现的行人的敏感度不亚于超声波技术,所以拥有同超声波技术同等的安全性.同时由于红外发射、接受装置以及使用的AT89S52单片机芯片成本低廉,本系统较雷达测距仪更易于商业推广.
一设计题目基于51单片机的超声波测距 二设计者 姓名班级学号组号 三、设计思路及框图、原理图 任务：以单片机为核心，设计并制作一超声波测距系统基本要求： 利用时间差测距，不考虑温度变化 用数码管显示测试结果 工作频率：450kHz 测距范围：0.5~10米 测试精度： 10% 发挥部分尽量增大测控范围，提高测试精度 1.系统的硬件结构设计 1.1. 超声波发生电路 发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的450kHz的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，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。 1.2超声波检测接收电路 采用集成电路CX20106A为超声波接收芯片。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电
容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 1.3 显示电路 显示电路主要由74ls273芯片驱动，用PNPC8550三级管进行位选，七段共阳极数码管显示。 2.系统的软件结构设计 设计思路 主程序中包括温度补偿子程序，计算子程序，显示子程序。采用汇编编程。首先进行系统初始化。其次利用循环产生4个40KHZ的方波，由输出口进行输出，并开始计时。第三等待中断，若超声波被接收探头捕捉到，那么通过中断可测得
测控技术与仪器专业课程设计报告 班级姓名学号起始时间 课程设计题目： 测控技术与仪器专业课程设计报告 摘 要：本文介绍了一种基于单片机的超声波测距仪的设计。详细给出了超声波测距仪的工作原理、超 声波发射电路和接受电路、测温电路、显示电路等硬件设计，以及相应的软件设计。设计中采用升压电路，提高了超声换能器的输出能力；采用红外接收芯片，减少了电路间相互干扰，提高了灵敏度;同时，考虑了环境温度对超声波测距的影响，采用温度传感器，提高了测量精度。该设计试验运行良好，系统结构简单、操作方便、价格低廉，具有广阔的推广前景。 关键字：超声波测距仪；超声波换能器；单片机；温度传感器 1 对题目的认识和理解 目前，常用的测距方法主要有毫米波测距、激光测距和超声波测距三种。超声波测距较前两种测距方法而言，具有指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小等特点，广泛应用于如井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。 超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45m/s ，由单片机负责计时，单片机使用12.0M 晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。 目前比较普遍的测距的原理是：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。 本设计选用频率为40kHZ 左右的超声波，它在空气中传播的效率最佳。由于超声波测距主要受温度影响较大，所以本设计增加了温度补偿电路。本设计具有电路简单、操作简便工作稳定可靠、测距精确和能耗小、成本低等特点，可实现无接触式测量，应用广泛。 1.1 超声波测距原理 超声波测距是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到回波就立即停止计时。根据计时器测出发射和接收回波的时间差t ，可以计算出发射点距障碍物的距离s ：2 = t c s ，其中t c 为超声波在空气中的传 播速度，它随温度的变化而变化，其变化关系如下：331.50.6=+t c T 式中T 为环境摄氏温度，可由温 度传感器获取。
基于单片机的超声测距系统 【摘要】：基于传统的方法在很多特殊场合：如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷，超声测距能很好的解决此类的问题。本论文主要对单片机超声测距系统的原理，单片机的使用等进行了分析：对超声波的发生电路和接受电路，DS18B20温度采集电路，LCD 显示电路。硬件制作和软件设计，对系统进行误差分析。 【关键字】：超声波测距，单片机，DS18B20温度补偿，LCD 显示，软件设计。 第一章 引言 1.1 单片机使用系统概述 单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式使用计算机系统。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。 嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的IT 使用之一。嵌入式系统的使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。现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被使用在国防、国名经济、以及人们生活的各个领域，主要可以归纳一下几个方面： （1）军事装备：各式武器控制（火炮控制、弹道控制、炮弹引信等），坦克、舰艇、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 、可视电视、洗衣机、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 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、手机、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、监护仪等，以及辅助诊断系统、专家系统等。 单片机使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、单片机使用系统开发环境、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1.1.1 设计步骤 在 线 调 试 软 硬 件 脱 机 运 行 安 装 调 试 制 作 P C B 板 设 计 单 元 电 路 总 体 方 案 设 计
