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1、题 目：超声波物位传感器之硬件设计专 业： 本 科 生： （签名）指导教师： （签名）摘 要随着国家对煤矿安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国矿井基本上都安装了安全监测监控系统，大大提高了矿井安全生产水平。物位传感器为煤矿安全监控系统提供实时物位数据，具有很重要的作用。本文介绍了一种基于STC89C52单片机的超声波测距系统。由STC89C52单片机、超声波传感器模块、电源模块和LCD液晶显示模块构成了该系统的硬件部分。阐述了超声波测距系统的硬件电路构成及工作原理。该系统硬件结构简单、工作可靠，有良好的测量精度。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。超声波具有指向
2、性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点。利用超声波测距具有反应迅速、方便简单、易于实现实时控制等优点，并且，通过实验验证，在测量精度方面能达到工业实用的要求，在煤矿安全监测监控系统中的应用具有重要的现实意义。关键词：超声波，测距，STC89C52，LCDSubject :The ultasonic thing location of the sensor design of hardwareSpecialty :AutomationName :Wang Peng (Signature)Instructor: Guo Xiu Cai (Signature)ABSTRACTWith th
3、e state coal mine safety production requirements and continuously improve their own development needs, Chinas mines are basically installed a security monitoring and control system, greatly improved the level of mine safety. Level sensor for the coal mine safety monitoring system provides real-time
4、object-bit data, play a very important role.The article introduces a microcomputer-based ultrasonic ranging system STC89C52. The system hardware includes the STC89C52 microcontroller, ultrasonic sensor module, power module and LCD liquid crystal display modules. Ultrasonic ranging system described h
5、ardware circuitry and how it works. The system hardware structure is simple, reliable, good accuracy. Measurement without direct contact with the measured object, can clearly show stable measurement results.Ultrasound has characters as strong point, low power consumption, slow propagation in the med
6、ium distance and so on Using ultrasonic ranging is responsive, convenient and simple, easy-to-real-time control advantages. And the experiments verify the accuracy of practical measures to achieve the requirements of industry in the coal mine safety monitoring system has important practical signific
7、ance.KEY WORDS：Ultrasonic sensors,Range finder,STC89C52,LCD目 录前 言III1 绪 论11.1 课 题 研 究 的 背 景 及 意 义11.1.1 课题背景介绍11.1.2 研究的目的和意义21.2 超 声 波 测 距 的 优 点 及 国 内 外 发 展 情 况21.2.1 超声波测距的优点21.2.2 国内外发展情况22 方 案 论 证42.1 超 声 波 测 距 原 理42.1.1 超声波的性质42.1.2 超声波传感器42.1.3 超声波测距原理92.2 系 统 工 作 原 理102.3 系 统 方 案 论 证112.3.1 系
8、统方案一112.3.2 系统方案二113 系 统 硬 件 电 路 的 设 计133.1 系 统 芯 片 介 绍133.1.1 STC89C52单片机133.1.1.1 STC89C52单片机外部接口143.1.1.2 STC89C52单片机内部结构173.1.1.3 单片机最小系统203.1.2 MAX232213.1.3 LCD1602223.1.4 三端稳压芯片7805243.2 控 制 模 块243.3 通 信 模 块253.3.1 RS232简介253.3.2 通信模块硬件电路263.4 显 示 模 块293.4.1 液晶显示器293.4.2 STC89C52与LCD1602的硬件电路
9、：303.5 超 声 波 模 块 DYP-ME007303.6 电 源 模 块324 电 路 调 试 及 误 差 分 析344.1 电 路 调 试344.2 系 统 的 误 差 分 析354.2.1 声速引起的误差354.2.2 单片机时间分辨率的影响364.2.3 发射接收时间对测量精度的影响分析375 结 论386 致 谢39论 文 小 结40参 考 文 献42附 录43附录一43附录二44附录三45前 言煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。煤炭因为储量巨大已成为人类生产生活中的无法替代的能源。然而，在煤矿生产的过程中存在很多安全性问题。自20
