超聲波測距儀設計論文

1、論文題目：超聲波測距儀的設計(軟件) 專 業(yè)：自動化 本 科 生： （簽名）_ 指導教師： （簽名）_ 摘要 超聲波測距作為一種非接觸性的光學測量方法，近年來得到了廣泛應用。它具有測 量方便,不對被測物體產生損壞等優(yōu)點。超聲波明顯特征是方向性好，穿透性強。尤其 是在光不透過的固體中，它碰到雜質或分界面就有顯著的反射。因此，可以利用超聲波 實現對距離的測量。距離是通過測量發(fā)射的超聲波與接受到被測物體反射的回波之間的 時差來確定的。采用壓電式超聲波換能器。裝置包括單片機系統(tǒng)、顯示電路、超聲波發(fā) 射電路和超聲波檢測接收電路四部分。系統(tǒng)的軟件部分則包括主程序、定時子程序、顯 示子程序和外部中斷服務子程

2、序。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。完成了超聲波測距儀的軟硬件設計，實現了測量結果的顯示，經系統(tǒng)調 試可看出，led 數碼管顯示清晰穩(wěn)定，測量結果穩(wěn)定可靠，測距儀最大誤差不超過 5cm。 關鍵詞：超聲波測距儀,單片機 thesis: ultrasonic range finder (software) specialty: automation undergraduate: (signed) _ instructor: (signed) _ abstract ultrasonic ranging is a non-contact optical measure

3、ment method which has been widely applied in recent years. it has the advantages of measuring convenience, not be the object produce damage. obvious features of the ultrasound is directional, penetrating. especially in light opaque solid, it met the impurities or the interface will have a significan

4、t reflection. therefore, we can use ultrasound to achieve the measurement of distance. the distance is got by measuring time difference that between emission ultrasonic and the echo of the measured object reflection received with piezoelectric ultrasonic transducer. the device includes a microcontro

5、ller system, display circuit, ultrasonic transmitter and ultrasonic detection receiver circuit. the software part of the system include the main program, timing subroutine display routines, and external interrupt service routine. the main program use c language for conducive to the program structure

6、 and easy to calculate the distance. i complete hardware and software design of the ultrasonic range finder, and achieve measured results display. according to system debugging, led digital display clear and measuring results are stable and reliable and the range finder error is less than 5cm. key w

7、ords: ultrasonic range finder scm 前言 隨著科技的迅猛發(fā)展越來越多科技成果被廣泛的運用到人們的日常生活當中，給我 們的生活帶來了諸多方便。這一設計就是本著這個宗旨出發(fā)，利用超聲波的特性來為我 們服務。 人們能聽到聲音是由于物體振動產生的，它的頻率在 20hz-20khz 范圍內，超過 20khz 稱為超聲波。由于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強，指向性強， 傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，遇到雜質或分界面時會 產生反射波，因而超聲波經常用于距離的測量。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一 個是沿直線傳播，它的應用就是按照這兩個

8、特點展開的。利用超聲波檢測往往比較迅速、 方便、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求,因此 在移動機器人,汽車安全,海洋測量等上得到了廣泛的應用。本設計采用超聲波傳感器工 作于發(fā)射和接收,利用聲波在空氣中的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔 計算出障礙物到超聲波測距器之間的距離，并實時顯示出來。 論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，對于系統(tǒng)的程序設計進行了討論，并且 在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎上，提出了軟件系統(tǒng)的總體構成及其子程序設計。 目錄 1緒緒論論 .1 1.1 課題設計的研究現狀.1 1.2 課題設計的任務和要求.2 1.2.1 課題設計的任

9、務 .2 1.2.2 課題設計的要求 .2 1.3 選題的意義.3 1.4 研究內容及論文構成 .3 2超聲波測距原理超聲波測距原理 .5 2.1 超聲波簡介.5 2.1.1 超聲波的聲學特性 .5 2.1.2 超聲波的發(fā)生原理 .6 2.2 超聲波傳感器的原理與特性.7 2.2.1 原理 .7 2.2.2 特性 .9 2.3 超聲波測距儀的測距原理.9 2.3.1 單片機最小系統(tǒng) .11 2.3.2 超聲波發(fā)射電路 .12 2.3.3 超聲波接收電路 .13 2.3.4 超聲波測距儀顯示電路 .15 2.4 本章小結.15 3 超聲波測距系統(tǒng)軟件設計超聲波測距系統(tǒng)軟件設計 .17 3.1 超

