基于單片機的測距儀設計

1、四川理工學院畢業(yè)設計（論文）基于單片機的測距儀設計QQ:271021773四川理工學院計算機學院二O 0 九年六月I基于單片機的測距儀設計摘 要本文詳細介紹了一種基于單片機的脈沖反射式超聲測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時間差來測量待測距離。論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，介紹超聲傳感器的工作機理及特性，對影響測距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進行了討論。并且在介紹超聲測距系統(tǒng)功能的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體構成。針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設計方案進行了論證。進一步介紹了STC89C52RC單片機在系統(tǒng)中的應用，分析了系統(tǒng)各部分的硬件及軟

2、件實現(xiàn)。關鍵字：單片機；測距儀；超聲波；超聲波傳感器IThe design of range finder base on single-chipABSTRACTThis paper introduces a method based on single chip pulse reflex ultrasonic ranging system. this system can measure the distance which is based on the speed ofultrasonic and used the time difference of launch ultrasonic

3、 and reflection echo.this paper summarizes the development and basic principle of the ultraonic testing,the working mechanism and characteristics of the ultrasonic sensors.there is a discussion about some major parameters of the influence ranging system.based on the introduces of the ultrasonic rang

4、ing system function,The overall system is proposed.according to transmitting and receiving, detection, and display part of distance measuring system's overall desgin,the schemes are discussed.the further introduction of this paper is the application of STC89C52RC single chip microcomputer in the

5、 system, and the analysis of all the parts of the system hardware and software realization.Keywords:single chip;range finder; ultrasonic wave; ultrasonic sensorII目 錄第1章 概述 . 1第2章 方案論證 . 22.1發(fā)射電路 . 22.2接收電路 . 5第3章 超聲波簡介 . 83.1超聲波的特點及其分類 . 83.3 超聲波的效應 . 10第4章 超聲波傳感器 . 114.1超聲波傳感器的種類及其特點 . 114.2超聲波傳感器的

6、外形及內(nèi)部結構 . 134.3超聲波傳感器的選擇材料 . 144.4 TCT40-16T/R超聲波傳感器 . 15第5章 系統(tǒng)主要硬件 . 錯誤！未定義書簽。5.1 單片機的說明 . 錯誤！未定義書簽。5.2超聲傳感器的主要參數(shù)及選擇 . 錯誤！未定義書簽。5.2.1主要參數(shù) . 錯誤！未定義書簽。5.2.2超聲傳感器的選擇 . 錯誤！未定義書簽。5.3超聲測距原理與方法 . 錯誤！未定義書簽。第6章 超聲波測距系統(tǒng)的設計方案 . 錯誤！未定義書簽。6.1 概述 . 錯誤！未定義書簽。6.2 超聲波發(fā)射電路 . 錯誤！未定義書簽。6.3 超聲波接收電路 . 錯誤！未定義書簽。6.4 顯示電路

7、. 錯誤！未定義書簽。第7章 系統(tǒng)的軟件設計 . 錯誤！未定義書簽。7.1 主程序設計 . 錯誤！未定義書簽。7.2 定時器T1的中斷服務程序 . 錯誤！未定義書簽。7.3 定時器T0的中斷服務程序 . 錯誤！未定義書簽。7.4 外部中斷0的中斷服務程序 . 錯誤！未定義書簽。7.5 顯示子程序 . 錯誤！未定義書簽。III結束語 . 錯誤！未定義書簽。 參考文獻 . 錯誤！未定義書簽。 致謝 . 錯誤！未定義書簽。 附錄 . 錯誤！未定義書簽。附錄A: 源代碼 . 錯誤！未定義書簽。 附錄B: 系統(tǒng)原理圖 . 錯誤！未定義書簽。IV四川理工學院畢業(yè)設計（論文）第1章 概述隨著單片機的迅速發(fā)展