10、00年以来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高，我国各大、中、小煤矿陆续装备了矿井安全监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。煤矿安全监测监控系统是建立在各种矿用传感器之上的。传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术和产品。本文介绍了一种基于STC89C52单片机的超声波物位测距传感器。超声波物位传感器是一种用来测量煤仓料位、堆煤检测、传送机物流等的测距传感器，它为安全监测监控系统提供实时的测距值。利用超声波测距具有反应迅速、方便简单、易于做到实时控制等特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，在煤矿安全检测监控系统
11、中得到了广泛的应用。超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点。所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、移动机器人、海洋测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，介绍了STC89C52单片机的基本结构、性能及特点。并在分析了超声波测距原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化液晶显示超声波测距仪的硬件电路。本设计利用了发射接收一体化的超声波传感器模块和微处理器。采用超声波传感器分
12、时工作于发射和接收，利用声波在空气中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到超声波测距器之间的距离。在本设计中STC89C52单片机、电源模块、LCD液晶显示器和超声波传感器模块构成了该系统的硬件部分。本系统的硬件电路结构比较简单、工作可靠度高、性能良好、检测速度快、计算简单、可控性强、测量精度较高，能够达到行业要求。测量范围可达5米。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。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数。因此，测距就成为数据采集中要解决的一个问题。尽管测距有多种方式，比如激光测距，微波测距，红外线测距等。但是，超声波测距不失为一种简单可行的方法
13、。本文介绍的电路，成本低廉，性能可靠，所用元件容易购得，并且利用测距原理，结合单片机的数据处理，使测量精度提高，电路实现容易，无须调试，工作稳定可靠。为距离测量提出了一种新的思路，为传感器设计提供了新方法。1 绪 论1.1 课 题 研 究 的 背 景 及 意 义1.1.1 课题背景介绍煤炭作为工业发展的重要能源，在国民经济发展中起着非常重要的作用。2002年我国拥有煤炭生产企业约2.6万家，其中有23000多个小煤矿。2005年，全国共有国有重点煤矿769处，生产原煤10亿吨；国有地方煤矿1763处，3万吨以上矿井1544处，生产原煤3亿吨；乡镇煤矿2.1万余处，生产原煤8.9亿吨。截止200
14、7年底，大陆煤炭产业具有一定规模的企业数量已经达到6770余家，有1300个县(市)生产煤炭，重点产煤县480余个，矿井数量仍高达10000余处。煤炭作为基础性能源，其下游消费者众多。按产业来分，其消费遍及农业、工业和第三产业，其中工业是煤炭的主要消费领域，可以说煤炭是工业的“粮食”。1990年以来，随着工业经济的迅速发展，其煤炭需求比重也呈现出逐年上升趋势，1990年大陆工业煤炭消费占总消费的76.85%，到了2005年该数值已攀升至93.48%。我国煤炭资源丰富，但地质条件恶劣，地质构造复杂，47%的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井，致使煤矿生产中的安全问题复杂化。而且，随着采掘深度的加大以及
15、高产高效矿井的发展，煤矿又面临着许多新的安全技术问题。随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需求，煤矿安全监测监控系统得到了普遍应用。煤矿安全监控系统是指对煤矿的瓦斯、料位、风速、一氧化碳、烟雾、温度等环境参数和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控制，用计算机分析处理并取得数据的一种系统。系统的装备能够大大提高矿井安全生产水平和安全生产管理效率。随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，物位测量问题显得越来越重要。国外煤矿监测监控技术是20世纪60年代开始发展起来的，至今已经有四代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输发生的进步来划
16、分监控系统发展阶段的。分别是信道空分制、频分制、时分制、分布式微处理机传输四个阶段。我国监测监控技术应用较晚，20世纪80年代初研制了KJ2、KJ4、KJ8、等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。煤矿监测监控系统向着更高的自动化程度发展。开发全面的专家系统，研制高可靠性、品种齐全的矿用传感器，合理的规范通信协议，实现全面化的网络管理将是煤矿监测监控系统未来的发展趋势。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000
17、和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。1.1.2 研究的目的和意义由于超声波的指向性强，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位置的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测比较迅速且易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。物位探测传感器在煤矿监测监控系统中得到了广泛的运用。它是监测监控系统中的基础组成部分。物位测量数据可