10、聲波設計概述 .17 3.2 主程序流程圖.18 3.3 定時/計數器 t0/t1 定時程序流程圖.20 3.3.1 方式控制寄存器-tmod.20 3.3.2 控制寄存器-tcon.21 3.3.3 定時器 t0 流程圖.21 3.3.4 定時器 t1 中斷服務程序流程圖.22 3.4 外部中斷服務程序流程圖.23 3.5 顯示程序流程圖.23 3.6 計算程序流程圖.24 4電路調試及誤差分析電路調試及誤差分析 .26 4.1 系統(tǒng)軟件的調試.26 4.2 系統(tǒng)的軟硬件串聯調試.28 4.3 系統(tǒng)的誤差分析.30 4.3.1 聲速引起的誤差 .31 4.3.2 單片機時間分辨率的影響 .3

11、1 4.3.3 隨機誤差 .32 4.4 提高測距精度的方法.32 4.5 本章小結.33 結結 論論 .34 致致 謝謝 .35 參考文獻參考文獻:.36 附錄：附錄： .37 1緒論 1.1 課題設計的研究現狀 當我們的測距技術日漸趨于成熟，我們對測距的精度要求也日漸嚴苛，傳統(tǒng)的測距 技術在某些場合已經不能夠滿足人們的需要，如在井道，水位，管道等的長度測量方面， 傳統(tǒng)的測距方式已然不再適用。在現代社會中，我們既要要求測量的準確性，又要避免 人類在危險的環(huán)境下作業(yè)。為此我們需要一種可以精確測量的非接觸式的測距方式，于 是超聲波測距儀應用而生。由于超聲波是一種非接觸式的測量方式，它具有不被光、

12、粉 塵或電磁波等外界因素干擾的一系列優(yōu)點，由于自身抗干擾性好、方向性強、反射性好 等優(yōu)點越來越多地被人們作為一種測距識別手段1。它利用超聲波測距傳感器的發(fā)射探 頭與接收探頭工作時的時間差來計算出障礙物的距離，對被測目標無任何影響，再者超 聲波傳播速度也在一定范圍內與其頻率無關。這些獨特的優(yōu)點都使得超聲波測距越來越 受到人們的重視，也從70年代末期開始在生產領域廣泛應用。這也就是超聲波常被用于 測距的原因，如測距儀或物們測量儀等等都是通過超聲波來實現的。利用超聲波檢測距 離比較迅速、方便，計算也較簡單，易于做到實時檢測，并且在精度方面也能夠達到工 業(yè)實用的要求，因此在工農業(yè)生產上也得到了廣泛的應

13、用。超聲波測距傳感器按其可實 現的檢測距離可以分為大、中、小三種量程，小量程探測距離小于2m，工作頻率 60khz300khz之間；中量程探測距離約為 2ml0m，工作頻率在 40khz60khz 之間；大量程探測距離約為 20m50m，工作頻率處在 16khz30khz之間。在我國 的相關技術與發(fā)達國家相比也較落后，因此對這種能準確、高效、實時測量距離的方式 的研究在我國尤其重要。 不論在國內還是在國外，超聲波測距都占有著相當重要的地 位，而它的應用也已經越來越廣泛，但在國內，它的發(fā)展尚處于初期階段，利用超聲波 測距技術還十分有限，在不久的未來，超聲波測距儀也必將作為重要的測距手段而被社 會

14、廣泛需要。而隨著計算機的迅速發(fā)展，超聲波測距儀將更加智能化，精確化。 1.2 課題設計的任務和要求 1.2.1 課題設計的任務 此次課題的研究方向是超聲波測距儀的軟件設計。軟件主要工作流程是：單片機編 程產生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數功能開始計時，接收到回波 后，接收電路輸出端產生的負跳變在單片機的外部中斷源輸入口產生一個中斷請求信號， 響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，然 后將數據輸出 p0 口顯示。 軟件系統(tǒng)總體劃分為：主程序模塊，顯示子程序模塊，定時子程序模塊，外部中斷 子程序模塊。 主程序完成數據初始化，參數設置，以及各功能模

15、塊的調用。 顯示部分完成數據在 led 數碼管的顯示。 中斷服務程序中，提供了定時、計數功能，并且調用相關處理程序。 故總體而言，此次選題的要求可概括為以下幾點： (1).設計出超聲波測距儀的硬件結構電路。 (2).對設計的電路進行分析能夠產生超聲波，實現超聲波的發(fā)送與接收，從而實現 利用超聲波方法測量物體間的距離。 (3).以數字的形式顯示測量距離。 (4).對設計的電路進行分析。 1.2.2 課題設計的要求 通過介紹我們知道，以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)設計簡單、方便，而且測精 度能達到工業(yè)要求。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。 通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機在發(fā)射

16、時刻同時開始計時，超聲 波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 v，根據計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā) 射點距障礙物的距離。 本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。接 收電路的輸出端接單片機的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路 的同時啟動單片機內部的定時器，利用定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到 反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在單片機 的外部中斷源輸入口產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服 務子程序