武汉大学珞珈学院本科生毕业论文（设计）开题报告 论文题目：基于单片机的红外测距系统设计 系：电子信息科学系学号： 20100802041 姓名：钱源 一、论文选题的目的和意义 红外线是不可见光，是电磁波的一种形式，可以用来进行距离的测量，其应用历史可以追溯到上世纪60年代。现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用组件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。另外红外测距的应用越来越普遍。在很多领域都可以用到红外测距仪。红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。 红外测距的研究就非常有意义了。红外线测距仪指的就是激光红外线测距仪,红外测距仪----用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为1-5公里。在100米以内则超声波测距更有优势,但是超声波测距的距离一般无法测量1米以内,而红外测距则可以这一段距离的不足,而且有着不错的精度,在本课题中研究的就是这一类情况的红外线测距。 二、国内外关于该论题的研究现状和发展趋势 （1）国内： 根据《国内近年来红外光电测距仪的发展情况》，随着国家对外开放政策的实施和测量工作的需要,近年来国内一些光学仪器厂和电子仪器厂分别从瑞典、瑞士和日本等国引进几种红外测距仪组装线,组装测距仪,我国有关工厂和院校近年来也研制出一些产品。由于微处理机在国产测距仪上的应用,大大缩小了仪器的体积,同时也减少了出故障的几率,使得国产测距仪的性能和质量都较过去有很大的提高。在国家“六·五”计划攻关中,常州第二电子仪器厂研制的DCHZ 型多功能红外测距仪就是一个很好的例证。该产品经国家测绘局测绘科学研究所光电测距仪检测巾心进行全面质量鉴定后认为:该仪器外型美观、体积小、重量
武汉大学珞珈学院毕业论文 基于单片机的红外测距系统设计
摘要 现代科学技术的发展，进入了很多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外光测距。为了实现物体近距离、高精度的无线测量而采用了红外发射接收模块作为距离传感器，单片机作为处理器，编写A/D转换和显示程序，完成了一套便推式的红外距离测量系统，系统可以高精度的实时显示所测的距离，本系统结构简单可靠、体积小、测量精度高、方便使用。 红外测距的探测距离较短，一般在几十厘米之内，本文介绍的一种基于AT89C52单片机设计的红外测距仪，可以测量距离。 首先，在绪论中，介绍了红外线及红外传感器的分类和应用、AT89C52单片机的应用与说明以及MCP3001芯片的简介。其次，阐述了与红外测距的工作原理基本结构，对红外测距传感器也做了详细说明。再次，介绍了红外测距的硬件设计和软件设计。 在硬件设计中，介绍了红外测距实现的构想，给出红外测距硬件电路原理图，并说明了红外测距传感器、键盘、A/D转换电路、LCD显示电路工作原理及AT89C52单片机的管脚分配。在软件设计中，说明了整个程序流程及各程序设计的函数。最后，是对整个设计的结论，说明了红外测距实现的可行性。 关键词：红外测距 A/D转换实时显示红外线单片机
目录 第1章绪论 (1) 1.1 课题研究的背景和意义 (1) 1.2 本课题研究的热点及发展现状 (2) 1.3 本课题研究的目的 (2) 1.4 本课题研究的内容 (3) 第2章红外测距的工作原理与基本结构 (4) 2.1.方案及设计思想： (4) 2.2 红外测距系统的基本结构 (5) 第3章红外测距的硬件设计 (6) 3.1红外收发模块 (6) 3.2 A/D转换模块 (7) 3.3 LCD显示模块 (10) 3.4 AT89C52单片机概述 (11) 3.5整个红外测距系统显示 (13) 第4章红外测距的软件设计 (15) 4.1 程序流程图 (15) 第5章系统软硬件调试 (17) 5.1 硬件调试 (17) 5.2 软件调试 (17) 5.3测试结果绘图 (17) 5.4 调试中遇到的问题 (19) 结论 (20) 参考文献 (21) 附录 (1) 后记 (29)
中北大学 毕业设计开题报告 学生姓名：学号： 学院、系：信息与通信工程学院 专业：通信工程 设计题目：基于单片机的超声测距仪设计 指导教师:丁永红 2012年 3 月10日
毕业设计开题报告 1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文献综述 1、课题研究目的意义 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域[1]。 超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力[2]。因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点[3]。 超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波。它在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，可解决超长度的测量[4]。 超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性、反射、折射、干涉、衍射、散射与物理紧密联系，应用灵活。并且更适合与高温、高粉尘、高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。
基于单片机的超声波测距仪设计
基于单片机的超声波测距仪设计 1总体设计方案介绍 1.1超声波测距原理 发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v 与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。 表1-1 超声波波速与温度的关系表 表1-1 1.2超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED
显示。 图1-1 超声波测距仪原理框图 2 系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 2.1.1 51系列单片机的功能特点 5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：IP0，
基于单片机的超声波测距系统实验报告
