基于单片机的超声波测距报警器的设计与实现

摘要
随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。

本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。

就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明.实现障碍物的距离测试、显示和报警，超声波测距范围30CM-300CM，精度在十厘米左右。

这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：测量液位、井深、管道长度等场合。

可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动化业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。

关键词: 单片机STC89C52，超声波，传感器，LCD，测量距
DESIGN AND IMPLEMENTATION BASED ON OF ULTRASONIC RANGING ALARM MICROCONTROLLER
ABSTRACT
In recent years with the rapid development of technology, SCM applications are continually deepening, led the traditional control of the Crescent benefit update. In real-time detection and control of the MCU application systems, SCM is often as a core component to use,
SCM is the main function of the computer components are integrated in a chip micro-computer. It is a set of interfaces and multiple counts integrates microcontrollers, are widely used in industrial automation products and smart, and 51 is a microcontroller, the most typical and the most representative one.
The main application STC89C52 design as the core control, monitor, drive circuit and system integration. Give full play to the MCU performance. The advantage of simple circuit hardware, software, functional and reliable control system, the use and have some reference value.
KEYWORDS: STC89C52, ultrasonic wave, sensor,, measuring distance
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1.绪论 (1)
1.1超声波测距报警器的概述 (1)
1.1.1课题背景 (1)
1.1.2课题设计的意义 (1)
1.1.3超声波测距在汽车上应用的介绍 (2)
1.2课题的方案设计与论证 (3)
1.2.1系统总体设计 (3)
1.2.2设计方案的论证 (5)
2.超声波测距报警器关键元器件的选择与简介 (7)
2.1STC89C52的简介 (7)
2.2超声波发射模块74HC04的简介 (10)
2.3超声波检测模块CX20106A的简介 (11)
2.4LED数码显示管的简介 (12)
2.540RS/UT180防水型超声波传感器的简介 (14)
3.超声波测距报警器的硬件设计 (15)
3.1硬件电路原理图 (15)
3.2单片机最小硬件系统 (15)
3.3复位电路 (17)
3.4显示电路 (18)
3.5超声波发送与接收模块 (18)
3.6报警模块 (20)
4.超声波测距报警器的软件设计 (21)
4.1超声波汽车防撞电路的算法设计 (21)
4.2系统软件流程图 (21)
4.2.1主程序流程图 (21)
4.2.2按键中断子程序流程图 (22)
4.2.3软件去抖动流程图 (23)
4.3系统程序 (24)
5.超声波测距报警器的系统调试 (32)
5.1硬件调试 (32)
5.1.1基本电路板检查: (32)
5.1.2主控模块调试: (32)
5.2软件调试 (32)
结论 (34)
参考文献 (35)
致谢.......................................................................................................... 错误！未定义书签。

1.绪论
1.1 超声波测距报警器的概述
1.1.1课题背景
随着经济的发展与汽车科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。

同时，随着汽车工业的飞速发展，汽车的产量和保有量都在急剧增加。

但公路发展、交通管理却相对落后，导致了交通事故与日剧增，城市里尤其突出。

智能交通系统ITS是目前世界上交通运输科学技术的前沿技术，它在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通赌塞，改善城市环境等方面的卓越效能，已得到各国政府的广泛关注。

中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。

汽车防撞系统作为ITS发展的一个基础，它的成功与否对整个系统有着很大的作用。

从传统上说，汽车的安全可以分为两个主要研究方向:一是主动式安全技术，即防止事故的发生，该种方式是目前汽车安全研究的最终目的;二是被动式安全技术，即事故发生后的乘员保护。

目前汽车安全领域被动安全研究较多，主要从安全气囊、ABS(防抱死系统)和悬架等方面着手，以保证驾乘人员的安全。

从经济性和安全性两方面来说，这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行保护，有很大的局限性，因而车辆的主动安全研究尤为重要，引出了本文研究的基于单片机的超声波测距系统。

这个系统是一种可向司机预先发出视听语音信号的探测装置。

它安装在汽车上，能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物;能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。

1.1.2课题设计的意义
随着现代社会工业化程的发展，汽车这一交通工具正为越来越多的人所用，但是随之而来的问题也显而易见，那就是随着车辆的增多，交通事故的频繁发生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。

对于公路交通事故的分析表明，80%以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引起的，超过65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。

奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明：若驾驶员能够提早1s意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。