18、为监控系统提供准确的距离值，是监测监控实现的基本条件。超声波物位传感器具有迅速、简单、计算方便、准确度高等特点，非常适用于煤矿监测监控系统。因此，超声波物位传感器的设计具有很高的实用价值。1.2 超 声 波 测 距 的 优 点 及 国 内 外 发 展 情 况1.2.1 超声波测距的优点目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体）。（2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。（3）超声波传感器结
19、构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。1.2.2 国内外发展情况一般认为，关于超声的研究最初起始于1876年F1Galton的气哨实验。当时Galton在空气中产生的频率达300KHz，这是人类首次有效产生的高频声波。而科学技术的发展往往与一些偶然的历史事件相联系。对超声波的研究起到极大推动作用的是，1912年豪华客轮Titanic号在首航中碰撞冰山后的沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家们提出用声学方法来预测冰山。在随后的第一次世界大战中，对超声的研究得以进一步的促进。近些年来，随着超声技术研究的
20、不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。在我国，关于超声波的大规模研究始于1956年。迄今，在超声波的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。中国测试技术研究所李茂山在超声波测距原理及实践技术中详细地阐述了超声波的测距原理，并给出了实现超声波测距的具体框图，并讨论了影响超声波测距精度的几种原因。在文中，他并未提及超声波测距所需的一些具体电路，只是给出了测距一般所需的电路名称，没有提及各种电路间
21、的匹配。1998年，曼内斯德马泰克(秦皇岛)有限公司推出了一种数字式超声波位移测量仪，李忠杰在数字式超声波位移测量仪的研究一文中介绍了这种数字式超声波位移测量仪的结构，工作原理和功能，其数据处理借助于单板机，给出了程序框图，对仪表的各部分硬件电路做了较详细的说明，并列出了部分仪表的实测数据，并分析了误差产生的原因。在此文中，给出了超声波测距仪在对液压缸位移进行测量时与其它位移传感器的优势所在，并给出了单片机的程序框图。中国科学院上海声学实验室的王润田在双频超声波测距一文中提出了一种双频超声波测距的原理和方法，由于空气对超声波的吸收与超声波的平方成正比，因此，用来测距的超声波的频率不能很高，但另
22、一方面频率越低，波长越长，测长的绝对误差就越大，测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾。王润田提出，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，在测距时同时发射两个频率的超声波，频率较大的测较近的距离，频率较小的测较长的距离，这样在较大的范围内实现较高的测距精度。2 方 案 论 证2.1 超 声 波 测 距 原 理2.1.1 超声波的性质超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的，其频率在20KHz以上。超声波有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且
23、在传播过程中有衰减，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性，由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点，常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，传播速度为340m/s。而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。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，其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关，测试传输时间就可以得出距离。利用超声波特性、单片机控制、电子计数
24、相结合，配上不同的电路，制成各种超声波测量仪器及装置，可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单，且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰，其测量精度较高。常用于矿山、桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位传感器；反射型用于材料探伤、测厚传感器等。2.1.2 超声波传感器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。超声波传感器就好比一个喇叭，能将电流信号转换成高频声波，或者将声波转换成电信号。传感器在将电信号
25、转化成声波的过程中，所产生的声波并不是理想中的矩形（图2-1-a），而是一个类似花瓣一样形状（图2-1-b，c），声波特性如图2-1所示。图2-1 声波特性值得一提的是，在实际应用中，产生的波形应该是三维的，类似柱状体。对于传感器的应用来说，超声波传感器主要用来探测物体的距离以及相对于传感器的方位，以便可以进行监测控制。最理想就是矩形，不但可以准确的获得物体的距离值，也可以准确的获得方位值，就是正前方。但是实际上，超声波的波束根据应用不同，有宽波束，和窄波束。宽波束（图2-1-b）的传感器会检测到任何在波束范围内的物体，它可以检测到物体的距离，但是确无法检测到物体的方位，误差最高会有100度左
