【導(dǎo)讀】集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個。人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律。結(jié)果由本人承擔(dān)。能夠發(fā)送接收超聲波，并計算出相應(yīng)距離顯示在數(shù)碼管上；通過鍵盤或開關(guān)選擇測距和顯示溫度功能。到數(shù)碼管上；如按下顯示溫度鍵，可以將顯示當(dāng)前下溫度5s；距離檢測范圍，精度5cm，當(dāng)距離較近時能根據(jù)距離遠(yuǎn)近有對應(yīng)示警聲音。存在視覺盲區(qū)，無法看見車后的障礙物，司機(jī)在倒車時很容易刮傷汽車，甚至發(fā)生事故。統(tǒng)的可靠性高，能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前距離值。在距離比較危險時還能對駕駛員進(jìn)行聲音警報提示。設(shè)計一個超聲波倒車測距儀，實(shí)現(xiàn)超聲波測距并顯示。完成這項(xiàng)設(shè)計所采取的主要措施有兩條：一是密切聯(lián)系。聯(lián)系本組設(shè)計成員及畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)導(dǎo)師，尋求有關(guān)畢業(yè)設(shè)計信息，確定設(shè)計課題方向與設(shè)計內(nèi)容；二是虛心學(xué)習(xí)。[1]馮若．超聲手冊[M]．南京：南京大學(xué)出版社，2020.

　　

【正文】 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編 程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高 ，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn) 8 行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入， 由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 /EA/VPP ：當(dāng) /EA 保 持 低 電 平 時 ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲 器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 復(fù)位電路 本復(fù)位電路采用手動復(fù)位，在 Vcc和 RST端接一容量為 22uF左右的電解電容，其兩端并接一個輕觸按鈕（為限制按鈕按下時電容瞬間釋放的電流，避免產(chǎn)生火花，在按鈕一側(cè)串聯(lián)一個電阻），利用 RST內(nèi)部復(fù)位下拉電阻便構(gòu)成復(fù)位電路。其電路如圖 23所示。 圖 23 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 手動的好處在于能避免死機(jī)時關(guān)機(jī)復(fù)位。其復(fù)位過 程為：接通電源瞬間，電容上的電壓很小， RST端上的電壓接近電源電壓，在電容充電過程中， RST端電位逐漸下降，當(dāng) RST端電位小于某一數(shù)值后， CPU脫離復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)按鈕按下時，電容通過 R1放電，當(dāng)電容放完電后， RST端的電位由 R R2分壓比決定。由于R2 187。 R1，因此 SRT為高電平， CPU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，松 手后，電容 C3開始充電，RST端 電位下降， CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。 9 時鐘振蕩器 時鐘電路分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種。 在多機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)只作為一個功能模塊使用時，為了節(jié)省硬件和同意系統(tǒng)的時鐘 信號，常采用外時鐘源。內(nèi)部時鐘方式只需提供振蕩源，片內(nèi)的高增益反相放大器通過 X1 作為反饋元件的片外晶體振蕩器（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路工程一個自激振蕩器，向內(nèi)部時鐘電路提供振蕩時鐘，振蕩器的頻率取決于晶振的振蕩頻率，振蕩頻率可在 ~12MHz 之間任選，工程應(yīng)用時通常采用 6MHz 或 12MHz。 單片機(jī)外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器（ AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益的反相放大器）的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。 