17、，讀取時間差，計算距離,結果輸出給 led 顯示。 利用本測距系統(tǒng)測量，范圍應在 20cm200cm 內，其最大誤差控制在 5cm。 1.3 選題的意義 超聲波測距儀是一種非接觸檢測技術，不受光線、被測對象著色、大小等的影響， 較其它測距儀，它更加而潮濕、高溫、粉塵、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有不污染、高可 靠、長壽命等優(yōu)點，且易于維護2。超聲波測距技術是一種原理簡單、易于實現的非接 觸測量技術，被廣泛地應用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事及日常生活等諸多領域4。利用超聲波 檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現實時控制，并且在測量精度方面能達到 工業(yè)實用的指標要求，因此為了使移動機器人能夠自動躲避障礙物行

18、走，就必須裝備測 距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向） ，因此超聲波測距在移動 機器人的研究上得到了廣泛的應用。而本次研究的就是以at89c52單片機為核心實現測 距，有著非常重要的現實意義。首先，有利于培養(yǎng)學生的獨立科研開發(fā)能力。其次，有 利于學生進一步理解所學的專業(yè)知識，將自身所學與實踐相結合，實現自身能力的鍛煉 與提高。第三，更重要是培養(yǎng)團隊合作意識，通過與搭檔的共同努力，基于對超聲波測 距儀軟硬件的了解，設計出一個簡單，精度高，誤差小的測距裝置。此題是分為兩人一 起來做的，目的在于使學生學會在團隊中擺正自己的位置，根據自己的能力分擔工作； 培養(yǎng)同組內的合作意識及學習別

19、人的長處，既能當好主角，也甘于當好配角，能腳踏實 地的做好本職工作。 1.4 研究內容及論文構成 本文設計的超聲波測距儀是動態(tài)測距，能夠連續(xù)地不間斷地對障礙物進行實時的檢 測。該裝置是由超聲波發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊、及控制模塊組成。由單片機進 行整體控制。當打開通電開關時，裝置即開始測距，從發(fā)射傳感器發(fā)射出的脈沖串會在 碰到障礙物后反射至接收傳感器，經過一系列的處理或計算過程就會在顯示模塊顯示出 來。 論文主要由以下四部分組成： 第1章為論文的緒論部分。包括選題意義、選題任務、選題要求和選題的研究背景 及其相關技術在國內外的研究現狀。 第2章為系統(tǒng)的硬件部分的整體設計。主要是講超聲波的測

20、距原理。包括對超聲波 的簡介、超聲波傳感器的原理及特性及超聲波測距儀的測距原理。 第3章為系統(tǒng)軟件設計。首先是對系統(tǒng)軟件進行整體的分析，闡述軟件設計的整體 概念，然后再具體討論程序的各個模塊。包括了主程序、顯示子程序、定時器子程序和 外部中斷子程序。并畫出各模塊的程序流程圖。 第4章為系統(tǒng)整體調試及誤差分析。先對硬件組裝及性能進行分析，再進行軟件部 分的分析，最后是軟硬件結合后的調試結果。本章的最后是對可能出現的誤差進行分析 并提出改進意見。 2超聲波測距原理 2.1 超聲波簡介 聲波是一種能在氣體、固體、及液體中傳播的機械波，由于振動頻率的不同可分為： (1)次聲波：振動頻率低于 16hz

21、的機械波。 (2)可聞波：振動頻率在 1620khz 之間，這個頻率范圍內的聲波可以為人類的耳 朵所聽到。 (3)超聲波：振動頻率高于 20khz 的機械波。 描述聲波的物理量有兩點：（1）聲壓：介質中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播 時的靜壓強介質中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的靜壓強之差稱為聲壓。隨著介 質中各點聲振動的周期性變化，聲壓也在作周期性變化，聲壓的單位是。)/( 2 mnpa (3)聲強：聲強又稱為聲波的能流密度，即單位時間內通過垂直于聲波傳播方向的單 位面積的聲波能量。聲強是一個矢量，它的方向就是能量傳播的方向,聲強的單位是 。 2 /mw 2.1.1 超聲波的聲學特性 描

22、述聲波的聲學特性的物理量有三點： （1）聲速：聲波在介質中的傳播速度取決于介質的密度和彈性性質。除水以外， 大部分液體中的聲速隨溫度的升高而減小，而水中的聲速則隨溫度的升高而增加。流體 中的聲速隨壓力的增加而增加。 其聲速 c 也與溫度有關，表 2-1 列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫 度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償 的方法加以校正。 表 2-1 聲速與溫度關系表5 溫度（） 3020100-10-20-30 聲速 （m/s） 349344338331325319313 （2）聲阻抗特性: 聲阻抗特性能直接表征介質的聲學性質，其有效值等

