超声波测距系统设计.docx
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超声波测距系统设计
摘要
随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。
但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。
因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。
城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。
而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。
因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。
介绍了一种以AT89C2051单片机为核心,利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。
给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Pspice对硬件的主要部分进行了模拟仿真。
根据理论分析和试验统计对设计进行改进,电路达到了预期的效果。
关键词：
AT89C2051;超声波；测距
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theimprovementofpeople'standardofliving,speedingupthedevelopmentandconstructionofthecity.Urbanrainagesystemhavegreatlydevelopedtheirsituationisconstantlyimproving.However,duetohistoricalreasonsmanyunpredictablefactorsinthesynthesisofhertime,thecitydrainagesystem.Inparticulardrainagesystemoftenlagsbehindurbanconstruction.Therefore,thereareoftengoodbuildingexcavationhasbeenbuildingfacilitiestoupgradethedrainagesystemphenomenon.Itbroughttothecitysewage,anditiscleartothecitysewageanddrainageculvertinthesewagetreatmentsystem.comfortisveryimportanttopeople'slives.MobilerobotsdesignedtoclearthedrainageculvertandtheautomaticcontrolsystemFreesewageculvertclearguaranteerobot,therobotisdesignedtocleartheculvertsewagetothecore.ControlSystemisthecorecomponentofthedevelopmentofultrasonicrangefinder.Therefore,itisveryimportanttodesignagoodultrasonicrangefinder.
AkindofultrasonictelemeterbasedonAT89C205isintroduced.Thistelemeterisprovidedwithsomemeritssuchaslowcostandhigh2accuracybecauseoftheultrasonicwavecharacteristic.Thehardwareprincipleelectriccircuitandthemainsoftwaredesignideaareshowed.ThesimulationofthemainpartofthehardwarehasbeendonewithPspice.Atlast,accordingtothetheoreticalanalysisandtheexperiencesomeimprovementsofthedesignaremade.Thesystemhasachievedtheanticipatedeffect.
Keywords:
AT89C2051;SilentWave；MeasureDistance
一、设计任务和性能指标
1.1设计任务
利用单片机及外围接口电路（键盘接口和显示接口电路）设计制作一个超声波测距仪器，用LED数码管把测距仪距测出的距离显示出来。
要求用Protel画出系统的电路原理图，印刷电路板，绘出程序流程图，并给出程序清单。
1.2性能指标
距离显示：
用三位LED数码管进行显示（单位是CM）。
测距范围：
25CM到400CM之间。
误差：
1%。
二、超声波测距原理概述
超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。
由于超声波指向性强，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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
超声测距是一种非接触式的检测方式。
与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。
对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。
因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。
相位检测法虽然精度高，但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。
本仪器采用超声波渡越时间检测法。
其原理为:
检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。
渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表2-1，根据计时器记录的时间t（见图2-1），就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即:
s=vt/2。
表2-1声速与温度的关系
温度（℃）
－30
－20
－10
0
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
323
338
344
349
386
图2-1超声波测距时序图
2.1超声波传感器
2.1.1超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类:
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2.1.2压电式超声波发生器原理
压电型超声波传感器的工作原理：
它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。
所谓压电逆效应如图2-2所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。
若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。
由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。
若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
图2-2压电逆效应图
2.1.3单片机超声波测距系统构成
单片机AT89C2051发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。
限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：
超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
图2-3超声波测距系统框图
三、设计方案
按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。
单片机主控芯片使用51系列AT89C2051单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。
发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。
接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。
图3-1：
系统设计框图
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。
单片机采用AT89C2051。
采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
3.1AT89C2051单片机
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-5l指令系统，片内置通用8位央处理器和Flash存储单元，功能强大。
AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
1）性能参数：
与MCS-51产品指令系统完全兼容；2k字节可重擦写闪速存储器；1000次擦写周期；2.7V－6V的工作电压范围；全静态操作：
