用51單片機設計超聲波測距系統(tǒng)的設計原理與電路(附源程序)

1、 . . . 1 / 17基于基于5151單片機的超聲波測距儀說明書單片機的超聲波測距儀說明書引言引言超聲波測距儀，可應用于汽車倒車、建筑施工工地以與一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。利用超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制。一、性能要求一、性能要求 該超聲波測距儀，要求測量圍在0.08-3.00m，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。二、工作原理與方案論證二、工作原理與方案論證超聲波傳感器與其測距原理超聲波是指頻率高

2、于20KHz 的機械波。用超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器.超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（timeofflight） 。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。根據(jù)要求并綜合各方面因素，采用 AT89C52單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時 . . . 2

3、 / 17器完成，超聲波測距儀的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖1 超聲波測距儀系統(tǒng)設計框圖三、系統(tǒng)硬件部分、系統(tǒng)硬件部分硬件部分主要由單片機系統(tǒng)與顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。1.單片機系統(tǒng)與顯示電路單片機采用 AT89C52來實現(xiàn)對 CX20106A 紅外接收芯片和 TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機通過 P1.1引腳發(fā)射脈沖控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測外中斷0口 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。顯示電路采用簡單實用的4

4、位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管驅(qū)動。單片機系統(tǒng)與顯示電路如下圖所示： . . . 3 / 17XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3

5、.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C52Q19012Q39012Q49012Q290121A021A141A261A382A0112A1132A2152A3171OE12OE191Y0181Y1161Y2141Y3122Y092Y172Y252Y33U274LS244R510510R14.7KR24.7KR34.7KR44.7KVccC13.3uXT112MS1C320pR810KC220pGND圖2 單片機系統(tǒng)與顯示電路2.超聲波發(fā)射電路 . .

6、 . 4 / 17 利用555時基電路振蕩產(chǎn)生40kHz 的超聲波信號，使之與換能器的40kHz 固有頻率一致。12V 電源保證555時基具有足夠驅(qū)動能力。P1.1為超聲波發(fā)射控制信號，由單片機控制。發(fā)射電路如圖3所示：TRIG2Q3R4p1.1p1.1CVolt5THR6DIS7VCC8GND1555p1.13300PC50.1C6TR51k+12V5kR6 圖3 超聲波發(fā)射電路原理圖3.超聲波檢測接收電路 超聲波接收電路采用集成電路 CX20106A，這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?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz 與測距超聲波頻率40KHz 較為接近，

7、可以利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當改變 C4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。接收電路如圖4所示： . . . 5 / 17 圖4 超聲波接收電路圖四系統(tǒng)軟件部分四系統(tǒng)軟件部分超聲波測距程序設計軟件部分主要由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序與顯示子程序組成。下面對超聲波測距儀的算法，主程序，超聲波發(fā)射子程序和超聲波接受中斷程序逐一介紹。1超聲波測距儀的算法設計下圖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)出的一個超聲波信號，當超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接受。這樣只要計算出發(fā)生信號到接受

8、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。距離計算公式：d=s/2=(c*t)/2*d 為被測物與測距器的距離，s 為聲波的來回路程，c 為聲速，t 為 . . . 6 / 17聲波來回所用的時間2.主程序主程序框圖如右圖所示：主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0工作模式為16位的定時計數(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，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms(這也就是測距器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12MHz 的晶

9、振，機器周期為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）按下式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離,設計時取20時的聲速為344m/s 則有：d=(C*T0)/2=172T0/10000cm（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 LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。3.超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 . . . 7 / 17超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.1端口發(fā)送超聲波發(fā)射控制脈沖信號，同時把計數(shù)器 T0打開進行計時。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（I

10、NT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進入中斷程序。進入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。五軟硬件調(diào)試與性能五軟硬件調(diào)試與性能超聲波發(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，保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm。 主要性能指標：測距儀能測的圍為0.083.00m，測距儀精度1cm。程序清單以下是用匯編語言編寫的超聲波測距控制源程序：采用 AT89S52 12z

