完整用51单片机设计超声波测距系统的设计原理及电路附源程序.docx
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完整用51单片机设计超声波测距系统的设计原理及电路附源程序
（完整）用51单片机设计超声波测距系统的设计原理及电路附源程序
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基于51单片机的超声波测距仪说明书
引言
超声波测距仪,可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
利用超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量.利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。
一、性能要求
该超声波测距仪，要求测量范围在0.08—3.00m,测量精度1cm,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。
二、工作原理及方案论证
超声波传感器及其测距原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波。
用超声波传感器产生超声波和接收超声波，习惯上称为超声波换能器或超声波探头.超声波传感器有发送器和接收器。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。
首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。
根据要求并综合各方面因素，采用AT89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成,超声波测距仪的系统框图如下图所示：
图1超声波测距仪系统设计框图
三、系统硬件部分
硬件部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。
1.单片机系统及显示电路
单片机采用AT89C52来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。
单片机通过P1.1引脚发射脉冲控制超声波的发送，然后单片机不停的检测外中断0口INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。
计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离.显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管,段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动.
单片机系统及显示电路如下图所示:
图2单片机系统及显示电路
2。
超声波发射电路
利用555时基电路振荡产生40kHz的超声波信号,使之与换能器的40kHz固有频率一致。
12V电源保证555时基具有足够驱动能力.P1.1为超声波发射控制信号，由单片机控制。
发射电路如图3所示：
图3超声波发射电路原理图
3。
超声波检测接收电路
超声波接收电路采用集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。
实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。
接收电路如图4所示:
图4超声波接收电路图
四．系统软件部分
超声波测距程序设计软件部分主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。
下面对超声波测距仪的算法,主程序,超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介绍.
1．超声波测距仪的算法设计
下图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号,当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受.这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器与反射物体的距离.
距离计算公式：
d=s/2=（c*t）/2
＊d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间
2。
主程序
主程序框图如右图所示：
主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。
然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms（这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取20℃时的声速为344m/s则有：
d=（C＊T0）/2=172T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值）
测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
3.超声波发生子程序和超声波接收中断程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.1端口发送超声波发射控制脉冲信号，同时把计数器T0打开进行计时。
超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。
进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。