23、于傳聲介 質的密度 與聲速 c 之積，記作聲波在兩種介質的界面上反射能量與透射能量的cz 變化,，取決于這兩種介質的聲阻抗特性。兩種介質的聲阻抗特性差愈大，則反射波的強 度愈大。例如，氣體與金屬材料的聲阻抗特性之比，接近于 1:80000，所以當聲波垂直 入射在空氣與金屬的界面上時，幾乎是百分之百地被反射。溫度的變化對聲阻抗特性值 有顯著的影響，實際中應予以注意。 （3）聲的吸收：傳聲介質對聲波的吸收是聲衰減的主要原因之一，固體介質的結 構情況對聲波在其中的吸收有很大的影響。例如：均勻介質對超聲波的吸收并不顯著， 而當介質結構不均勻時，聲吸收情況將發(fā)生明顯變化。 2.1.2 超聲波的發(fā)生原理

24、通常正常人耳朵的聽力的聲波范圍是 20hz20khz，超聲波是指振動頻率在 20khz 以上的聲波6。因為它的振動次數甚高，超出了人類的聽覺上限，人們把這種聽不見的 聲波叫做超聲波。超聲波和可聞聲在本質上其實是一致的，它們的共同點都是機械振動 波，是一種縱波，在彈性介質內傳播。它們在本質上是一種能量的傳播形式，其不同點 是超聲波頻率較可聞波頻率高，波長也短，在一定范圍內可沿直線傳播，且具有良好的 束射性和方向性。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強， 為此利用超聲波的這種性質就可以制成超聲波傳感器。 有多種方法產生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種

25、方 法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實際中采用電路的方法產 生超聲波，根據使用目的的不同來選用其振蕩電路7?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分 為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包 括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等8。它們 所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常 用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作 的。超聲波發(fā)生器它有兩個壓電晶片和一個共振板。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，壓電晶片將會發(fā)生共振

26、，并帶動共振板振動，便產生 超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，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器了。 2.2 超聲波傳感器的原理與特性 2.2.1 原理 用超聲波作為檢測手段，應能發(fā)射超聲波和接收超聲波。可將超聲波與電量做轉換 的裝置稱為超聲波傳感器。習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感 器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式超聲波探頭)和磁致伸縮式超聲波傳感器。 （1） 壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收 探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(

27、如石英，壓電陶瓷等)的壓電效應進行工作的。 利用逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動產生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射 器。而利用正壓電效應將接收的超聲振動波轉換成電信號時，以此作為超聲波的接收器。 在實際應用中，壓電式超聲波傳感器的發(fā)射器和接收器也可合成為一體，由一個壓 電元件作為發(fā)射和接收兼用，其工作原理為：將脈沖交流電壓加在壓電元件上，使 其向被測介質發(fā)射超聲波，同時又利用它接收從該介質中反射回來的超聲波，并將反射 波轉換為電信號輸出。因此，壓電式超聲波傳感器實質上是一種壓電式傳感器。 （2）磁滯式超聲波傳感器 磁滯式超聲波傳感器主要由鐵磁材料和線圈組成。超聲波的發(fā)射原理是：把鐵磁材

28、料置于交變磁場中，產生機械振動,發(fā)射出超聲波。其接收原理是：當超聲波作用在磁致 材料上時，使磁滯材料振動,引起內部磁場變化，根據電磁感應原理，使線圈產生相應的 感應電勢輸出。 本項目所用的壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來 工作的 。超聲波換能器內部結構如圖 2-1 所示，它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，如果兩電極間未 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

29、了9。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。 圖 2-1 超聲波發(fā)生器內部結構 超聲波測距原理為：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時， 超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即 停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340，根據計時器記錄的時間 t，就可以sm/ 計算出發(fā)射點距障礙物的距離()，即：s2/340ts 這就是所謂的時間差測距法也有稱為渡越時間法 tof（time of flight），見圖 2-2。 超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波 的雙重作用，

30、即為可逆元件。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用 型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為 一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率) 有 23khz、40khz、75khz、200khz、400khz 等10。諧振頻率變高，則檢測距離變短， 分解力也變高。 圖 2-2 超聲波測距示意圖 2.2.2 特性 現以 ma40s2r 接收器和 ma40s2s 發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表 2-2 示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標稱頻率為 40khz，這是壓電元件 的中心頻率，實際上發(fā)送超聲

31、波時是串聯諧振與并聯諧振的中心頻率，而接收時各自使 用并聯諧振頻率。 表 2-2 超聲波傳感器 ma40s2r/s 的特性 種類特性ma40s2r 接收ma40s2s 發(fā)送 標稱頻率40khz 靈敏度74db 以上100db 以上 帶寬6khz 以上(80db)7khz 以上(90db) 電容1600pf1600pf 絕緣電阻100m 以上 溫度特性20+60范圍內靈敏度變化在 10db 以內 超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴展 頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏 移是不可避免的，為此，對于壓電陶瓷元件非常重要的是