26、右，系统将无法正常的作出控制动作。当然，作为只要探测物体有或无的用途来说，宽波束的传感器是比较理想的。同理，窄波束可以相对宽波束获得更加精确的方位角。在选择超声波传感器的时候，这个波形特性是必须要考虑的。超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点。比如，反射问题，噪音问题等。（1）反射问题如果被探测物体始终在合适的角度，那么超声波传感器将会获得正确的角度。但不幸的是，在实际使用过程中，很少有被探测的物体是能被正确地检测到的。图2-2给出了几个例子。图2-2 声波反射图2-2-a中的情况叫做三角误差，当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实
27、际距离有个三角误差。图2-2-b中的情况叫做镜面反射，这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。图2-2-c中的情况可以叫做多次反射。这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。（2）噪音问题虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45KHZ，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会
28、产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当同时使用多个超声波装置的时候，其它超声波装置发出的超声波，这些都会引起传感器接收到错误的回波信号。噪音问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决。比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。在本设计中所使用的传感器，是压电式超声波传感器。压电式超声波传感器，实际上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
29、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回波时，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。压电式超声波传感器是利用压电效应的原理制成，压电效应有逆效应和顺效应。超声波传感器是可逆元件，超声波发射器利用的是压电逆效应的原理。所谓压电逆效应，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图2-3-a中所示的已极化的压电陶瓷上施加如图2-3-b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如
30、图2-3-c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。压电逆效应如图2-3所示。图2-3 压电逆效应超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。采用双晶振子的超
31、声波传感器，若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频
32、率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。现以MA40S2R接收器和MA40S2S发送器为例说明超声波传感器的各种特性，如表2-1所示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。表2-1 超声波传感器MA40S2R/S的
33、特性种类特性MA40S2R接收MA40S2S发送标称频率40kHz40kHz灵敏度74dB以上100dB以上带宽6kHz以上(80dB)7kHz以上(90dB)电容1600pF1600pF绝缘电阻100M以上100M以上温度特性20+60范围内灵敏度变化在10dB以内超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用。为此，要采取措施扩展频带。例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。MA40S2R/S传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一
34、点以免逸出标称频率。图2-4表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。图2-4 传感器的方向性另外，对于这种传感器来说，一般温度越高，中心频率越低，为此在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。2.1.3 超声波测距原理超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。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，途中碰到被测物就立即返回来，当超声波接收器接收到反射回波时就立即停止计时。根据计时器记录的时间，以及超声波在空气中传播的速度
35、就可以计算出发射点与被测物之间的距离，超声波测距原理如图2-5所示。图2-5 超声波测距原理图限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。超声波接收器对声波脉冲的直接接收能力将决定最大可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。环境温度对超声波测距也有很大影响，其波速c与温度有关，表2-2列出了几种不同温度下的波速。表2-2 不同温度下的波速温度()3020100102030100波速(m/s)313319325323338344349386波速确定后，只要
36、测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。 (公式1)根据公式1可求出距离。在公式1中的c为超声波在空气中传播的速度。S表示所测距离值。往返时间为t。t=T1+T2 (公式2)公式2中T1和T2分别表示超声波发射与接收过程的测量时间，T1=T2。2.2 系 统 工 作 原 理本系统是以单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生方波，经过超声波驱动电路使超声波发射器发出一簇40kHz的超声波信号，同时单片机开始计时；超声波在空气中传播，当遇到被测物后超声波反射回波，经接收回路和放大电路的接收放大与检波调整后，接收芯片产生一个中断信号，并将这个中断信号发送给单片机，单片机接收到中断信号后计时器停
