超聲測距儀的設計

1、超聲波測距儀的設計Silent Wave摘要本設計采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。關鍵詞：AT89c51; 超聲波；測距目 錄摘 要·······

2、··················································

3、··緒論···············································

4、3;···········1 .1 課題設計的目的及其意義································· .2 超聲波測距儀的設計思路

5、83;································.3 課題設計的任務和要求···············&#

6、183;···················1 課題的方案設計與論證····························&#

7、183;·············· 1.1 系統(tǒng)整體方案的設計·································

8、···· 1.2 系統(tǒng)整體方案的論證·····································2 系統(tǒng)的硬件結構設計·····

9、;········································ ·········

10、3;··················· 2.2 超聲波發(fā)射電路····························

11、3;············ 2.3 超聲波檢測接收電路···································&#

12、183;· 2.4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計···························3 系統(tǒng)軟件的設計················

13、3;································ 3.1 超聲波測距儀的算法設計···············

14、·················· 3.2 主程序流程圖······························&

15、#183;············ 3.3 超聲波發(fā)生子程序與超聲波接受中斷程序···················3.4 系統(tǒng)的軟硬件的調試············&

16、#183;························總 結························

17、3;···································致 謝··············&

18、#183;·············································參考文獻···

19、83;·················································

20、83;····1附 錄 一··································附 錄 二 ·········

21、83;··························附 錄 三 程序清單······················

22、;························ 緒 論.1課題設計目的及意義.1.1設計的目的.2.2 超聲波測距儀原理框圖如下圖單片機發(fā)出40kHZ的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。超聲波發(fā)射

23、器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時器單片機控制顯示器圖1-1 超聲波測距儀原理框圖.3課題設計的任務和要求1 課程的方案設計與論證由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。      超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相

24、同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本文采用AT89C51單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。 1.2系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用的材料是壓

25、電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。2 系統(tǒng)的硬件結構設計硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅動，位碼用PNP三極管8550驅動。

26、60;2.2 超聲波發(fā)射電路7超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2-2所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成，單片機P1.0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)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，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2-2 超聲波發(fā)射電路原理圖 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲

27、波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。2.3 超聲波檢測接收電路8，93 系統(tǒng)軟件的設計超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算

28、程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（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。 3.1 超聲波測距儀的算法設計 10     超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：  d=s/2=(c×t)/2 （1）  其中，d為被測

29、物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。 3.2 主程序流程圖 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12 MHz的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1s，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算，即

30、可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取20時的聲速為344 m/s則有：  d=(c×t)/2=172T0/10000cm (2) 其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。      測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。               

31、;               3.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序       超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。      超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號

32、，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。 3.4 系統(tǒng)的軟硬件的調試11超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根

33、據(jù)測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。      硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.075.5m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。軟件的調試程序見附錄一總 結由于時間和其它客觀上的原因，此次設計沒有做出實物。但是

34、對設計有一個很好的理論基礎。設計的最終結果是使超聲波測距儀超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超

35、聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅動，位碼用PNP三極管8550驅動。超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成，單片機P1.0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)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，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。壓電式超聲波換

36、能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。超聲波檢測接收電路主要是由超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率

37、且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（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。主超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。 超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回

38、來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 在元件及調制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調試應該不會太難。一般只要電路焊接無誤，稍加調試應該會正常工作。電路中除集成電路外，對各電子元件也無特別要求。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。 參考文獻 1 胡萍.超聲波測距儀的研制.計算機與現(xiàn)代化，2003.102 時德剛，劉嘩.超聲波測距的研究.計算

39、機測量與控制，2002.10 3 華兵.MCS-51單片機原理應用.武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .54 李華.MCU-51系列單片機實用接口技術.北京：北京航空航天大學出版社， 1993. 65 陳光東.單片機微型計算機原理與接口技術(第二版).武漢：華中理工大學出版社，1999.46 徐淑華，程退安，姚萬生.單片機微型機原理及應用.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999. 6.7 蘇長贊.紅外線與超聲波遙控.北京：人民郵電出版社，1993.78 張謙琳.超聲波檢測原理和方法.北京：中國科技大學出版社，1993.109 九州.放大電路實用設計手冊.沈陽：遼寧科學技術出版社，2002

40、.510 樊昌元，丁義元. 高精度測距雷達研究.電子測量與儀器學報，2000.1011 蘇偉，鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術，2004.12 永學等.1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20及應用.電子產(chǎn)品世界，2003.1213 勝全.D18B20數(shù)字溫度計在微機溫度采集系統(tǒng)中的序編制. 南京：南京大學出版社1998. 314 恒清，張靖.加強單片機系統(tǒng)抗干擾能力的方法.通化師范學院學報，2004 .1015 晗曉，袁慧梅.單片機系統(tǒng)的印制板設計與抗干擾技術.電子工藝技術，2004 .616 豐，薛紅宣.采用軟件抗干擾設計提高微機系統(tǒng)的可靠性.電子產(chǎn)品世界，2004.117 占操