為便于 CPU 處理數(shù)據(jù)，讓計時器每計一次數(shù)就是 1us，振蕩器采用了 12MHz的石英晶體。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，這里電容使用 30pF177。 10pF。 超聲波發(fā)射接收電路 超聲波 發(fā)射 電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 24 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T40 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將 方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻 R R2 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。 圖 24 超聲波發(fā)射電路原理圖 10 超聲波接收電路 超聲波接收電路由超聲波傳感器、兩級放大電路和鎖相環(huán)電路組成。超聲波傳感器接收到的反射波信號非常微弱，兩級放大電路用于對傳感器接收到的信號進(jìn)行放大。鎖相環(huán)電路接收 到頻率符合要求的信號后向單片機(jī)發(fā)出中斷請求。鎖相環(huán) LM567 內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率為式 21 所示： )(10 CRf P? (21) 鎖定帶寬與 C3 有關(guān)。由于發(fā)送的超聲波頻率為 40kHz，幫調(diào)整相關(guān)元件使鎖相環(huán)的中心頻率為 40kHz， 只響應(yīng)該頻率的信號，避免了其他頻率信號的干擾。 當(dāng)超聲波傳感器接收到超聲波信號后，送入兩級放大器放大，放大后的信號進(jìn)入鎖相環(huán)檢波，如果頻率為 40kHz，則從 8腳發(fā) 出低電平中斷請求信號送單片機(jī) 端，單片機(jī)檢測到低電平后停止定時器的工作。超聲波接收電路如圖25 所示。 圖 25 超聲波接收電路 溫度檢測電路 在現(xiàn)實(shí)測距當(dāng)中，溫度對超聲波波速影響非常大， 根據(jù)超聲波速度 c與環(huán)境溫度 ? 的關(guān)系有經(jīng)驗(yàn)公式式 13， 所以溫度每變化 1℃ ，聲波的速度變化約為 /s。當(dāng)溫度從 0～ 40℃ 變化時，將會產(chǎn)生大約 7%的聲速變化。在超聲波測距儀中，把聲速作為一個標(biāo)準(zhǔn)量，為了獲得較精確的聲速，引入溫度補(bǔ)償是必要的，本文采用了 DS18B20進(jìn)行測溫。 DS18B20是 DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，電路連接非常簡單，但是必須保證時序與單片機(jī)嚴(yán)格同步。 DS18B20溫度測量范圍為 55 ℃ ～ +125℃ ，在 10℃ ～ +85℃ 范圍內(nèi)，精度為 177?！?。適應(yīng)電壓為3V～ 5V， 9～ 12位分辨率可調(diào) [9]。 DS18B20溫度傳感器有兩個晶振，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。低溫度系數(shù)晶振的震蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩率明顯改變，所產(chǎn)生信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入。計數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)制在 55攝氏度所 對應(yīng)的一個基數(shù)。計數(shù) 11 器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時，溫度寄存器的值將加 1攝氏度，計數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)至計數(shù)器 2計數(shù)到 0，停止溫度寄存器累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 實(shí)際測溫電路如圖 26所示，圖中 DS18B20管腳 2與單片機(jī) AT89C2051的 口相連，單片機(jī)通過它以串口數(shù)據(jù)傳送方式讀取測溫結(jié)果。 DS18B20利用單線控制信號在總線上與單片機(jī)進(jìn)行通信。由于所用設(shè)備通過漏極開路端 （ 2腳）連在總線上，因此控制線需要一個上拉電阻。 圖 26 溫度補(bǔ)償電路 其它 外圍電路 電源電路 電源電路如圖 27 所示。為方便起見，本設(shè)計采用的是 9V電池供電，直流電送入三端穩(wěn)壓器 LM7805穩(wěn)壓，輸出 +5V穩(wěn)恒直流電，作為電路的電源。 LED是電源指示燈，通電后發(fā)光。 圖 27 電源電路 報警電路設(shè)計 報警提示對汽車倒車測距儀來說是一個很重要的部分，其運(yùn)行好壞對駕駛員采取相應(yīng)的動作有著很大的指引作用。 