超聲波測距儀硬件電路的設計.doc

1、超聲波測距儀電路輪機系樓宇071 周鈺泉 2007212117實驗目的： 了解超聲波測距儀的原理，掌握焊接方法，掌握電路串接方法，熟悉電路元件.實驗設備及器材：電烙鐵，錫線，電路元件以下為元件清單:參數(shù)名稱代號數(shù)量參數(shù)名稱代號數(shù)量470UC111KR1, R2， R3, R4， R16， R176100uC214。7R131104C3， C42220KR141224C5， C10222KR151223C614.7KR181330PC71按鍵RST, S1, S2， S3， S453.3UFC81蜂鳴器SP111UFC91超聲波接收管R147UFC111超聲波發(fā)射管T110uFC121LM780

2、5U1130pCY1, CY2274HC245U214007D1, D2， D3， D4489S52U310.36數(shù)碼管DS11CD4069/74LS04U41360R5， R6， R7， R8， R9， R10, R11, R12,8CX20106AU5110K排阻PR1111。0592MY118550Q1, Q2, Q3， Q4, Q55DC電源插座P11下載頭JTAG1PCB電路板1實驗步驟：1，學習keil軟件編寫程序 2、焊接電路板 3、運行調(diào)試超聲波測距程序：include <AT89X52。H>unsigned char code dispbitcode=0x31,0

3、x32，0x34，0x38，0x30,0x30，0x30,0x30;unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f，0x00,0x77，0x7c，0x39;unsigned char dispbuf8=10，10,10，10,10,10,0,0；unsigned char dispcount；unsigned char getdata;unsigned int temp；unsigned int temp1； unsigned char i;sbit ST=P30；sbit OE=P3

4、1；sbit EOC=P34;sbit CLK=P35;sbit M1=P36;sbit M2=P37;sbit SPK=P26；sbit LA=P33;sbit LB=P32;sbit LC=P27；sbit K1=P24;sbit K2=P25;bit wd；bit yw;bit shuid；bit shuig;unsigned int cnta;unsigned int cntb;bit alarmflag；void delay10ms（void） unsigned char i,j; for(i=20;i0；i-) for（j=248;j>0;j);void main（void)

5、 M1=0; M2=0； yw=1； wd=0； SPK=0； ST=0； OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216； TL0=0x216; TH1=(65536-500）/256； TL1=（65536500）%256; TR1=1； TR0=1； ET0=1； ET1=1; EA=1； ST=1; ST=0; while（1) if(K1=0) delay10ms（)； if(K1=0) yw=1； wd=0； else if(K2=0） delay10ms（); if(K2=0) wd=1; yw=0； else if(LC=1) delay10ms(）； if（LC=1)

6、M1=0； M2=1； temp1=13； shuid=0； shuig=1; LB=0; else if(（LC=0） && (LB=1） delay10ms(）； if（(LC=0） (LB=1） M1=0； M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; else if（LB=0） && (LA=1）) delay10ms（）； if（(LB=0) & (LA=1) M1=1; M2=0；temp1=11;shuig=0；shuid=0;LB=0； else if （LA=0) delay10ms(）；if(LA=0

7、) M1=1；M2=0;temp1=0;shuid=1;shuig=0；LB=0； void t0（void) interrupt 1 using 0 CLK=CLK；void t1(void) interrupt 3 using 0 TH1=(65536-500）/256; TL1=（65536500）256; if（EOC=1) OE=1； getdata=P1; OE=0； temp=getdata*25； temp=temp/64； i=2; dispbuf0=10; dispbuf1=10; dispbuf2=0； dispbuf3=0; if（yw=1)&（wd=0)） d

8、ispbuf+i=temp1； else if（yw=0）&(wd=1） while（temp/10) dispbufi=temp/10； temp=temp%10; dispbuf+i=temp； ST=1； ST=0; P0=dispcodedispbufdispcount; P2=dispbitcodedispcount; dispcount+； if(dispcount=8） dispcount=0； if(shuig=1） & (shuid=0)） cnta+; if(cnta=800) cnta=0; alarmflag=alarmflag； if(alarmfla

9、g=1) SPK=SPK； else if(shuig=0） & （shuid=1)） cntb+; if(cntb=400） cntb=0; alarmflag=alarmflag; if(alarmflag=1） SPK=SPK; else alarmflag=0; cnta=0; cntb=0； /完整的程序電路原理圖：實驗內(nèi)容： 1.1超聲波測距儀硬件電路硬件電路可分為單片機系統(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。1.2單片機系統(tǒng)及顯示電路本系統(tǒng)采用AT89S52來實現(xiàn)對超聲波傳感器的控制。單片機通過P1。0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測

10、INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：單片機采用89S52或其兼容系列.采用12MHz高精度的晶振,已獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減少測量誤差。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口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。1.3顯示的輸出顯示的種類很多,從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT顯示器等,都可以與微機連接。其中單片機應用系統(tǒng)最常用的顯示是發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器（簡稱LED顯示器)。液晶顯示器簡LCD。LE