如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。
五．软硬件调试及性能
超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40—10S1（R接收），中心频率为40kHz，保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm。
主要性能指标:
测距仪能测的范围为0。
08～3。
00m，测距仪精度1cm。
程序清单
以下是用汇编语言编写的超声波测距控制源程序：
采用AT89S5212ＭＨz晶振
显示缓冲单元在４０Ｈ～４３Ｈ,使用内存44H、45H、46H用于计算距离
20H用于标志
VOUTEQUP1。
0；脉冲输出端口
*中断入口程序*
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
LJMPPINT0
ORG000BH
LJMPINTT0
ORG0013H
RETI
ORG001BH
LJMPINTT1
ORG0023H
RETI
ORG002BH
RETI
*主程序＊
START:
MOVSP,＃4FH
MOVR0,#40H；40~43H为显示数据存放单元（40为最高位）
MOVR7，#0BH
CLEARDISP：
MOV@R0,＃00H
INCR0
DJNZR7,CLEARDISP
MOV20H，#00H
MOVTMOD，＃21H；T1为8位自动重装模式，T0为16位定时器
MOVTH0，＃00H;65ms初值
MOVTL0,＃00H；40KHz初值
MOVTH1,#0F2H
MOVTL1,#0F2H
MOVP0，＃0FFH
MOVP1,#0FFH
MOVP2,＃0FFH
MOVP3,#0FFH
MOVR4，#04H；超声波脉冲个数控制（为赋值的一半）
SETBPX0
SETBET0
STEBEA
CLR00H
SETBTR0；开启测距定时器
START1:
LCALLDISPLAY
JNB00H,START1;收到反射信号时标志位为1
CLREA
LCALLWORK；计算距离子程序
SETBEA
CLR00H
SETBTR0;重新开启测距定时器
MOVR2,＃64H；测量间隔控制（约4＊100=400ms）
LOOP：
LCALLDISPLAY
DJNZR2,LOOP
SJMPSTART1
*中断程序＊
；T0中断，65ms中断一次
INTT0:
CLREA
CLRTR0
MOVTH0，＃00H
MOVTL0，＃00H
SETBET1
SETBEA
SETBTR0;启动计时器T0，用以计算超声波来回时间
SETBTR1；开启发超声波用定时器T1
OUT:
RETI
;T1中断，发超声波用
INTT1:
CPLVOUT
DJNZR4,RETIOUT
CLRTR1；超声波发送完毕,关T1
CLRET1
MOVR4，＃04H
SETBEX0;开启接收回波中断
RETIOUT:
RETI
；外中断0，收到回波时进入
PINT0：
CLRTR0；关计数器
CLRTR1
CLRET1
CLREA
CLREX0
MOV44H,TL0；将计数值移入处理单元
MOV45H,TH0
SETB00H；接收成功标志
RETI
*延时程序＊
DL1MS:
MOVR6,＃14H
DL1:
MOVR7,#19H
DL2：
DJNZR6，DL2
DJNZR6,DL1
RET
*显示程序*
;40H为最高位，43H为最低位，先扫描高位
DISPLAY：
MOVR1，＃40H;G
MOVR5，#0F7H;G
PLAY:
MOVA,R5
MOVP0，#0FFH
MOVP2,A
MOVA，＠R1
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDLIMS
INCR1
MOVA，R5
JNBACC。
0，ENDOUT；G
RRA
MOVR5，A
AJMPPLAY
ENDOUT；MOVP2,＃0FFH
MOVP0，＃0FFH
RET
TAB；DB0C0H，0F9H，0A4H,0B0H，99H，92H，82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH
；共阳数码管0，1，2，3,4,5,6，7,8，9，不亮，A，—
＊距离计算程序（=计算值×17/1000cm）近似
WORK：
PUSHACC
PUSHPSW
PUSHB
MOVPSW，＃18H
MOVR3,45H
MOVR2，44H
MOVR1,＃00D
MOVR0,＃17D
LCALLMUL2BY2
MOVR3，＃03H
MOVR2，＃0E8H
LCALLDIV4BY2
LCALLDIV4BY2
MOV40H，R4
MOVA，40H
JNZJJ0
MOV40H,＃0AH；最高位为0,不点亮
JJ0：
MOVAR0
MOVR4,A
MOVAR1
MOVR5A
MOVR3,＃00D
MOVR2，#100D
LCALLDIV4BY2
MOV41H,R4
MOVA,41H
JNZJJ1
MOVA,40H；此高位为0，先看最高位是否为不亮
SUBBA，＃0AH
JNZJJ1
MOV41H,＃0AH；最高位不亮，次高位也不亮
JJ1：
MOVA,R0
MOVR4，A
MOVA，R1
MOVR5，A
MOVR3,＃00D
MOVR2，#10D
LCALLDIV4BY2
MOV42H，R4
MOVA42H
JNZJJ2
MOVA，41H；次高位为0，先看次高位是否为不亮
SUBBA，＃0AH
JNZJJ2
MOV42H，＃0AH；次高位不亮，次高位也不亮
JJ2：
MOV43H,R0
POPB
POPPSW
POPACC
RET
＊两字节无符号数乘法程序
MUL2BY2：
CLRA
MOVR7,A
MOVR6，A
MOVR5，A
MOVR4，A
MOV46H,＃10H
MULLOOP1:
CLRC
MOVA，R4
RLCA
MOVR4，A
MOVA,R5
RLCA
MOVR5,A
MOVA，R6
RLCA
MOVR6，A