倒車探測器在其偵測區(qū)內(nèi)檢測到障礙物時，擴(kuò)音器會 根據(jù)車與障礙物的距離發(fā)出警告聲。同時數(shù)碼管顯示相應(yīng)距離。這樣用戶不僅可以很快的判斷出障礙物的大概距離，還可以清楚的知道詳細(xì)距離。 12 本方案采用以下 3個頻率段進(jìn)行預(yù)警提示（通過軟件實(shí)現(xiàn)）： A段：測量距離 ≤ 50cm擴(kuò)音器則長鳴。 B段：測量距離為 50cm～ 100cm擴(kuò)音器以相應(yīng)較高的頻率的報警提示； C段：測量距離為 100cm～ 150cm擴(kuò)音器以相應(yīng)較低的頻率報警提示；距離大于 150cm報警器則關(guān)閉。 因此本方案采用典型的 555振蕩電路，通過單片機(jī)控制 555定時器的 4腳 (手動復(fù)位腳 )的電平來控制振蕩器的工作：高 電平時工作，低電平時停止。根據(jù)單片機(jī)控制 555電路測量結(jié)果，使報警電路發(fā)出不同長短報警聲。在揚(yáng)聲器發(fā)出報警聲時，時基電路 555 處于暫穩(wěn)態(tài)，此時電源向電容充電，從而使 555 結(jié)束暫穩(wěn)態(tài)回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)輸出低電平，使揚(yáng)聲器停止發(fā)出振蕩頻率為 800Hz報警聲。 根據(jù) 555 定時器原理， 輸出沖正脈寬度 如式 22 所示： t1=(R19+R17)C9 (22) 由電容 C9 充電時間決定； t2=(R17)C9 (23) 由電容 C9 放電時間決定，振蕩周期 T 則由兩式相加得來。 其振蕩頻率計算式為 ： f=1/T=(( R19+2R17)C9) (24) 為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生 800Hz 的報警聲，需要確定 R1 R1 C9 的值。根據(jù)頻率 等于周期的倒數(shù)， 經(jīng)過計算，確定 R19＝ 2K， R17=8K， C9=。 報警電路如圖28 所示。 圖 28 報警 電圖設(shè)計圖 顯示電路 顯示電路如圖 29，四位 LED 組成動態(tài)掃描電路，由 AT89C51 的 P0 口輸出。動態(tài)掃描時，由 P2口控制 LED的當(dāng)前顯示位。當(dāng)距離測量結(jié)束并調(diào)用顯示程序，就會顯示距離大小，顯示兩位小數(shù)。當(dāng)按下按鍵 k2 時，將會顯示溫度值，延時 5s 后恢復(fù)顯示距離值。 13 圖 29 顯示電路 本章小結(jié) 本章是論文的核心部分，主要闡述的是課題的系統(tǒng)硬件設(shè)計部分，其中包括系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、主控制器（ AT89C51 單片機(jī)的特點(diǎn)、時鐘振 蕩器、復(fù)位電路）、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路、報警電路和電源系統(tǒng)。通過這些系統(tǒng)的組合工作，實(shí)現(xiàn)測距儀的功能。 14 3 軟件設(shè)計 主程序流程 我們知道 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精細(xì)計算程序運(yùn)行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 因?yàn)楸驹O(shè)計對時間要求精度較高的部分全部由單片機(jī)內(nèi)部的定時器完成，而雖然溫度傳感器 的讀寫對時間精度要求也高，但經(jīng)詳細(xì)計算所得出的 C 程 序已被廣泛應(yīng)用，故直接借用已有程序也能作到對溫度的準(zhǔn)確讀取，所心本設(shè)計全部使用 C 語言編程，這樣能使設(shè)計中所用到的公式能方便快捷的體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)，又縮短了論文的篇幅。 軟件采用模塊化設(shè)計方法，由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷子程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成。 圖 31 為主程序流程圖。 系統(tǒng)上電后，首先系統(tǒng)初始化，不斷掃描按鍵 k1，若按鍵 k1 按下，則開始測量空氣溫度，然后將 置位，使定時器 T0 開始定時，控 制超聲波傳感器發(fā)出超聲波，同時使定時器 T1 開始定時。 CPU 循環(huán)檢測 引腳，當(dāng) 為低電平時接收到回波，立即使 T1 停止工作，保存定時器的計數(shù)值。 然后根據(jù)溫度和傳輸時間計算距離，溫度補(bǔ)償措施使測量精度有了明顯提高，計算出距離后調(diào)用距離顯示子程序， LED 顯示距離。警報模塊根據(jù)距離來判斷進(jìn)行何種聲音警報。 最后檢測按鍵 k2，若 k2 閉合，則調(diào)用 溫度顯示子程序， LED 顯示溫度（溫度并非測量距離時用于補(bǔ)償?shù)臏囟?，而是?dāng)前溫度） 5s 后恢復(fù) 顯示本次測量距離；若按鍵 k2 沒 有閉合，則顯示器恒定顯示最新一次