32、要進行頻率調整和阻抗匹配。 ma40s2r/s 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標稱頻率為中心逐漸降低，為此， 發(fā)生超聲波時要充分考慮到這一點以免逸出標稱頻率。 圖 2-3 表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內具有較高的檢測靈敏度， 因此，適用于物體檢測與防犯報警裝置等。 2.3 超聲波測距儀的測距原理 超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間法三種。其中，相 位檢測法精度高，但檢測范圍有限; 聲波幅值檢測法易受反射介質的影響11。因此，當 前超聲波測距一般使用渡越時間法。本系統(tǒng)的特點是采用 at89c52 單片機作為控制器， 控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往

33、返時間的計時，用動態(tài)掃描法實現測距的 led 數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器產生，超聲波測距系統(tǒng)組成框圖見 圖 2-4。 圖 2-3 傳感器的方向性 單 片 機 發(fā)射電路 接收電路 障 礙 物 發(fā)射頭 接收頭 圖 2-4 超聲波測距系統(tǒng)原理圖 如圖 2-5 所示，超聲波測距系統(tǒng)是由控制電路、超聲波接收電路、超聲波發(fā)射電路、 顯示電路及電源電路幾部分組成的。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電 壓，電壓為+5v 左右，再經傳感器內部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。下面將分 別介紹控制電路也即單片機最小系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路、及顯示電路。 圖 2-5 超聲波測距系統(tǒng)的構成 2

34、.3.1 單片機最小系統(tǒng) 其作用主要是為了保證單片機系統(tǒng)能正常工作。單片機最小系統(tǒng)主要由 at89c52 單片機、外部振蕩電路、復位電路和+5v 電源組成。在外部振蕩電路中，單片機的 xtal1 和 xtal2 管腳分別接至由 12mh。晶振和兩個 22pf 電容構成的振蕩電路兩側， 為電路提供正常的時鐘脈沖。在復位電路中，單片機 rst 管腳一方面經 10f 的電容接 至電源正極，實現上電自動復位，另一方面經開關 s 接電源。其主要功能是把 pc 初始 化為 0000h，是單片機從 0000h 單元開始執(zhí)行程序，除了進入系統(tǒng)的初始化之外，當由 于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了

35、擺脫困境，也需要按復位鍵重新 l l e e d d 顯顯 示示 電電 路路 電電源源電電路路 at89c52at89c52 系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)控制電路 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路超聲波接收電路 啟動，因此，復位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的一部分。而且單片機最小系統(tǒng)也是本 次課題設計的控制中心，由它負責超聲波的發(fā)出與接收，計算并處理測量結果，最后將 結果通過 p0 口顯示出來?？梢哉f它是整個設計的核心所在，好比大腦之于人類的重要 性。如圖 2-6 即為單片機最小系統(tǒng)。 xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 p0.0/ad0 3

36、9 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.7/rd 17 p3.6/wr 16 p3.5/t1 15 p2.7/a15 28 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 2

37、4 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 u1 at89c52 r1 10k c1 10uf +5v +5v c2 22pf c3 22pf 圖 2-6 單片機最小系統(tǒng) 2.3.2 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路如圖2-7所示，at89c52通過外部引腳p1.0 輸出脈沖寬度為25s , 40khz的20個脈沖串通過超聲波驅動電路以推挽方式加到超聲波傳感器而發(fā)射出超聲波。 由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比，為了使測距范圍足夠遠，可對振蕩信號進行 功率放大后再加在超聲波傳感器上。 發(fā)射電路的主要目的是驅動超聲波發(fā)射探頭內的壓電晶片振動，使之發(fā)出超聲波， 并且

38、發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播較遠的距離，實現測量的目的。驅動超聲發(fā) 射探頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠 大的脈沖即可。發(fā)射脈沖可以由單片機或振動器來實現。本設計中采用的是由單片機發(fā) 出 40khz 的方波，單片機 p1.0 輸出的 40khz 方波信號一路經一級反向器后送到超聲波 換能器的一個電極。另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推 挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩 個反向器并聯，用以提高驅動能力。加上拉電阻一方面可以提高反向器 74hc04 輸出高 電平的驅動能力，另一方面可以

39、增加超聲波換能器的阻尼效果 ，縮短其自由振蕩的時 間。該測距電路的 40khz 方波由單片機編程產生，方波的周期為 1/40，即 25s，半ms 周期為 12.5s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產生 40khz 方波。 圖 2-7 發(fā)射部分電路圖 2.3.3 超聲波接收電路 超聲波接收器接收反射的超聲波轉換為 40khz 毫伏級的電壓信號,需要經過放大、 處理、用于觸發(fā)單片機中斷 int0。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栁⑷?，同時根據反射條件不 同信號大小變化較大，需要放大倍數大約為 100 到 5000 倍，另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩?較大，這就需要高輸入阻抗的多級放大電路，這就會引入兩個