11、晶振顯示緩沖單元在，使用存 44H、45H、46H 用于計算距離20H 用于標志VOUT EQU P1.0 ;脈沖輸出端口*中斷入口程序*ORG 0000H LJMP STARTORG 0003H LJMP PINT0ORG 000BH LJMP INTT0ORG 0013H RETIORG 001BH LJMP INTT1 . . . 8 / 17ORG 0023HRETIORG 002BH RETI*主程序*START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H ;4043H 為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40 為最高位） MOV R7,#0BHCLEARDISP:MOV R0, #00H

12、 INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ;T1 為 8 位自動重裝模式，T0 為 16 位定時器 MOV TH0, #00H ;65ms 初值 MOV TL0, #00H ;40KHz 初值 MOV TH1, #0F2H MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFHMOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFHMOV R4, #04H ；超聲波脈沖個數(shù)控制（為賦值的一半）SETB PX0SETB ET0STEB EACLR 00HSETB TR0 ;開啟測距定時器START1

13、: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信號時標志位為 1 CLR EA LCALL WORK ；計算距離子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ；重新開啟測距定時器 MOV R2, #64H ； 測量間隔控制（約 4*100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP START 1 . . . 9 / 17*中斷程序*;T0 中斷，65ms 中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB T

14、R0 ;啟動計時器 T0，用以計算超聲波來回時間 SETB TR1 ;開啟發(fā)超聲波用定時器 T1OUT: RETI;T1 中斷，發(fā)超聲波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 ；超聲波發(fā)送完畢，關 T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ；開啟接收回波中斷RETIOUT: RETI;外中斷 0，收到回波時進入PINT0: CLR TR0 ；關計數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H, TL0 ；將計數(shù)值移入處理單元 MOV 45H, TH0 SETB 00H ；接收成功標志 RETI*

15、延時程序*DL1MS: MOV R6, #14HDL1: MOV R7, #19HDL2: DJNZ R6, DL2 DJNZ R6, DL1 RET*顯示程序*;40H 為最高位，43H 為最低位，先掃描高位 . . . 10 / 17DISPLAY：MOV R1, #40H;GMOV R5,#0F7H;GPLAY:MOV A, R5MOV P0, #0FFHMOV P2, AMOV A, R1MOV DPTR, #TABMOVCA, A+DPTRMOV P0, ALCALL DLIMSINCR1MOV A, R5JNB ACC.0, ENDOUT;GRRAMOV R5, AAJMPPLAY

16、ENDOUT;MOV P2, #0FFHMOV P0, #0FFHRETTAB; DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH；共陽數(shù)碼管 0 ,1, 2,3,4,5,6,7,8,9,不亮，A, *距離計算程序(=計算值17/1000cm) 近似WORK:PUSHACCPUSHPSW PUSHBMOVPSW, #18HMOVR3, 45HMOVR2, 44HMOVR1, #00D MOVR0, #17DLCALL MUL2BY2MOVR3, #03HMOVR2, #0E8H LCALLDIV4BY2LCALLDIV4

17、BY2MOV40H, R4MOVA, 40HJNZJJ0MOV40H, #0AH ;最高位為 0，不點亮 . . . 11 / 17JJ0:MOVAR0MOVR4, AMOVAR1MOVR5 AMOV R3, #00DMOVR2, #100DLCALLDIV4BY2MOV41H, R4MOVA, 41H JNZJJ1MOVA, 40H ；此高位為 0，先看最高位是否為不亮 SUBBA, #0AHJNZJJ1MOV41H, #0AH ； 最高位不亮，次高位也不亮JJ1:MOVA, R0MOVR4, AMOVA, R1MOVR5, AMOVR3, #00DMOVR2, #10DLCALL DIV4

