用51單片機(jī)設(shè)計(jì)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及電路附源程序

1、基于51單片機(jī)的超聲波測距儀說明書引言超聲波測距儀，可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，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(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，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(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制。一、性能要求該超聲波測距儀，要求測量范圍在，測量精度1cm，測量時(shí)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、工作原理及方案論證超聲波傳感器及其測距原理超聲波是指頻率高于20KHZ的機(jī)械波。用超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，習(xí)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

2、接收器.超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)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(shí)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AT89C5單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)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(shè)計(jì)框圖三、系統(tǒng)硬件部分硬件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測

3、接收電路三部分組成。1. 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路單片機(jī)采用AT89C52來實(shí)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(jī)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(jī)不停的檢測外中斷0口INTO引腳，當(dāng)INTO引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示：6151PTK73PRSjonCLT2Y21y2nY2246131OONzz<P

4、NmNaYIZY11Y1nYI-ZNnBO<Ft-c3lDCQRj.3lL5A-_T4AD_C3A>>XJc2/212J6A-44A0L4-/IC2ATO2LnsAocOLELrtNQOXr3OTO92EO2EO13A22a21a2OA23a12a11A1OA1mNAz203040506083Q3OOADCLr-7>A-.CXL<6<Ad.cX.L5CJD.CX-4<Ar.cx-C3CA0.CX-C2DAXI.CX-OOA3.CX-TOR2LMIAHhX001Q«1901U圖2單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路2. 超聲波發(fā)射電路利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生

5、40kHz的超聲波信號(hào)，使之與換能器的40kHz固有頻率一致。12V電源保證555時(shí)基具有足夠驅(qū)動(dòng)能力。P1.1為超聲波發(fā)射控制信號(hào)，由單片機(jī)控制。發(fā)射電路如圖3所示: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(jī)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，可以利用它作為超聲波檢測電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)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:四. 系統(tǒng)軟件部分超聲波測距程序設(shè)計(jì)軟件部分主要由主程

6、序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。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(shè)計(jì)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(shí)刻發(fā)出的一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)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(jì)算出發(fā)生信號(hào)到接受返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計(jì)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為聲波來回所用的時(shí)間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(shè)置定時(shí)器TO工作模式為16位的定時(shí)計(jì)

7、數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2青0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)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(huì)有一個(gè)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(hào)。由于采用12MHZ勺晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20C時(shí)的聲速為344m/s則有：d=（C*T0）/2=172T0/10000cm（其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式LED,然后再發(fā)超

8、聲波脈沖重復(fù)測量過程。2. 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P1.1端口發(fā)送超聲波發(fā)射控制脈沖信號(hào)，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0亭止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測距不成功。五. 軟硬件調(diào)試及性能超聲波發(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），

9、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(biāo)：測距儀能測的范圍為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MH?晶振顯示緩沖單元在4oh43H，使用內(nèi)存斗4H、45H、46H用于計(jì)算距離20H用于標(biāo)志（兒TEQUPl,0；脈沖輸出端口中斷入口程序?qū)RG0000HLJMPSTARTORG0003HLJMPPINTOGGGGGORORORORORBH-fp3HnBHez!陽hbhhooJNMnMJN位ET絵JiTLOVDKnvLOVRUDKToINTTTT1INT主程序*S:MOVSR#4FHMOVRO.#40H:

10、4043H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40為最高位）MOVR7,#0BHCLEARD1SP:MOVNCDJNZMOVMOV時(shí)器®R0,#0QH-_7ROR7.CLEARDISP20H.#00HIMOD,#21H:T1為8位自動(dòng)重裝模式，TO為16位定40v40ovovov40vovovovetbetbteblretbMMMMMMmmmscscstclsc1H0,#（WHTL0.牌OHIH10F2HILL楓F2HPQ鮒FFHPLWTH12鮒FFHP3.#0FFH也#04HPXOETOEAOOHTRO初值初值；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制（為賦值的一半）START1:LCALLDISPLAYJNB00ES

11、TART1:收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1CLREALCALLWORK；計(jì)算距離子程序SETBEACLROOHSETBTRO；重新開啟測距定時(shí)器；開啟測距定時(shí)器MOVR2,#6斗HLOOP:LCALLDISPLAYDJNZR2.LOOPSJVPSTART1:TO中斷，65ms中斷一次INTTO:CLREACLRTROMOVTHO,#00HMOVTLO,#00HSETBET1SETBEASETBTRO來回時(shí)間SETBTRIOUT:RETIXTR1ET1IEXO；測量間隔控制（約100=400ms）*中斷程序i:T1中斷，發(fā)超聲波用NTT1:CPLDJNZCLRCLRMOVSETBRETIOUT:RET

12、I；外中斷1，收到回波時(shí)進(jìn)入PINTO:CLRTROCLRTRICLRET1CLREACLREXOMOV44H,TLOMOV45HTHOSETBOOHRETI:啟動(dòng)計(jì)時(shí)器TO,用以計(jì)算超聲波:開啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1；超聲波發(fā)送完畢，關(guān)T1；開啟接收回波中斷；關(guān)計(jì)數(shù)器；將計(jì)數(shù)值移入處理單元；接收成功標(biāo)志DL1MS:DL1:DL2:水延時(shí)程序*MOVR6.#14HMOVK719HDJNZR6.DL2DJNZR6,DL1RET*顯示程序*'40H為最咼位，:43H為最低位，先掃描高位MOVMOVR1J4OH;GR50F7比GPLAY:MOVA.R5MOVPO.#0FFHMOVP2,AMOV