8、，其應用領域越來越廣，如消費電子、家用電器、辦公設備、商業(yè)營銷設備、工業(yè)控制和機電一體化控制系統(tǒng)、智能測量儀表以及汽車與航空航天電子系統(tǒng)中都廣泛采用了單片機。51系列單片機由于具有可靠性好，以及擴展控制功能強等優(yōu)點，成為國內(nèi)目前應用最廣泛的一種8為單片機之一。隨著單片機的應用領域越來越廣泛，可以看出其的優(yōu)越性和可靠性，所以將其應用到測量方面是必然的，也是相當可靠的，相當有意義的，基于單片機的測距儀的出現(xiàn)正是這一體現(xiàn)。本系統(tǒng)式以單片機STC89C52RC和超聲波傳感器TCT40-16T/R為基礎開發(fā)的超聲波測距儀。利用超聲波遇到障礙物會發(fā)射的特點，進行測距。通過單片機STC89C52RC的I/O

9、發(fā)送40KHz的脈沖讓超聲波發(fā)射器TCT40-16T產(chǎn)生超聲波，當超聲波遇到障礙物的時候，TCT40-16R會接受反射回來的超聲波，最后用單片機計算兩個的時間差，就可以了算出本系統(tǒng)與障礙物之間的距離了。本系統(tǒng)簡單，便捷，應用十分廣泛。1侯杰：基于單片機的測距儀設計第2章 方案論證經(jīng)過調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，TCT40-16是市場上比較常見的一款超聲波傳感器。所以本系統(tǒng)采用TCT40-16。但是該超聲波的傳感器的接口電路比較多，有以下幾種：2.1發(fā)射電路方案 由F1F3三門振蕩器在F3的輸出為40kHZ方波，工作頻率主要由C1、R和RP決定，用RP可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)頻率。 F3的輸出激勵換能器T40-16的一端

10、和反向器F4，F(xiàn)4輸出激勵換能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激勵電壓提高了一倍。電容C3、C2平衡F3和F4的輸出，使波形穩(wěn)定。電路中反向器F1F4用CC4069六反向器中的四個反向器，剩余兩個不用（輸入端應接地）。電源用9V疊層電池。測量F3輸出頻率應為40kHZ±2kHZ，否則應調(diào)節(jié)RP。發(fā)射超聲波信號大于8m。如圖2.1所示：圖2.1 40kHZ超聲波發(fā)射電路之一方案 電路中晶體管VT1、VT2組成強反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-16是反饋耦合元件，對于電路來說又是輸出 換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接

11、近電源電壓。S是電源開關，按一下S，便能驅動T40-16發(fā)射出一串40kHZ超聲波信號。 電路工作電壓9V，工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。電路不需調(diào)試即可工作。如圖2.2所示：2四川理工學院畢業(yè)設計（論文）圖2.2 40kHZ超聲波發(fā)射電路之二方案 由VT1、VT2組成正反饋回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的T40-16，其諧振頻率為40kHZ±2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào) 整，并由T40-16作為換能器發(fā)出40kHZ的超聲波信號。電感L與電容C5調(diào)諧在40kHZ起作諧振作用。本電路適應電壓較寬（312V），且頻 率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH

12、。整機工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。如2.3所示：圖2.3 40kHZ超聲波發(fā)射電路之三3侯杰：基于單片機的測距儀設計方案 它主要由四與非門電路CC4011完成振蕩及驅動功能，通過超聲換能器T40-16輻射出超聲波去控制接收機。其中門YF1與門YF2組成可控振蕩器，當 S按下時，振蕩器起振，調(diào)整RP改變振蕩頻率，應為40kHZ。振蕩信號分別控制由YF4、YF3組成的差相驅動器工作，當YF3輸出高電平時，YF4一 定輸出低電平；YF3輸出低電平時，YF4輸出高電平。此電平控制T40-16換能器發(fā)出40kHZ超聲波。電路中YF1YF4采用高速CMOS電路 74HC00四與非門電路，該

13、電路特點是輸出驅動電流大（大于15mA），效率高等。電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發(fā)射超聲波信號大于 10m。如圖2.4所示：圖2.4 40kHZ超聲波發(fā)射電路之四方案 由LM555時基電路及外圍元件構成40kHz多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由LM555第3腳輸出端驅動超聲波換能器 TCT40-16，使之發(fā)射出超聲波信號。電路簡單易制。電路工作電壓9V，工作電流4050mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。LM555可用NE555直接 替代，效果一樣。如圖2.5所示：4四川理工學院畢業(yè)設計（論文）圖2.5 40kHZ超聲波發(fā)射電路之五方案 使用兩個與非門電路完成驅動