18、BY2MOV42H, R4MOVA42HJNZJJ2MOVA, 41H ;次高位為 0，先看次高位是否為不亮SUBBA, #0AHJNZJJ2MOV42H, #0AH ；次高位不亮，次高位也不亮JJ2:MOV43H, R0POPBPOPPSWPOPACCRET *兩字節(jié)無符號數(shù)乘法程序 MUL2BY2:CLRAMOVR7, AMOVR6, AMOV R5, AMOVR4, AMOV46H, #10HMULLOOP1:CLRC . . . 12 / 17MOVA, R4RLCAMOVR4, AMOVA, R5RLCAMOVR5, AMOVA, R6RLCAMOVR6, AMOVA, R7RLCA

19、MOV R7, AMOV A, R0RLC AMOVR0, AMOVA, R1RLCAMOVR1, AJNCMULLOOP2MOVA, R4ADDA, R2MOVR4, AMOVA, R5ADDCA, R3MOVR5, AMOVA, R6ADDCA, #00HMOVR6, AMOVA, R7ADDCA, #00HMOVR7, AMULLOOP2:DJNZ46H, MULLOOP1RET*四字節(jié)/兩字節(jié)無符號數(shù)除法程序*DIV4BY2:MOV46H, #20HMOVR0, #00HMOVR1, #00HDIVLOOP1: MOVA, R4 RLCAMOVR4, AMOVA, R5RLCA . .

20、 . 13 / 17MOVR5, AMOVA, R6RLCAMOVR6, AMOVA, R7RLCAMOVR7, AMOVA, R0RLCAMOVR0, AMOVA, R1RLCAMOVR1, A CLRCMOVA, R0SUBBA, R2MOVB, AMOV A, R1SUBBA, R3JCDIVLOOP2MOVR0, BMOVR1, ADIVLOOP2:CPLCDJNZ46H, DIVLOOP1MOVA, R4RLCAMOVR4, AMOVA, R5RLCAMOVR5, AMOVA, R6 RLCAMOVR6, AMOVA, R7RLCAMOVR7, ARET;END 附 C51 程序#I

21、NCLUDE . . . 14 / 17#DEFINE UCHAR UNSIGNED CHAR#DEFINE UINT UNSIGNED INT#DEFINE ULONG UNSIGNED LONG EXTERN VOID CS_T(VOID);EXTERN VOID DELAY(UINT);EXTERN VOID DISPLAY(UCHAR*);/DATA UCHAR DISPLAY(UCHAR*);DATA UCHAR TESTOK;VOID MAIN (VOID)DATA UCHAR DISPRAM5;DATA UINT I;DATA ULONG TIME;P0=0XFF;P2=0XFF

22、;TMOD=0X11;IE=0X80;WHILE (1) CS_T(); DELAY(1);TESTOK=0;EX0=1;ET0=1;WHILE(! TESTOK) DISPLAY(DISPRAM);IF (1=TESTOK) TIME=TH0; TIME=(TIME8)| TL0; TIME*=172; TIME/=10000; DISPRAM0=(UCHAR) (TIME%10); TIME/=10; DISPRAM1=(UCHAR) (TIME%10); TIME/=10; DISPRAM2=(UCHAR) (TIME%10); DISPRAM3=(UCHAR) (TIME/10); I

23、F (0=DISPRAM3) DISPRAM3=17; ELSE . . . 15 / 17 DISPRAM 0=16; DISPRAM 1=16; DISPRAM 2=16; DISPRAM 3=16; FOR (I=0;I300;I+) DISPLAY(DISPRAM); VOID CS_R(VOID) INTERRUPT 0 TR0=0; ET0=0; EX0=0; TESTOK=1;VOID OVERTIME(VOID) INTERRUPT 1 EX0=0; TR0=0; ET0=0; TESTOK=2; NAME CS_T?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODE PUBL

24、IC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_T CS_T: PUSH ACC MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV A, #4D SETB TR0CS_T1: CPL p1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP . . . 16 / 17 NOP NOP NOP NOP DJNZ ACC,CS_T1 POP ACC RET ; END NAME DELAY?PR?_DELAY?DELAY SEGMENT CODEPUBLIC _DELAY RSEG ?PR?_DELAY?DELAY_DELAY: PUSH ACC MOV A,R7JZ DELA1 INC R6DELA1: MOV