MOVA，R7
RLCA
MOVR7，A
MOVA，R0
RLCA
MOVR0，A
MOVA,R1
RLCA
MOVR1,A
JNCMULLOOP2
MOVA，R4
ADDA,R2
MOVR4，A
MOVA，R5
ADDCA,R3
MOVR5,A
MOVA，R6
ADDCA,＃00H
MOVR6,A
MOVA，R7
ADDCA，＃00H
MOVR7，A
MULLOOP2：
DJNZ46H，MULLOOP1
RET
＊四字节/两字节无符号数除法程序*
DIV4BY2:
MOV46H，＃20H
MOVR0，#00H
MOVR1，＃00H
DIVLOOP1:
MOVA,R4
RLCA
MOVR4，A
MOVA,R5
RLCA
MOVR5,A
MOVA,R6
RLCA
MOVR6,A
MOVA，R7
RLCA
MOVR7，A
MOVA,R0
RLCA
MOVR0，A
MOVA，R1
RLCA
MOVR1,A
CLRC
MOVA，R0
SUBBA，R2
MOVB，A
MOVA，R1
SUBBA，R3
JCDIVLOOP2
MOVR0，B
MOVR1，A
DIVLOOP2：
CPLC
DJNZ46H,DIVLOOP1
MOVA,R4
RLCA
MOVR4，A
MOVA,R5
RLCA
MOVR5,A
MOVA,R6
RLCA
MOVR6，A
MOVA，R7
RLCA
MOVR7,A
RET
；
END
附C51程序
#include〈reg51。
h〉
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineulongunsignedlong
externvoidcs_t（void）;
externvoiddelay（uint）；
externvoiddisplay（uchar*）;
//datauchardisplay（uchar＊）;
datauchartestok；
voidmain（void）
{
datauchardispram［5］；
datauinti;
dataulongtime；
P0=0xff;
P2=0xff;
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=（time<〈8）|TL0;
time＊=172；
time/=10000;
dispram［0］=（uchar）（time%10）；
time/=10；
dispram［1］=（uchar）（time%10）;
time/=10;
dispram[2]=（uchar）（time%10）;
dispram［3］=（uchar）（time/10）;
if（0==dispram[3]）dispram［3］=17;
}else
{
dispram［0]=16;
dispram[1]=16;
dispram［2]=16；
dispram［3]=16;
｝
for（i=0；i〈300;i++）display（dispram）;
｝
}
voidcs_r（void）interrupt0
{
TR0=0；
ET0=0;
EX0=0;
testok=1;
｝
voidovertime（void）interrupt1
{
EX0=0；
TR0=0;
ET0=0；
testok=2；
｝
NAMECS_T
？
PR?
CS_T？
CS_TSEGMENTCODE
PUBLICCS_T
RSEG?
PR?
CS_T？
CS_T
CS_T：
PUSHACC
MOVTH0,#00H
MOVTL0，#00H
MOVA，#4D
SETBTR0
CS_T1:
CPLp1。
0
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
DJNZACC，CS_T1
POPACC
RET
;
END
namedelay
？
pr?
_delay?
delaysegmentcode
public_delay
rseg？
pr?
_delay？
delay
_delay:
pushacc
mova，r7
jzdela1
incr6
dela1：
movr5，＃50d
djnzr5，$
djnzr7,dela1
djnzr6,dela1
popacc
ret
end
NAMEDISPLAY
？
PR？
_DISPLAY？
displaysegmentcode
？
co？
_DISPLAY？
displaysegmentdata
EXTRNCODE（_DELAY）
PUBLIC_DISPLAY
RSEG?
CO？
_DISPLAY?
DISPLAY
？
_display？
byte：
dispbit:
ds1
dispnum:
ds1
rseg?
pr？
_display？
display
_display：
pushacc
pushdph
pushdpl
pushpsw
incdispnum
mova，dispnum
cjnea，＃4d，disp1
DISP1：
JCDISP2
MOVDISPNUM，#00H
MOVDISPBIT，#0FEH
DISP2：
MOVA,R1
ADDA，DISPNUM
MOVR0，A
MOVA，＠R0
MOVDPTR，＃DISPTABLE
MOVCA，＠A+DPTR
MOVP0,A
MOVA，DISPNUM
CJNEA,＃2D,DISP3
CLRP0.7
DISP3：
MOVP2，DISPBIT
MOVR5,#00H
MOVR7,#0AH
LCALL_DELAY
MOVP0，＃0FFH
MOVP2,#0FFH
MOVA，DISPBIT
RLA
MOVDISPBIT,A
POPPSW
POPDPL
POPDPH
POPACC
RET
DISPTABLE：
DB0C0H，0F9H，0A4H,0B0H，99H,92H，82H，0F8H,80H，90H,88H，83H，0C6H,0A1H，86H,8EH，0BFH,0FFH
END
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