13、扎R1MOVDPTR.甘TABMOVCA,A-DPTRMOVPO.ALCALLDLIMSINCR1MOVA.R5,JNB；T;GRRAMOVR5.AAMPLAYENDOUT;MOVPL#0FFHMOVRETPQ#0FFHTAB;DB0C0H,0F9H,0A4E0B0H;99K92E82H,0F8H?80H;90H?OFFH,88H,0BFH；共陽數(shù)碼管.不亮，、一水距離計(jì)算程序（二計(jì)算值x|川oo0cm近似WORK:PUSHACCPUSHPSWPUSHBMOVPSW：#18HMOVR3V5HMOVR2.44HMOVU#00DMOV黑17DLCALLML1L2BY2MOV&刖HMOVRl

14、#0E8HLCALLDIV4BY2JJO:JJ1:TriLCALLDIV4BY2MOV4(HR4MOVA.40HJNZJJOMOV40H.和ahMOVAROMOVRIAMOVAR1MOVR5AMOVRHOODMOVR2.#100DLCALLDIV4BY2MOV41H.R4扎岸OAHJNZJJ1MOV41H用MHMOVa.ROMOVR4.AMOVA.R1MOVR5,AMOVK300DMOVR2.#10DLCALLDIVT4BY2MOV42H.R4MOVA42HJNZJJ2MOVA.41HSUBBA+OAHJNZJJ2MOV42H+0AHnrplT1mpopopore43H.ROBPSWACCNW

15、L2BY2;CLRA；最咼位為0,不點(diǎn)亮；此高位為0,先看最高位是否為不亮;最咼位不亮，次咼位也不亮:次高位為0，先看次高位是否為不亮次咼位不亮，次咼位也不亮*兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)乘法程序.A.A.A.A時(shí)R4.AR5.AR6.AR7.ARO.AR1.AULLR4R2.AR5R3.AR6測.AR7妣.AH3-RRnR4CAARAARAARAARAARAARNAARAARAARAARVVVViVVV.1VVVVVVooooolrokoolcookookooflflrlflflTLftlflfltlfftlflfltlrlfLNNNNNChRhhRhNRNNRh卜I.-I.-I.I.VDVvrcvVv-

16、rODCOODEOODEOODEO'JN肛*四字節(jié)兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)除法程序水46K#20HRO,#OOHRlOOHoooWWWMULLOOP1;NOLOOP2;DIV4BY2:DIVL00P1:MOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVR7,AMOVA,RORLCAMOVRO,AMOVA,R1RLCAMOVR1,ACLRCMOVA,ROSUBBA,R2MOVB,AMOVA,R1SUBBA,R3JCDIVLOOP2MOVR0,BMOVR1,ADIVLOOP2:CPLCDJNZ46H.DIVLOOP

17、1MOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVRETR7,AEXD附C51程序INCLUDE<REG5kH>WEFINEUCIIARUNSIGNEDCHARWEFINEUNTUNSIGNEDfNTWEFINEULONGUNSIGNEDLONGEXTERNVOIDCS_T(VOID);EXTERNVOIDDELAYfUINT);EXTERNVOIDDISPLAY!UCHAR*);/DATAUCHARDISPLAY(UCHAR愆DATAUCHARTESTOK;VOIDMAIN(VOID)DATA

18、UCHARD1SPRAM5;DATAUINTI;DATAULONGTIME;P0=0XFF;P2=0XFF;TMOD=OX11;IE二0X80;WHILEC'S_T();DELAY(L);TESTOK二0;EX0=l;ETCi二1;WHILE!TESTOK)DI5PLAY(DI5PRAM);IF(1=TESTOK)TIVfE=TH0；'110;TIMt*=72;TMI'/=10000;DI5PRAM0FUCHAR)(TIME%101;TWIRH);DI5PRAM1F(UCHAR)(TIME珈0】；TIME/=IO;DISPRAM2=(UCHAR)(TIME%10);DI

19、SPRAM卩=(UCHAR)(TIME/10);IF(0=DISPRAM3J)DISPRAM3=I7;ELSEDISPRAM0=16;DISPRAM1=I6;DISPRAM2=16;DISPRAM3=I6;FOR(I=0;I<300;I+)DISPLAY(DISPRAM);VOIDCS_R(VOID)INTERRUPT0TR0=0;ET0=0;EX0=0;TESTOK=1;VOIDOVERTIME(VOID)INTERRUPT1EX0=0;TR0=0;ET0=0;TESTOK=2;NAMECS_T?PR?CS_T?CS_TSEGMENTCODEPUBLICCS_TRSEG?PR?CS_T?CS_TCS_T:PUSHACCMOVTHO,#00HMOVTLO.#00HMOVA,#4DSETBTROCS_T1:CPLpl.ONOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPDJNZPOPACUCS_T1ACCRETENDNAMEDELAY?PR?DELAY?DELAYSEGMENTCODEPUBLICDELAYRSEG?PR?DELAY7DELAYDELAY:MOVAR7JZDELA1INCR6M