因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要的作用。

显然，此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。

1.1.3超声波测距在汽车上应用的介绍
超声波倒车测距仪(俗称电子眼)是汽车倒车防撞安全辅助装置,能以声音或者更为直观的数字形式动态显示周围障碍物的情况。

其较早的产品是用蜂鸣器报警,蜂鸣声越急,表示车辆离障碍物越近。

后继的产品可以显示车后障碍物离车体的距离。

其大多数产品探测范围在0.4～1.5m,有的产品能达到0.35～2.5m,并有距离显示、声响报警、区域警示和方位指示,有些产品还具备开机自检功能。

目前市场上还出现了具有语音报警功能的产品。

这些产品存在的主要问题是测量盲区大,报警滞后,未考虑汽车制动时的惯性因素,使驾驶者制动滞后,抗干扰能力不强,误报也较多。

汽车防撞雷达之所以能实现防撞报警功能,主要有超声波这把无形尺子,它测量最近障碍物的距离,并告诉给车主。

其实超声测距原理简单:它发射超声波并接收反射回波,通过单片机计数器获得两者时间差t,利用公式S=Ct/2计算距离,其中S为汽车与障碍物之间的距离，C为声波在介质中的传播速度。

本设计超声测距系统共有2只超声波换能器(俗称探头),分别布置在汽车的后左、后右2个位置上。

能检测前进和倒车方向障碍物距离,通过后视镜内置的显示单元显示距离和方位,发出一定的声响,起到提示和警戒的作用。

系统采用一片STC89C52单片机对两路超声波信号进行循环采集。

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（time of flight）。

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。

本设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现触发单元。

利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达
到测量距离的作用。

其主要有三种测距方法：
（1）相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；
（2）声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响；
（3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。

其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。

本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。

在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。

1.2课题的方案设计与论证
1.2.1系统总体设计
系统总体框图
构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。

采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。

如图1-1所示为超声波测距报警器原理框图：
图1-1超声波测距报警器原理框图
根据设计要求并综合各方面因素，选择了超声波测距传感器TCT40－16T/R（T表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为6m，发射扩散角为60度。

超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。

当它的两电极加脉冲信号(触发脉冲),若其频率等于晶片的固有频率时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波。

相反, 电极间未加电压,则当共振板接收到回波信号时,将压迫两压电晶片振动,从而将机械能转换为电信号,此时的传感器就成了超声波接收器。

超声波传感器是一种采
用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。

由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。

超声波传感器用来分析共振频率附近的超声波换能器的特性:换能器的器械能用Qm ;电能用Qe 表示。

Q 恰好是电路的串联支路的Q 值。

设换能器在空载(Z1=0)和有载(Z1=R1)时的Q 值分别为Qm0、Qm ,则有:
0100101R W C R W L Q m = )
(110010101R R W C R R W L Q m +=+= 0000R W C Q e =
)(1000R R W C Q e += 超声波换能器的工作效率：0
11R R R +=η 相临两片的压电陶瓷片极化方向相反，芯片的数目成偶数，以使前后金属盖板与同一极性的电极相连，否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈，会导致结构不必要的增大，两芯片之间，芯片与金属盖板间通常以薄黄铜片（厚度小0.1mm ），作为焊接电极引线用；芯片，电极铜片用强力胶胶合，在压电组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成一体，圆锥状谐振子的边缘部分装有圆环弹性橡胶减振器，使之与外壳固定，起声阻匹配作用。

在电——声变换部分的前面的超声波束整形板，是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个开口，使超声波波束指向尖锐，吸声片吸收多余反射声波。

目前市面上出售的超声波传感器种类有通用型，拓宽型，宽带域型，防水型和高频型等这几类。

虽然通用型超声波传感器有频率带宽较窄的缺点，但是却可以换来高灵敏度，抗噪声干扰强的优点。

超声波基本应用电路主要分为三类：
1）直射型，主要用于遥控及报警电路
2）分离反射型，主要用于测距，料位测量等电路
3）反射型，主要用于材料的探伤，测厚电路。

鉴于成本的考虑，选用了普通的T/R-40系列的超声波发射/接收传感器。

T/R-40系列超声波传感器典型的工作频率为（39-41）KHZ 。

如表1-1所示为T/R 传感器的外形尺寸
如表1-2所示为T/R传感器的电气参数
由于是测距系统是采用超声波发射和接收分离反射型结构，所以发射头和接收头应该在同一平行直线上。

出于距离和发射夹角所引起的误差以及超声波信号在传播过程中衰减问题的考虑，发射和接收探头距离不可以太远，而又为了避免发射头对接收头接收信号产生的干扰，二者也不能间隔太近。