一、实验目的 1.了解超声波测距原理； 2.根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路； 3.对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用 超声波方法测量物体间的距离； 4.以数字的形式显示所测量的距离； 5.用蜂鸣器和发光二极管实现报警功能。 二、实验容 1.认真研究有关理论知识并大量查阅相关资料，确定系统的总体设计方案，设计出系 统框图； 2.决定各项参数所需要的硬件设施，完成电路的理论分析和电路模型构造。 3.对各单元模块进行调试与验证； 4.对单元模块进行整合，整体调试； 5.完成原理图设计和硬件制作； 6.编写程序和整体调试电路； 7.写出实验报告并交于老师验收。 三、实验原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理，单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号,经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入,锁相环对此信号锁定,产生锁定信号启动单片机中断程序,得出时间t,再由系统软件对其进行计算、判别后,相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。 （一）超声波模块原理： 超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。实物如下图1。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。
本科生毕业设计基于单片机的激光测距 院系电气信息工程学院 专业电子信息工程 班级 学号 学生姓名 联系方式 指导教师职称： 2011年 5 月
独创性声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 年月日 授权声明 本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即：有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。 本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）： 签名： 年月日 指导教师签名： 年月日
激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，所以，利用激光传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，激光测距是目前应用最普遍的一种，本课题介绍了激光传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT87C51单片机的性能和特点，并在分析了激光测距的原理基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT87C51单片机为核心的低成本，高精度。微型化数字显示激光测距的硬件电路和软件设计方法，该系统设计合理，工作稳定，能量良好，检测速度快，计算简单。易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业应用的要求。 关键字：激光；测距；单片机 ABSTRACT Laser possesses high brightness, high directional, high monochromatic and high coherence wait for an advantage, therefore, by using laser sensor technology and automatic control technology in combination of measurement program, laser range is most broadly applied , the subject of laser sensors is introduced, and the principle and characteristics of single chip AT87C51 Atmel company performance and characteristics, and analyzes the principle of laser range finder, points out the basis of ideas and design ranging system needed consider the question, given a AT87C51 singlechip is low cost, high precision. Miniaturization digital display laser ranging hardware circuit and software design method, the system design is reasonable, stable work, energy, detection speed, good simple calculation. Easy to achieve real-time control, and the precision in measurement can reach the request of industrial applications. Key word: laser; ranging; microcontroller
北京联合大学应用科技学院 实训报告 基于单片机的红外测距系统设计 系别电子 专业电子信息工程技术 年级12级02班 组长：张祎楠2012191294068 组员：殷跃2012191294070 白雨童2012191294063
目录 第1章绪论 (1) 1.1 本课题研究的目的 (1) 1.2 本课题研究的内容 (1) 13整个红外测距系统显示 (4) 第2章红外测距的软件设计 (5) 后记 (6)
第1章绪论 1.3 本课题研究的目的 我们所进行的课题便是做一个简易的，精确的，近距离的距离检测仪，这也是对我们所学知识的一种考验方法，从中我们可以更系统的认识单片机，了解AD转换和红外收发模块。 1.4 本课题研究的内容 红外传感器的测距基本原理为：红外发射电路的红外发光管发出红外光，红外接收电路的光敏接收管接收发射光，根据发射光的强弱判断出所测的距离。由于接收管接收的光强度是随着发光管与测量物的距离变化而变化的，因而，与测量物的距离近则接收光强，距离远则接收光弱。 具体方法如图1所示，红外模块发出并接收到红外线信号；AD转换模块将接收到的模拟信号转换成数字信号再交给单片机, 启动单片机中断程序,此时单片机得到数字信号也就是电压值,再由软件进行判别、计算，得出距离数并送给LED/LCD显示。 红外模块 电压距离公式 AD模块 单片机 显示模块 图1.1 反射能量法原理