40、問題：高輸入阻抗容易接 收干擾信號，同時多級放大電路容易自激振蕩。參考各種資料最后選用了 sony 公司的 專用集成前置放大器 cx20106 達到了比較好的效果。 cx20106由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組 成。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射 信號輸出微弱電壓時放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強時放大器不會過載。其 帶通濾波器中心頻率可由芯片腳5的外接電阻調節(jié)。功能可描述為：在接收到與濾波器 中心頻率相符的信號時，其輸出腳7腳輸出低電平。芯片中的帶通濾波器、積分器等使 得它抗干擾能力很強。如圖2-8所示： 圖2

41、-8 內部結構框圖 超聲波接收及信號處理電路是此系統(tǒng)設計和調試的一個難點。超聲波接收器包括超 聲波接收探頭、cx20106a 處理兩部分，如圖 2-9。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對 應的型號，關鍵是頻率要一致，否則將因無法產生共振而影響接收效果，甚至無法接收。 由于經探頭變換后的正弦波電信號非常弱，經過 cx20106a 處理后產生負跳變，引起單 片機的外部中斷。 圖 2-9 接收部分電路圖 2.3.4 超聲波測距儀顯示電路 超聲波測距系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結果采用十進制數字顯示。只需能顯示 0-9 的數字，且顯示穩(wěn)定無閃爍即可。因此顯示部分采用七段半導體數碼管即 led。根 據各管的

42、極管接線形式，可分為共陰極型和共陽極型。在共陰極接法中，led 數碼管的 g-a 七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。而在共陽極接法中，剛 好與共陰極接法向反。led 數碼管具有亮度大，響應速度快等優(yōu)點。led 顯示器有靜 態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。本設計中采用動態(tài)顯示方式，以實時顯示距離變化。 電路圖如圖 2-10 所示。本設計采用單片機直接驅動 led 的方法，從而簡化了顯示 電路。但是，在制作超聲波測距系統(tǒng)的過程中，由單片機直接驅動 led 顯示，電流較 小，led 雖然有顯示但是比較暗，因此用了三極管來對電流進行放大可解決這個問題。 圖 2-10 顯示電路圖 p3.2 2.

43、4 本章小結 本章我們詳細介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆 效應的原理產生超聲波的。 超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分、顯示電路以及電源部分構成。超 聲波的測距原理，它包括對單片機的最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路及顯 示電路的介紹。 3 超聲波測距系統(tǒng)軟件設計 3.1 超聲波設計概述 本系統(tǒng)采用模塊化設計，由主程序、定時子程序、顯示子程序及外部中斷服務子程 序組成。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

44、所用的時間 t12，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： （3-1） 2/ )(2/tcsd 其中，為被測物與測距儀的距離， 為聲波的來回的路程， 為聲速， 為聲波來回所dsct 用的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 t0，利用定時器的計數功 能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出 端產生一個負跳變，在 int0 端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí) 行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。當系統(tǒng)進入超聲波接收中斷程序后， 該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

45、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。測出的結果將以十進制 bcd 碼方式送 led 顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復前面的測量過程。 系統(tǒng)資源分配表見表 3-1。 表 3-1 資源分配表 接口功能 p0,p2顯示輸出口 p1.0超聲波輸出端口 p3.2超聲波接收中斷入口 t1定時模式 2 t0計數模式 1 外部中斷 0判斷回波 3.2 主程序流程圖 單片機編程產生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數功能開始計時， 接收到回波后，接收電路輸出端產生的負跳變在單片機的外部中斷源輸入口產生一個中

46、斷請求信號，響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，停止計時，讀取時間差， 計算距離，然后通過軟件譯碼，將數據輸出 p0 口顯示。 主程序的流程圖如圖 3-1 所示： 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 位定時計數器模式， t1 為定時器 t2 模式，開中斷 ie，再設置超聲波個數。再開 t0，調用顯示程序。由于 采用的是 12 mhz 的晶 振，計數器每計一個數就是 1s，當主程序檢測到接收成功的標 志位后，將計數器 t0 中的數（即超聲波來回所用的時間）按式 3-2 計算，即可得被測 物體與測距儀之間的距離，設計時取 20時的聲速為 340 m/s 則有：

47、（3-2) 2/01702/ )(ttcd 其中，為計數器 t0 的計算值。 0t 測出距離后結果將以十進制 bcd 碼方式送往 led 顯示，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。 部分源程序如下： init_ctc( ); /* 初始化定時器 */ init_int( ); /* 初始化外部中斷 */ clflag=1; /* 測量標志 */ cshu=0; /* 傳數 */ delay(200); /*延時*/; ie=0 x80; /* 開中斷 */ et1=1; et0=1; tr1=0; tr0=0; tl1=t12us;