11、D顯示器價廉，配置靈活,與單片接口方便,LCD可顯示圖形,但接口較復雜成本也較高。該電路使用7段LED構(gòu)成字型“8”，另外還有一個發(fā)光二極管顯示符號及小數(shù)點.這種顯示器分共陽極和共陰極兩種。這里采用共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極共接，如下圖1所示，當某個發(fā)光二極管的陰極為低電平時，該發(fā)光二極管亮。它的管腳配置如下圖2所示.VCC圖1圖2實際上要顯示各種數(shù)字和字符，只需在各段二極管的陰極上加不同的電平，就可以得到不同的代碼。這些用來控制LED顯示的不同電平代碼稱為字段碼（也稱段選碼）。如下表為七段LED的段選碼。 表3-1 七段LED的段選碼顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba顯示字符共

12、陽極段選碼dp gfedcba 0 C0H A 88H 1 F9H B 83H 2 A4H C C6H 3 B0H D A1H 4 99H E 86H 5 92H F 8EH 6 82H P 8CH 7 F8H y 91H 8 80H 8。 00H 9 90H“滅” FFH本系統(tǒng)顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動.單片機系統(tǒng)顯示電路如圖3所示。圖3單片機系統(tǒng)及顯示電路1.4 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4所示。發(fā)射電路主要有反向器CD4069和超聲波發(fā)生換能器T構(gòu)成,單片機P1。0的端口輸出 40KHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器

13、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(lián)，用以提高驅(qū)動能力.上拉電阻R10,R11一方面可以提高反向器74lS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果,縮短其自由震蕩的時間。圖4超聲波發(fā)射電路原理圖1。5 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHZ與測距的超聲波頻率40KHZ較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路（如圖5）。實驗證明用CX20106A接受

14、超聲波（無信號時輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖5超聲波檢測接收電路原理圖2。超聲波測距儀系統(tǒng)程序的設計2。1 超聲波測距儀的程序設計超聲波測距器的軟件設計主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接受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并且容易精確計算程序運行的時間，而超聲波測距器的程序既有較復雜的計算（計算距離時），有要求精確計算程序運行時間（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。下面對超聲波測距器的算法、主程序、超聲波發(fā)生子程序

15、和超聲波接收斷程序逐一介紹。2。1.1 超聲波測距器的算法設計圖6示意了超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波信號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，就可以計算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。TR圖6超聲波測距的示意圖距離的計算公式：d=s/2=(ct）/2其中d為被測物與測距器的距離,s為聲波的來回路程，c為聲波,t為聲波來回所用的時間。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關，表41列出了幾種不同溫度下的超聲波聲速，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

16、精度要求很高,則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?聲速校正后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。表41 不同溫度下超聲波聲速表溫度30-20-100102030100聲速c/m/s313 3193253233383443493862.1。2 主程序主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設定定時器T0工作模式為6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P2清0。然后調(diào)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。1ms(這也就是超聲波測距器會有一個最小測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MH

17、z的晶振,計算器每計一個數(shù)就是1us,，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（12）計算,即可得被測物體與測距器之間的距離,設計時取20時的聲速為344m/s則有D=（ct)/2=172T0/10000cm1-2其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值。測出距離后結(jié)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(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。圖7為主程序流程圖。開始系統(tǒng)初始化顯示結(jié)果0.5s發(fā)射超聲波脈沖計算距離等待反射超聲波圖7主程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖8所示:圖8超聲波測距程序流程圖工作時

18、，微處理器AT89S52先把P1。0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計時。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后2。38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時表明信號已經(jīng)返回,微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。 2。2 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波

19、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(頻率約為40kHz的方波），脈沖寬度為12us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,但要求程序運行時間準確,所以采用匯編語言編程。超聲波測距器主程序利用外中斷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。進入該中斷程序后立即關閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出是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以表示本次測距不成功。3。超聲波測距儀誤差分析與調(diào)試3.1 誤差來源分析由超聲波測距原理可知,它是基于聲波速度不隨頻率變化為基礎的，利用聲波行進于待測距離的時間為測量參量確定待測間距。主要誤差來源有：（1）聲波速度變化引起的誤差，這與空氣的元素含量以及空氣溫度有關。由聲波傳播速度可知，聲速是與空氣的分子量與以及空氣溫度有關。(2)脈沖計數(shù)頻率的穩(wěn)定性是直接導致“等效標準尺”長度變化的因素。由測長誤差關系式可得,當脈沖頻率準確到105時，如果測量距離L是100米的話,=0.001米，此誤差遠小于超生測長誤差。（3）開關門的可靠性是標志超聲波測距可靠性的關鍵，即同步門控制。也就是說，超聲波發(fā)射與脈沖計