14、功能。該電路特點是輸出驅動電流大（大于15mA），效率高等。T為40KHz的脈沖。工作的電壓為5V。如圖2.6所示：圖2.6 40kHZ超聲波發(fā)射電路之六2.2接收電路方案 采用CX20106紅外線接收芯片。如圖1.7所示。5侯杰：基于單片機的測距儀設計圖2.7 40kHZ超聲波接收電路之一方案采用NPN晶體管V進行放大構成超聲波接收電路，超聲波傳感器采用TC40-16。 超聲波傳感器一般用于檢測反射波，它遠離超聲波發(fā)生源，能量衰減較大，只能接收到幾mV左右的微弱信號。因此，實際應用時要加多級放大器。如圖2.8所示：圖2.8 超聲波接收電路之一6四川理工學院畢業(yè)設計（論文）綜合幾個方案后發(fā)現(xiàn)，

15、在發(fā)射電路中，只有方案最簡單，最容易實現(xiàn)。其他的方案的電路中所要求的電壓都是比較高，在使用的過程中都需要對電壓進行單獨轉化，不方便，增加了成本，電路也比較復雜。在接收電路的方案中選擇方案，使用集成電路比較容易，干擾也比方案要低。7侯杰：基于單片機的測距儀設計第3章 超聲波簡介聲音是與人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象，人們對聲音早有認識，在人們的日常生活中存在著各式各樣的聲音。在科學史上，聲學是發(fā)展最早的學科之一。然而，由于超聲是人耳聽不到的信號，直到18世紀，人們才開始研究海豚、蝙蝠等動物時，才推測自然界存在超聲。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)聲波振動頻率的范圍，可以分為次聲

16、波、聲波、超聲波和特超聲波。當聲的頻率高到超過人耳的頻率極限時，人們就覺察不出聲的存在，我們稱這種高頻率的聲為超聲。頻率高于人類聽覺上限頻率(約20000Hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。在通常的超聲波測距系統(tǒng)中，用電脈沖激勵超聲探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機械振動，這種振動在與其接觸的介質(zhì)中傳播，形成超聲波。3.1超聲波的特點及其分類聲波產(chǎn)生的條件是首先要有一個作機械振動的質(zhì)點作波源，其次要有傳播振動的彈性介質(zhì)。此外，當振動傳播時，振動的質(zhì)點并不隨波而移走，只是在自己的平衡位置附近振動而已，這與電磁波(交變電磁場以光速在空間的傳播)是完全不相同，與光波也不同。相比之下，超聲波具有下面的一些特點

17、：(l)它能以各式各樣的傳播模式(縱波、橫波、表面波、薄板波)在氣體、液體、固體或它們的混合物等各種媒質(zhì)中傳播，也可在光不能通過的金屬、生物體中傳播，是探測物質(zhì)內(nèi)部的有效手段。(2)由于超聲波與電磁波相比速度慢，對于相同的頻率波長較短，容易提高測量的分辨率。(3)由于傳播時受介質(zhì)聲速、聲阻抗和衰減常數(shù)的影響大，所以，反過來可由超聲波傳播的情況測量物質(zhì)的狀態(tài)。超聲波是一種彈性機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。我們知道，電磁波的傳播速度為3×108m/s，而超聲波在空氣中常溫下的傳播速度為340m/s,其速度相對電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播介質(zhì)里(大氣條件)傳播速度相同，即

18、在相當大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化,波動的傳播方向與振動方向一致，是縱向振動的彈性機械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運動而傳播的。聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，超聲波通常有四種形式：8四川理工學院畢業(yè)設計（論文）(1)縱波縱波是質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波為縱波。它能在固體、液體或氣體中傳播。(2)橫波橫波也稱瑞利波，它是質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波。它只能在固體中傳播。(3)表面波表面波是質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波為表面波。(4)蘭姆波蘭姆波是產(chǎn)生在大約一個波長的薄板內(nèi)，聲場遍及整個板的厚度。蘭姆波沿著板的兩表面及中