48、 th1=t12us; 開始 系統(tǒng)初始化 t1 自動重裝為 16 位定時器 設置超聲波個數 計算距離 調用顯示 標志位 cl flag 是否為 1？ 開 t0 p1.0 口發(fā)送超聲波 y n 返回 圖3-1主程序流程圖 3.3 定時/計數器 t0/t1 定時程序流程圖 at89c52 單片機內帶有兩個 16 位定時/計數器 t0 和 t1，它們均可作為定時器或計 數器使用。這兩個定時/計數器可用于定時、延時、對外部事件計數、分頻及事故記錄 等。它由 6 個特殊功能寄存器組成。其中 tmod 為定時/計數器方式控制寄存器； tcon 為定時/計數器控制寄存器。 3.3.1 方式控制寄存器-tmo

49、d 定時/計數器 t0、t1 都有四種工作方式，可通過程序對 tmod 進行設置來選擇， 其各位定義如下： tmod.7tmod.6tmod.5tmod.4tmod.3tmod.2tmod.1tmod.0 gate tc / m1m0gate tc / m1m0 gate：門控位。當 gate0，定時器只由 tr0 或 tr1 來控制啟停。此時如果 位為 1，定時器啟動開始工作；為 0，定時器停止工作；當 gate1 時，定時器的 i tr 啟動要由外部中斷引腳和位共同控制。只有當外部中斷引腳 int0 或 int1 為高時， i tr 置 1 才能啟動定時器工作。 i tr ：定時或計數功能

50、選擇位。當o 時設置為定時器方式；當1 時設tc /tc /tc / 置為計數器方式。 m1、m0：定時/計數器工作方式選擇位。定時/計數器有四種工作方式，如表 4-2： 表 4-2 定時/計數器工作方式的選擇 m1 mo工作方式功能描述 0 0方式 013 位定時/計數器 0 1方式 116 位定時/計數器 1 0方式 2具有自動重裝初值的 8 位定時/計數器 1 1方式 3分為兩個獨立的 8 位計數器（僅適用于 t0） 3.3.2 控制寄存器-tcon tcon 是用于控制定時/器的啟、停溢出標志和外部中斷信號觸發(fā)方式，其各位定義 如下： tcon.7tcon.6tcon.5tcon.4t

51、con.3tcon.2tcon.1tcon.0 tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0 tf1 和 tf0；分別為定時器 1 和定時器 0 溢出標志。當定時器計滿產生溢出時，由 硬件自動置“1”，并可申請中斷。進人中斷服務程序后，由硬件自動清 0。這兩位也可作 為程序查詢的標志位，在查詢方式下應由軟件來清 0。 tr1 和 tr0：為定時器 1 和定時器 0 的啟動控制位。當由軟件使 tri清 0 而停止定 時器的工作。定時器啟動時該位應置“1”。 ie1 和 ie0：為外部中斷 int1 和外部 int0 的中斷請求標志位。當外部中斷源有請 求時其對應的中斷標志位置“1”。其復位由

52、觸發(fā)方式來設置。 it1 和 it0：為外部中斷 1 和外部中斷 0 的觸發(fā)方式選擇位。設置為“0”時為電平 i it 觸發(fā)方式；設置為“1”時為邊沿觸發(fā)方式。 tcon 中低 4 位是與外部中斷有關的位，高 4 位為定時器控制位。它是一個可以進 行位尋址的寄存器。當系統(tǒng)復位時所有位均為 0。若要啟動定時器可以使用位 操作指令 setb 來啟動13。 i tr 3.3.3 定時器 t0 流程圖 在本系統(tǒng)中設置 t0 工作在模式 1 下，為 16 位計數器，這 16 位是由 th0(th1)的高 8 位和 tl0(tl1)的低 8 位構成。在方式 1 工作下，計數器計數范圍為 1 至 65536

53、。 它的初始化指令為 init_ctc( )。 如圖 3-3 所示，剛開始是定時器 t0 入口，然后在關定時。這里之所以關定時是為 了讓 t0t1 能夠同步，也就是發(fā)射超生波的同時開始計時。關定時之后，給它賦初值 00. 這時在同時啟動 t0、t1。 計數器 t0 入口 關定時 啟動 t0，t1 賦初值 返回 圖 3-2 定時器 t0 流程圖 3.3.4 定時器 t1 中斷服務程序流程圖 方式 2 有自動重新加載初值的功能，使定時器做更精確的計時。在方式 2 工作下， 計數器最多可計數個數為 m2e8256。 本設計采用模式 2，其具體程序如下： tmod=0 x21; /工作于模式 2 th