经过参考前人的经验以及调试时的实际情况，应保持超声波发射头和接收头中心轴线平行并相距4-8cm即可。

1.2.2设计方案的论证
超声波探测技术主要用于中程测距、结构探伤、智能控制等领域，超声波换能器是其核心部件，换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器；按其40KHz等不同等级。

本设计选用气相、窄波束、40KHz的超声波换能器。

发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器；按其工作频率又可分为38KHz、当利用超声波探测器测距时常用两种方法——强度法和反射时间法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效，由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。

反射时间法其原理是利用检测
声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式S=V×（T/2）(其中S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T=T1+T2）计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服，因此这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高，本设计中选用此方法。

而超声波传感器一般要在40KHZ才能得到最大的震荡，超声波才能传的更远，而要产生40KHZ的方波可以直接通过单片机输出PWM信号或通过外部震荡电路来产生，这里我采用的是52单片机，没有多余的资源完成这么多工作，故摒弃了由单片机直接产生PWM信号的方式，而采用了外部电路产生。

2．超声波测距报警器关键元器件的选择与简介
2.1 STC89C52的简介
在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。

目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。

选择好合适的单片机可以最大地简化单片机应用系统，而且功能优异，可靠性好，成本低廉，具有较强的竞争力。

目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。

一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面：
（1）单片机的基本性能参数。

例如指令执行速度，程序存储器容量，I/O引脚数量等。

（2）单片机的增强功能。

例如看门狗、多指针、双串口等。

（3）单片机的存储介质。

对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是Flash存储器。

（4）芯片的封装形式。

如DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC有对应插座）封装及表面贴附等。

（5）芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。

如果设计户外产品，必须选用工业级。

（6）芯片的功耗。

比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几mA的电流，选用STC单片机就是因为它能满足低功耗的要求。

（7）供货渠道是否畅通、价格是否低廉。

（8）技术支持网站的速度如何，资料是否丰富。

包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序等。

（9）芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。

STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。

它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。

STC89系列单片机高速(最高时钟频率90MHz)，低功耗，在系统/在应用可编程(ISP，IAP),不占用户资源。

根据本系统的实际情况，选择STC89C52单片机，如图2-1所示为STC89C52管脚图
图2-1 STC89C52管脚图
各引脚功能简介如下： 1. VCC ：供电电压。

2. GND ：接地。

3. P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8个TTL 门电流。

当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH 编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

4. P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL 门电流。

P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

5. P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2口缓冲器可接收，输出4个
TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

6. P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
INT（外部中断0）
P3.2 0
P3.3 1
INT（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（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。

7. RST：复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

8. PSEN：外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

9.EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间为内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。

10. XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

11. XTAL2：来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

其余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

芯片擦除：
整个PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE 管脚处于低电平10ms 来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，STC89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU 停止工作。

但RAM 、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

2.2 超声波发射模块74HC04的简介
74HC/HCT04是高速的硅栅CMOS 器件，兼容低功耗肖特基的TTL （ LSTTL ）。

74HC/HCT04提供的6个颠倒缓冲器，即6组相同的反相器。

即1A 输入高电平，1Y 输出低电平
74HC04的基本特性如下：
（1） 电源电压值为7V （2） 输入电压为5.5V （3） 工作环境温度为0~70°C （4） 存储温度为-65~150°C
如图2-2所示为74HC04芯片引脚图
图2-2 74HC04管脚图
其中1A—6A为输入端，1Y—6Y为输出端
2.3超声波检测模块CX20106A的简介
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

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，可以利用它做超声波的检测接收电路。

下面对红外遥控接收器集成电路CX20106A做一个简要的介绍。

CX20106A是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，采用单列8脚直插式，超小型封装。

CX20106A的基本性能如下：
(1）电源电压典型值5V，最大17V
(2）电源电流1.1～2.5mA(典型值为1.8mA)
(3）输出低电平0.2V。

(4）电压增益77～79dB。

输入阻抗为27kΩ。

滤波器中心频率f0为30--60kHz。

(5）输入阻抗为27k
(6）滤波器中心频率f0为30-60kHz
如图2-3所示为CX20106A的内部结构
图2-3 CX20106A内部结构图
表2-1所示为CX20106A的各引脚功能
2.4 LED数码显示管的简介
LED数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多了一个发光二极管单元（多了一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应的字段就亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应的字段就不亮。

共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应的字段就亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应的字段就不亮。

如图2-4所示为LED数码管的符号和引脚图以及两种接线方法。