19、部傳播，兩表面質(zhì)點的振動是縱波和橫波成分之和，運動軌跡是橢圓。蘭姆波可分為對稱型和非對稱型兩種。3.2超聲波的物理特性當聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)，稱為反射波；另一部分能量透射過界面，在另一個介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，稱為折射波，如圖3.1所示。圖3.1超聲波的反射、折射原理圖這些物理現(xiàn)象均遵守反射定律、折射定律。除了有縱波的反射波折射波以外，還有橫波的反射和折射，如圖3.1所示。在一定條件下還能產(chǎn)生表面波。其反射與折射滿足如下規(guī)律:1.反射定律9侯杰：基于單片機的測距儀設計入射角的正弦與反射角a的正弦之比，等于波束之比。當入射波和反射波的波形一樣時，

20、波速一樣，入射角即等于反射角。2.折射定律入射角。的正弦與折射角刀的正弦之比，等于入射波中介質(zhì)的波速V1，與折射波中介質(zhì)的波速V2之比，3.3 超聲波的效應當超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學的變化，從而產(chǎn)生一系列力學的、熱的、電磁的和化學的超聲效應，包括以下4種效應： 機械效應。超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當超聲波流體介質(zhì)中形成駐波時，懸浮在流體中的微小顆粒因受機械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時，由于超聲波的機械作用而引起的感生電極化和感生磁化。空化作用。超聲波作用于液

21、體時可產(chǎn)生大量小氣泡。一個原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應力而形成負壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強大的拉應力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化。空洞內(nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會隨周圍介質(zhì)的振動而不斷運動、長大或突然破滅。破滅時周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時產(chǎn)生激波。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在液體中進行超聲處理的技術大多與空化作用有關。熱效應。由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時能產(chǎn)生顯著的熱效應。 化學效應。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學反應。

22、例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮氣的水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會變色或退色。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學物質(zhì)的水解、分解和聚合過程。超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后，特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收，這表明空化作用使分子結構發(fā)生了改變。10四川理工學院畢業(yè)設計（論文）第4章 超聲波傳感器4.1超聲波傳感器的種類及其特點一般測距傳感器采用非接觸的測量方法，測量周圍環(huán)境的物體或被操作物體的空間位置。非接觸測量距離的方法很多，從納米級微小位移到成千上萬公里甚至更遠的距離，它們的測

23、量應用了多種原理，采用了各種不同的裝置。對機器人來說，所需測量的距離一般為幾厘米到幾十米遠，因此機器人測距傳感器的測量范圍一般都在這個范圍內(nèi)。根據(jù)所采用的原理不同，測距傳感器可以分為以下幾種：(1)電磁類測距傳感器電磁類測距傳感器主要有三種類型，它們分別基于電磁感應、霍爾效應、電渦流原理。電磁感應測距傳感器的核心由線圈和永久磁鐵構成，當傳感器遠離或靠近鐵磁性材料時，會引起永久磁鐵磁力線的變化，從而在線圈中產(chǎn)生電流。當傳感器與被測物體相對靜止時，由于磁力線不發(fā)生變化，因而線圈中沒有電流，因此這種傳感器只是在外界物體與之產(chǎn)生相對運動時，才產(chǎn)生輸出，且隨著距離的增大，輸出信號明顯減弱，因而這種類型的

24、傳感器只能用于很短距離的測量。電渦流測距傳感器的最簡單的形式只包括一個線圈，線圈中通入交變電流，當傳感器與外界導體接近時，導體中感應產(chǎn)生電流，即電渦流效應，傳感器與外界導體的距離變化能夠引起導體中所感應產(chǎn)生電流的變化。通過適當?shù)臋z測電路，可從線圈中耗散功率的變化中，得出傳感器與外界物體之間的距離。霍爾效應測距傳感器則因其應用此原理而得名，當傳感器遠離被測導體時，在特定導體上有較強的磁場;當其靠近時，磁場變?nèi)酢４艌龅淖兓鹛囟▽w兩端電壓的變化，根據(jù)這個原理可實現(xiàn)對距離的測量。由以上對于幾種感應式傳感器的分析可以看出，它們存在一些缺陷：這一類傳感器一般對于鐵磁材料比較敏感;檢測信號(電壓、電流