54、1=t12us; /設置初值 tl1= t12us; 如圖 3-4 所示，剛開始是定時器 t1 入口，然后 p1.0 取反，從 p1.0 口輸出的是高電 平，取反后會發(fā)生跳變，產生方波。這時在檢驗是否發(fā)送完。程序設計的是給串數 （cshu）自減，減到零時就發(fā)送完.如果發(fā)送完就關 t1，如果沒有發(fā)送完，就繼續(xù)發(fā)送。 然后再開外部中斷。 定時器 t1 入口 p1.0 發(fā)送脈沖 關 t1 開外部中斷 中斷返回 是否發(fā)送完 ？ n y 圖 3-3 定時器 t1 中斷服務流程圖 3.4 外部中斷服務程序流程圖 如圖 3-4 所示，進入外部中斷入口，關 t0t1 及外部中斷，再送計數值，也就是超 生波發(fā)送

55、到接收到的時間，再置位標志位。 3.5 顯示程序流程圖 如圖 3-5 所示，在 c 語言編程中，僅需把計算的四個十進制數字逐個送入 p0 口即 可，且每個數字顯示前有 0.2s 的延時。 圖 3-4 外部中斷子程序流程圖 圖 3-5 顯示程序流程圖 3.6 計算程序流程圖 利用超聲波測距儀測距的核心是測得計數器 t0 的數，將測量的時間轉換為距離。 以下程序流程可實現系統(tǒng)的計算功能。 延時 0.2s 將第一位數送入 p0 口 將第二位數送入 p0 口 將第三位數送入 p0 口 延時 0.2s 返回 將第四位數送入 p0 口 延時 0.2s 延時 0.2s 關外部中斷 讀取時間值 計算距離 結果

56、輸出 置位標志位 返回 外部中斷入口 系統(tǒng)計算流程圖如圖 3-6 所示： 利用式子 10000000/0170 t 求得第一位數字 讀取 t0 值 利用式子求1000000/0170 t 得第二位數字 返回 利用式子求得10000/0170 t 第四位數字 利用式子求得100000/0170 t 第三位數字 顯示結果 圖 3-6 計算程序流程圖 4電路調試及誤差分析 4.1 系統(tǒng)軟件的調試 硬件電路制作完成并調試好后，便可使用合適的軟件編程將程序編譯好下載到單片 機試運行。根據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。根據所設計的電路參

57、數和程序，測距儀能測的 范圍為 20200cm，測距儀最大誤差不超過 5cm。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。下面介紹本系統(tǒng) 所采用的編程調試軟件的使用及程序下載。如下圖 4-1 所示，雙擊就可以打開程序編輯 環(huán)境。 圖 4-1 keil 軟件啟動圖標 keil 軟件是目前最流行開發(fā) mcs-51 系列單片機的軟件，keil 提供了包括 c 編譯器、 宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一 個集成開發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部份組合在一起，掌握這一軟件的使用對于使用 51 系列單片機來說是

58、十分必要的，如果你使用 c 語言編程，那么 keil 幾乎就是你的不二 之選，即使不使用 c 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿 真調試工具也會令你事半功倍。 使用 keil software 工具時你的項目開發(fā)流程和其它軟件開發(fā)項目的流程極其相似 ： 1 創(chuàng)建一個項目從器件庫中選擇目標器件配置工具設置 2 用 c 語言或匯編語言創(chuàng)建源程序 3 用項目管理器生成你的應用 4 修改源程序中的錯誤 5 測試連接應用 6 下載程序到單片機 下面通過截圖進行說明： 圖 4-2 keil 的操作環(huán)境圖 4-3 芯片的選擇 圖 4-2 為 keil 的操作環(huán)境。新建工程之后就會，彈

59、出如上圖所示的芯片選擇窗口。 在這里我們選擇 at89c52 單片機，圖 4-3 顯示的就是該單片的相關信息。由于本系統(tǒng) 軟件采用 c 語言編寫，因此文件格式尾注必須是.c,然后點擊按鈕 add，將編寫好的文 檔添加入工程，如圖 4-4，圖 4-5 為文檔添加后的工程樣式。圖 4-6 為選擇 12mhz 的晶 振，再從 output 選項中選擇生成 hex 文件，如圖 4-7。 圖 4-4 文件的添加窗口圖 4-5 右側顯示就是文檔添加后的工程樣式 圖 4-6晶振的頻率選擇窗口圖 4-7生成 hex 文件的選項框 4.2 系統(tǒng)的軟硬件串聯調試 硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到

60、單片機試運行。根據實 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。在用超聲波傳感器測距離時，接收端會直接接收發(fā)射端的信號， 影響測量,在程序設計中應該考慮如何避免。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測 的范圍為 20200cm，測距儀最大誤差不超過 5cm。 系統(tǒng)調試完后可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)減小 測距誤差，使其滿足更高的測量要求。 下圖 4-7 為仿真調試圖 圖 4-7系統(tǒng)調試圖 把程序燒入已經調試好的硬件電路中后，便可實現超聲波的測距功能。本系統(tǒng)可實 現從 20cm 到 200cm 的精確測量。如圖 4