37、止记时，通过测量发射与接收超声波的时间差，计算出传感器与被测物之间的距离值，并将计算的距离值通过LCD液晶显示器进行显示。超声波物位传感器原理框图如图2-6所示。图2-6 超声波物位传感器原理框图2.3 系 统 方 案 论 证2.3.1 系统方案一采用单片机STC12LE4052作为主控芯片，由555定时器产生40KHZ的方波，经放大电路驱动超声波发射器发出超声波，由超声波接收器及放大电路组成超声波接收电路，对回波进行接收检出，由单片机计算测量值，并控制四个LED数码管显示。优点：STC12LE4052为一种改进型的51兼容单片机，指令集及主要架构与经典51相同，硬件资源略有增加：增设了2通道
38、PCA（可编程计数器阵列），弥补了经典51定时器功能“偏弱”的缺陷；I/O口改进为可设置方式，支持51准双向、高阻输入、OC输出、推挽输出四种模式，简化了外部硬件设计；硬件SPI接口；指令速度大大提高了，将原来的12时钟为一个机器周期改进为23个时钟周期，指令速度平均提高为原来的8倍左右；计时时钟保留12分频模式，新增了2分频模式，提高了计时精度。STC12LE4052的这些特点对于超声波测距应用有益，指令速度快可减少响应延时的不确定，计时精度高可提高分辨率；STC12LE4052单片机采用3.3V供电，是为了增加一级稳压，以降低发射超声波带来的电源干扰，提高可靠性和准确度。超声波产生和发射模
39、块均有经典电路，可以方便实现硬件电路搭建。数码管价格低廉，性能稳定，适于各种工作环境，驱动简单，显示效果良好，是常见的显示元件。缺点：STC12LE4052只有两个接口，资源太少，不能实现任何功能扩展，由放大电路和检波电路实现的超声波发射、接收模块抵抗外界干扰能力太差，造成整个系统测量误差较大。2.3.2 系统方案二系统采用单片机STC89C52为主控芯片，主要对超声波模块DYP-ME007进行控制，选用液晶显示器LCD1602作为显示模块。优点：STC89C52为控制系统中最常见的控制器，在市场上很容易买到；超声波模块DYP-ME007是一个集成度较高的模块，可以自行发射、接收超声波，控制简
40、单，测量精度高，抗干扰能力强；液晶显示器LCD1602显示灵活，可以对任意字符进行显示，相对于数码管具有更好的显示效果，且本系统中显示部分很重要，需要根据障碍物的远近，不断更换距离数字。缺点：STC89C52单片机采用5V供电，对超声波的测量过程有较大的干扰作用，且晶振12MHZ，系统时钟频率较低，也会对超声波测量带来干扰。综上所述，方案一主控芯片编程困难，且不易买到，整个系统抗干扰能力差，若有大的干扰就会导致超声波测距发生错误；方案二易于实现，且外围电路简单，易于控制，成本较低，测量精度完全可以满足设计要求，所以，本设计选用方案二。3 系 统 硬 件 电 路 的 设 计3.1 系 统 芯 片
41、 介 绍3.1.1 STC89C52单片机STC89C52是低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。STC89C52单片机属于STC89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其主要工作特性是：片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；片内数据存储器内
42、含256字节的RAM；具有32根可编程I/O口线；具有3个可编程定时器；中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的3级程序锁定位；STC89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；STC89C52最高工作频率为24MHz。STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的
43、微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：兼容MCS51指令系统8k可反复擦写(1000次）FlashROM。32个双向I/O口，256x8bit内部RAM。2个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz。2个串行中断，可编程UART串行通道。2个外部中断源，共6个中断源。2个读写中断口线，3级加密位。低功耗空闲和掉电模式。软件设置睡眠和唤醒功能。3.1.1.1 STC89C52单片机外部接口STC89C52为40脚双列直插封
44、装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。主要管脚有：XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。外部引脚如图3-1所示。图3-1 外部引脚P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写
45、“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与STC89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P
46、1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接
47、收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，管脚备选功能如下所示：P3.0RXD（串行输入口）；P3.1TXD（串行输出口）；P3.2/INT0（外部中断0）；P3.3/INT1（外部中断1）；P3.4T0（记时器0外部输入）；P3.5T1（记时器1外部输入）；P3.6/WR（外部数据存储器写选通）；P3.7/RD（外部数据存储器读选通）；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于