图3.7 protues中整体系统 单片机AT89C52左端分别接了时钟电路和复位电路，这是单片机最小的系统。XTAL1和XTAL2串连一个晶振，并且分别接上一个20p的电容，两个电容另一端都接地，构成时钟电路。RST同时接上100p电容，4脚按键，1k电阻，4脚按键另一端接上一个1k电阻再与100p电容并联接VCC，1k电阻另一端则接地，构成复位电路。 单片机AT89C52右端P0端同时接LED的D1-D7端口和排阻，P2.0接CLK，P2.1接DO，P2.2接CS，P2.5接E，P2.6接RW，P2.7接RS。 MCP3001的VREF接vcc，IN+接红外距离传感器的Vo。 软件程序 #include
一设计要求 （1）设计一个以单片机为核心的超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、工业现场的位置监控； （2）测量范围在0.50～4.00m，测量精度1cm； （3）测量时与被测物无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。 二超声波测距系统电路总体设计方案 本系统硬件部分由AT89S52控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、声音报警电路和LCD显示电路组成。汽车行进时LCD显示环境温度，当倒车时，发射和接收电路工作，经过AT89S52数据处理将距离也显示到LCD 上，如果距离小于设定值时，报警电路会鸣叫，提醒司机注意车距。超声波测距器的系统框图如下图所示： 图5 系统设计总框图 由单片机AT89S52编程产生10us以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的
时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。 由时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。 图6 时序图 三超声波发射和接收电路的设计 分立元件构成的发射和接收电路容易受到外界的干扰，体积和功耗也比较大。而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以优先采用集成电路来设计收发电路。 3．1 超声波发射电路 超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分，可采用软件发生法和硬件方法产生超声波。在超声波的发射电路的设计中，我们采用电路结构简单的集成电路构成发射电路：
基于STM32的红外测距系统设计 摘要 随着现代科学技术的发展，出现了很多新的领域，为了实现对物体近距离、高精度的无线测量，本论文对红外测距领域进行了研究。本论文采用单片机作为处理器，编写A/D转换程序及LCD显示程序，红外传感器作为工作模块，完成一套高精度显示、实时测量的红外测距系统。本系统结构简单、体积小、测量精度高、成本低、方便使用。 本论文所介绍的是一种基于STM32单片机并运用日本夏普公司型号为GP2Y0A21的红外传感器所设计的红外测距系统。首先，介绍红外线及红外传感器的分类及应用、STM32单片机的简介与功能；其次，阐述红外测距系统工作原理及基本结构并对单片机、红外传感器、LCD液晶显示屏的工作电路做了介绍；再次，对系统进行了整体设计构想，先后对系统硬件及软件进行设计，并对整个系统的功能进行了调试。最后对整个设计进行总结，说明红外测距系统实现的可行性。 关键词红外测距；单片机；A/D转换；LCD
STM32-based infrared ranging system design Abstract With the development of modern science and technology, there are many new areas, in order to achieve the object close range, high-precision wireless measurement，this topic of infrared ranging is studied. This topic using SCM as the processor, to write A/D converter and LCD display program, an infrared sensor as a working module, complete set of precision display, real-time measurement of infrared ranging system. This system has the advantages of simple structure, small size and high accuracy, low cost and convenient use. This paper introduced is based STM32 microcontroller and use of Japan's Sharp Corporation model GP2Y0A21 infrared sensor designed infrared ranging system. Firstly, introduce the classification and application of infrared distance measurement，it also introduces the function of STM32 microcontroller. Then illustrate the work theory and basic structure of it and introduce the LCD screen and work circuit. Again, the system has carried on the overall design idea, successively on the system hardware and software design, and probes into the function of the whole system debugging. Finally, summarize the entire design to illustrate the feasibility of infrared distance measurement. Keywords Infrared range, SCM, A/D converter, LCD