25、等)與被測量(距離)之間不是線性的對應關系；測量受外界電磁干擾較大；可測量的范圍較小，距離較近，一般僅為零點幾毫米。(2)電容式測距傳感器11侯杰：基于單片機的測距儀設計此類傳感器通過檢測外界物體靠近傳感器所引起的電容變化來反映距離信 息。最基本的用來檢測電容變化的電路中，將電容作為振蕩電路中的一個元件，只有在傳感器電容值超過某一值時，振蕩電路才開始振蕩，將此信號轉換成電壓信號，即可表示與外界物體的距離。電容式傳感器只能用來檢測很短的距離，一般僅為幾個毫米，超過這個距離，傳感器的靈敏度將急劇下降;并且由于內(nèi)部采用閥值判斷，不能起到精確測量的作用，而可能實現(xiàn)開關的工作方式。因此，不適合精確的測距

26、用途。(3)紅外和光電傳感器這類測距傳感器是依靠紅外線或是其它不可見光的直線傳播特性。通過光敏元件來發(fā)射和接收信號，從而判斷障礙物的存在與否。由于光線的傳播速度極快，通常難以通過簡單的裝置估算其傳播距離，因此在簡單、低成本的應用中，這類傳感器也是主要用于狀態(tài)的判斷(障礙物的有無、物料是否到位、液面是否過高等)而無法實現(xiàn)對距離的實時測量。(4)超聲測距傳感器在排除了以上幾種測距傳感器的條件下，我們選擇了超聲測距傳感器，作為測距的主要傳感部件。超聲波傳感器是實現(xiàn)聲電轉換的裝置，又稱為超聲波換能器或者超聲波探頭。它是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量

27、轉換器件。超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接受換能器，既能發(fā)射超聲波又能接受發(fā)射出去的超聲波的回波。超聲換能器的種類很多，按照其結構可分為直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙探頭(一個發(fā)射，一個接受)、聚焦探頭(將聲波聚集成一束)、水浸探頭(可浸在液體中)以及其它專用探頭。按照實現(xiàn)超聲換能器機電轉換的物理效應的不同可將換能器分為電動式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。采用超聲波傳感器測距主要有以下幾方面的因素：(1)測距方式原理簡單，便于實現(xiàn)；(2)測距精度高；(3)超聲波傳感器有一定的覆蓋性，因此，可以用較少的傳感器數(shù)量覆蓋較大的測量范圍。圖4.1超聲波傳感器測距示意圖，其中虛線

28、分別為超聲波傳感器的發(fā)射探頭和接受探頭的發(fā)射范圍和接受范圍，它們的交叉部分為共同信號區(qū)。12四川理工學院畢業(yè)設計（論文）圖4.1 超聲波傳感器測距示意圖4.2超聲波傳感器的外形及內(nèi)部結構超聲波傳感器的典型外形如圖4.2所示，金屬外殼主要是為防止外力對內(nèi)部元件的損壞，并防止超聲波向其他方向散射。金屬網(wǎng)也起保護作用，但是不影響超聲波的發(fā)射和接受。超聲波傳感器的內(nèi)部結構如圖4.3所示，其主要由金屬網(wǎng)、外殼、錐形揚聲器、壓電晶片、底座、引腳等部分組成。其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，壓電晶片多為圓板形，其厚度與超聲波頻率成反比。錐形揚聲器能使發(fā)射和接受的超聲波能量集中，并使傳感器具有一定的指向角。圖4.2 超聲波傳感器的外形13侯杰：基于單片機的測距儀設計圖4.3 超聲波傳感器內(nèi)部結構4.3超聲波傳感器的選擇材料某些電介質(zhì)(例如晶體、陶瓷、高分子聚合物等)在其適應的方向施加作用力時，內(nèi)部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化，在電介質(zhì)