基于单片机带温度补偿的超声波测距设计报告--大学毕业设计论文(3)

图4.1压电式超声波传感器结构图

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构如图2.1所示，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，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，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

4.2 HC-SR04超声波测距模块的性能特点

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理：

（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号； （2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过IO口ECH0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；

（4）当TRIG从0->1时，主控制板启动，当超时10ms时ECH0仍然没有出现150us的0信号，表示没有障碍。

本模块性能稳定，测度距离精确，其主要特点：

（1）超微型，只相当于两个发射，接收头的面积已经没法再小了； （2）无盲区（10mm内成三角形误差较大，简单可以当做0处理）； （3）反应速度快，10ms的测量周期，不容易丢失高速目标； （4）发射头，接收头紧靠，和被测目标基本成直线关系；

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（5）模块上有LED指示，方便观察和测试。 4.3 HC-SR04的管脚排列和电气参数 4.3.1 管脚简介

HC-SR04的外形及管脚排列如图4.2所示。 （1）VCC为5V电源； （2）GND为地线；

（3）TRIG触发控制信号输入； （4）ECH0回响信号输出。

HC-SR04 VCC

TRIG ECH0

GND

图4.2外形及管脚排列图

4.3.2 HC-SR04的电气参数 电气参数如表4.1所示：

表4.1 电气参数表

电气参数 工作电压 工作电流 工作频率 最远射程 最近射程 测量角度 输入触发信号 输出回响信号 规格尺寸

4.4超声波时序图

HC-SR04超声波模块 DC 5V 15mA 40Hz 4m 2cm 15度 10us的TTL脉冲 输出TTL电平信号，与射程成比例 45*20*15mm 12

图4.3超声波时序图

此时序图表明只需提供一个10us一上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到右回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms一上，以防止发射信号对回响信号的影响。

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5系统硬件电路设计

5.1单片机最小系统 5.1.1 STC89C52芯片

本次设计我们所采用的是STC89C52单片机，是一种带8k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能COMOS8的微处理器，该器件有40引脚，速度较快，价格便宜，烧录方便，通过串口即可下载，还可以实现在线编程，采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

5.1.2 复位电路

为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延迟才撤销复位，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。当单片机的复位引脚出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。所以复位引脚的电容大一点没多大关系，顶多是复位时间长一点；但如果电容太小，高电平持续时间太短，则单片机无法正常复位，就不能工作，电容通常取10UF或22UF，铝电解电容即可。

单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电源通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒），正因为这样，复位脚由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作；当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作。电路图如图5.1。

图5.1 复位电路

5.1.3 晶振电路

它是单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将会不能工作。假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显：电路将无法通信。它是由一个晶振和两个瓷片电容组成的，晶振和瓷片电容是没有正负的，两个瓷片电容相连的那端一定要接地，如图5.2所示。

图5.2 晶振电路

一般单片机的晶振工作于并联谐振状态，也可以理解为谐振电容的一部分。它是根据晶振厂家提供的晶振要求负载电容选值的，换句话说，晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的，能最大限度的保证频率值的误差，也能保证温漂等误差。

机器周期:通常从内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期,(也就是计算机通过内部或外部总线进行一次信息传输从而完成一个或几个微操作所需要的时间),它一般由12个时钟周期组成。而时钟周期=1秒/晶振频率，因此单片机的机器周期=12秒/晶振频率 ，补充其他几个周期：

指令周期（Instruction Cycle）：取出并执行一条指令的时间。

总线周期（BUS Cycle）：也就是一个访存储器或I/O端口操作所用的时间。 时钟周期（Clock Cycle）：又称节拍周期，是处理操作的最基本单位。(晶振频率的倒数，也称T状态)

指令周期、总线周期和时钟周期之间的关系：一个指令周期由若干个总线周期组成，而一个总线周期时间又包含有若干个时钟周期。

一般处理器的一个机器周期由12个时钟周期所组成。所以单片机用12M晶振，运行速度为1M。

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