基于单片机的超声波测距系统的研究与设计 发表时间：2010-05-26T14:50:36.437Z 来源：《赤子》2010年第2期供稿作者：贾岩孙彩英 [导读] 随着汽车的日益普及，停车场越来越拥堵，车辆常常需要在停车场穿行，掉头或倒车 贾岩孙彩英（哈尔滨学院，黑龙江哈尔滨 150000） 摘要：简析超声波测踞原理，探讨基于单片机的超声波测距系统的研究与设计。 关键词：单片机；超声波；测距 随着汽车的日益普及，停车场越来越拥堵，车辆常常需要在停车场穿行，掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与其他车辆非常的接近，司机的视野也颇受限制，碰撞与拖挂的事故经常发生，在夜间时则更加显著。为了确保汽车的安全，现介绍一种超声波测距离的报警装置，可有效的避免此类事故的发生。 1 超声波测距原理 超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它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，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，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是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，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返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。 假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t/s，超声波传播速度为v/m·s-1表示，则有关系式（1） s=vt/2（1） 在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式（2）对超声波传播速度加以修正，以减小误差。 v=331.4+0.607T（2） 式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。 2 系统结构 本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。 3 超声波发射电路 在本系统中采用的超声传感器是一种开发型的，固有频率为40Khz。超声波发射电路如。 该电路采用由双非门组成的三点RC振荡电路，频率为40Khz，与非门A是超声波发射控制门，振荡器的振荡信号经4049放大后可直接推动超声波发射探头。二极管D1，D2起限制电压的作用，电容C1用于隔离直流。 4 超声波接收电路 超声波接收电路由以MC3403为核心的三级滤波放大电路和二极管的倍压稳流电路等组成。处理好的回波信号被送到ARM的A/D转换模块进行A/D采样，从而触发得到返回的时间。德州仪器公司的MC3403的具体引脚配置。 5 声光报警电路 声光报警电路AP8821来完成。AP8821是API型21秒一次性编程语音芯片。它具有高质量的录音功能，采用ADPCM制，声音信息存储在512K的EPROM中，6K取样频率能存储21秒的声音数据。AP8821避免采用复杂的电路，但是能录制出不同的声音。它的声音可以根据需要分14段录制，分段组合可达到长时间录音，效果并不是简单的音符曲调。而是极其逼真的话语或模拟声音。AP8821有两个PWM引脚，VOUT1与VOUT2直接驱动喇叭或蜂鸣器，电流输出引脚VOUT。通过一个NPN晶体管来驱动喇叭或蜂鸣器，不需要复杂的滤波和放大电路。具有自动平滑功能，在放音结束时消除噪音。 6 LCD显示部分 本设计显示部分采用字符型TC1602液晶显示所测距离值。TC1602显示的容量为2行16个字。液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，与数码管相比，显得更专业、美观。 7 超声波汽车倒车防撞系统的软件设计 超声波传感器安装在汽车的尾部，其接收和发射传感器距离较近，之间容易有较强的干扰信号。为防止误测现象，在软件上采用延迟接收技术，一次提高系统的抗干扰能力。 系统软件设计采用模块化设计，主要包括主程序设计、T1中断服务子程序、INT0外部中断服务子程序、测温子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序和报警子程序设计等。 系统软件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时器和外部中断引脚的分配和使用。定时器T1，T0均工作在工作方式1，为16位计数，T1定时器被用来开启一次测距过程以它的溢出为标志开始一个发射测量循环，T0定时器是用来计算脉冲往返时间，它们的初值均设为0。 系统初始化后就启动定时器T1从0开始计数，此时主程序进入等待，当到达65 ms时T1溢出进入T1中断服务子程序；在T1中断服务子程序中将启动一次新的超声波发射，同时开启定时器T0计时，为了避免直射波的绕射，需要延迟1 ms后再开INT0中断允许；INT0中断允许打开后，将提出中断请求进入INT0中断服务子程序，在INT0中断服务子程序中将停止定时器T0计时，读取定时器T0时间值到相应的存储区，同时设置接收成功标志；主程序一旦检测到接收成功标志，将调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速，存储到RAM存储单元中；单片机再调用距离计算子程序进行计算，计算出传感器到目标物体之间的距离；此后主程序调用显示子程序进行显示；若超过设定的最小报警距离还将启动扬声器报警；当一次发射、接收、显示的过程完成后，系统将延迟100ms重新让T1置初值，再次启动T1以溢出，进入下一次测距。如果由于障碍物过远，超出量程，以致在T0溢出时尚未接收到回波，则显示“ERROR”重新回到
基于51单片机超声波测距器设计 摘要超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量X围在0.10-5.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。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，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 关键词单片机AT82S51超声波传感器测量距离 一、设计要求 设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量X 围在0.10-3.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。 二、设计思路 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超
声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，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，超声波测距器的系统框图如下图所示：