41、，梁厚琴，曹燕.單片機系統(tǒng)中的軟件抗干擾技術.電子技術，2003.318 華兵.MCS-51單片機原理應用.武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .519 繼興，劉霞.單片機系統(tǒng)軟件抗干擾措施分析.電子測量技術，200320 田華等.可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B2的原理與應用.電子質量，2004.721 Tom R. Watt .Cooling our tomorrows economically ，ASHRAE Journal.22 Army Kayla. Improving efficiency in existing chillers with optimization te

42、chnology ，ASHRAE Journal.23 D.Pearl mutter ， Eerily ， Y.Etzion ，I.A.Meir，H.Di ，Refine the use of the evaporation in an experimental down-draft cool tower ，Energys .199524 rtori S，ZHANG G X. Geometric Error Measurement and Compensation of Machines.Annals of the CIRP. 1995:599-60925 olton W. Instrumen

43、tation&process measurement. LongmanScientific&Technical. 1991附 錄附錄一附錄二附錄三程序清單#INCLUDE <REG2051.H>#DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT    P3_5                  /超聲波發(fā)送#DEFINE CSBINT  &#

44、160; P3_7                  /超聲波接收#DEFINE CSBC=0.034#DEFINE BG  P3_3 UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/顯示標識UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09

45、段碼UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BIT CL;                                   VOID CSBCJ();VOID DELAY(J);   &

46、#160;                          /延時函數(shù)VOID SCANLED();                    

47、0;         /顯示函數(shù)VOID TIMETOBUFFER();                  /顯示轉換函數(shù)VOID KEYSCAN();VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();VOID MAIN()    &#

48、160;                         /主函數(shù)     EA=1;                   

49、60;            /開中斷       TMOD=0X11;                   /設定時器0為計數(shù)，設定時器1定時     ET0=1;   

50、0;                          /定時器0中斷允許      ET1=1;                 

51、0;            /定時器1中斷允許      TH0=0X00;     TL0=0X00;     TH1=0X9E;     TL1=0X57;     CSBDS=0;     CSBINT=1;   

52、  CSBOUT=1;     CL=0;     PTO=0XFF;     JPJS=0;     SJ1=45;     SJ2=200;     SJ3=400;     K4CL();     TR1=1;    

53、60;                        WHILE(1)                  KEYSCAN();        

54、;   IF(JPJS<1)                      CSBCJ();           IF(S>SJ3)            

55、60;         BUFFER2=0X76;                 BUFFER1=0X76;                 BUFFER0=0X76;    &

56、#160;                       ELSE IF(S<SJ1)                      BUFFER2=0X40;   &#

57、160;             BUFFER1=0X40;                 BUFFER0=0X40;                   &

58、#160;  ELSE TIMETOBUFFER();                            ELSE TIMETOBUFFER();            /將值轉換成LED段碼   

59、;        OFFMSD();             SCANLED();                  /顯示函數(shù)         &#

60、160; IF(S<SJ2)           BG=0;           BG=1;     VOID SCANLED()                  

61、0;    /顯示功能模塊    DIGIT=0X04;    FOR( I=0; I<3; I+)        /3位數(shù)顯示            P3=DIGIT&OPTO;        /依次顯示各位數(shù)   

62、0;    P1=BUFFER;        /顯示數(shù)據(jù)送P1口        DELAY(20);              /延時處理        P1=0XFF;     

63、;        /P1口置高電平（關閉）        IF(P3&0X10)=0)      /判斷3位是否顯示完           KEY=0;        DIGIT>>=1;  

64、0;          /循環(huán)右移1位    VOID TIMETOBUFFER()                /轉換段碼功能模塊     XM0=S/100;           XM1=(S-

65、100*XM0)/10;     XM2=S-100*XM0-10*XM1;     BUFFER2=CONVERTXM2;           BUFFER1=CONVERTXM1;     BUFFER0=CONVERTXM0;VOID DELAY(I)           

66、                       WHILE(-I);VOID TIMER1INT (VOID)  INTERRUPT 3  USING 2      TH1=0X9E;     TL1=0X57;     CSBDS+; &#

67、160;   IF(CSBDS>=40)                CSBDS=0;           CL=1;                 VOID CSBCJ()

68、60;    IF(CL=1)                    TR1=0;           TH0=0X00;           TL0=0X00;  &#

69、160;        I=10;           WHILE(I-)                            CSBOUT=!CSBOUT; 

70、;                     TR0=1;                              &#

71、160;  I=MQS;                              /盲區(qū)           WHILE(I-)      

72、;                           I=0;           WHILE(CSBINT)             &

73、#160;              I+;                 IF(I>=2450)                 

74、 /上限值                 CSBINT=0;                      TR0=0;          

75、TH1=0X9E;           TL1=0X57;           T=TH0;           T=T*256+TL0;           S=T*CSBC/2; 

76、60;         TR1=1;           CL=0;     VOID KEYSCAN()                       

77、; /健盤處理函數(shù)     XX=0;     IF(K1!=1)                              / 判斷開關是否按下        

78、;        DELAY(400);                        /延時去抖動           IF(K1!=1)                              / 判斷開關是否按下