0Hz－24MHz；两级加密程序存储器；128×8字节内部RAM；15个可编程I／O口线；2个l6位定时／计数器；6个断源；可编程串行UART通道；可直接驱动LED的输出端口；内置一个模拟比较器；低功耗空闲和掉电模式。
2）特性概述：
AT89C2051提供以下标准功能：
2k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级断结构，一个全双工串行通信口，内置—个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C2051可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2超声波测距系统构成
本系统由单片机AT89C2051控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图3-1所示。
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。
单片机采用AT89C2051。
采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.7输入一个低电平脉冲。
单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.7由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。
单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。
3.2.1超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：
AT89C2051单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。
如图3-2。
图3-2：
超声波测距单片机系统
3.2.2超声波发射、接收电路
超声波发射、接收电路如图3-3。
超声波发射部份由电阻R2及超声波发送头T40板成；接收电路由BG1、BG2X组成的两组三级管放大电路组成；检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。
40kHz的方波由AT89C2051单片机的P3.5驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。
该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89C2051的P3.5发出。
方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。
每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。
由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1µs，所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。
本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。
图3-3：
超声波测距发送接收单元
由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。
接收电路如图3.3所示。
接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。
每级放大器的放大倍数为70倍。
放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。
这里使用的是IN4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。
该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。
3.2.3显示电路
本系统采用三位一体LED数码管显示所测距离值，如图（见下页）。
码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
图3-4：
显示单元图
四.系统软件设计
4.1主程序设计
超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。
超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言编程。
主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。
置位总中断允许位EA。
进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位cl==1，即进行测量一次，程序设计中，超声波测距频度是2次/秒。
测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。
当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生6-8个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。
超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5-2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.7脚的电平判断程序。
当检测到P3.7脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。
由于采用单片机采用的是12MHz的晶振，计时器每计一个数就是1μs，当超声波测距子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）按式
（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。
设计时取15℃时的声速为340m/s则有：
d=（c×t）/2=172×T0/10000cm其中，T0为计数器T0的计算值。
测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
4.2超声波测距子程序
voidcsbcj（）//超声波测距子程序
{
if（cl==1）
{
TR1=0;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
i=20;//超声波脉冲个数10个
while（i--）
{
csbout=!
csbout;
}
TR0=1;
i=150;
while（i--）
{
}
i=0;
while（csbint）//判断接收回路是否收到超声波的回波
{
i++;
if（i>=2450）//如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint置零,退出接收回波处理程序
csbint=0;
}
TR0=0;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
t=TH0;
t=t*256+TL0;
s=t*csbc/2;//计算测量结果
TR1=1;
cl=0;
}
}
4.3超声波测距程序流程图
4.4超声波测距程子序流程图
超声波测距程子序流程图如图（）所示。
Y
时间=1s?
发送超声波
延时避开盲区
收到回波否？
预设时间？
启动计时器T0
停止计时
计算测量值
超声波测距
结束
N
N
Y
Y
N
图（）
五.调试及性能分析
5.1调试步骤
我们的步骤是先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的AT89C2051机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。
如果一直显示“---”，则需将下限值增大。
本测距板1S钟测量两次，若要修改测量间隔，可将程序“if（csbds>=40）//1S测量一次。
”中的“40”增大或减小即可。
超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。
试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s。
5.2性能分析
从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到5到7米左右，而我们所能实现的最大距离只有4.00米，测量结果受环境温度影响。
分析原因如下：
1）超声波发送部份为了简化电路,没加设置专门的超声波驱动电路,而是用单片机的P3.5输出端加了一个上拉电阻后就直接驱动超声波发送头。
理论上，驱电电压只有5伏。
2）本测距板没设计温度补偿电路，来对测量结果进行修正。
参考文献
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北京航空航天大学出版社,2003
[6]王守中51单片机开发入门与典型实例.北京：
人民邮电出版社，2009
附录一：
基于AT89C2051单片机超声波测距系统电原理图
附录二基于AT89C2051单片机超声波测距系统PCB图
附录三基于AT89C2051单片机超声波测距系统焊接组装图
附录四基于AT89C2051单片机超声波测距系统C语言原程序
////////////////////////////////////////////////////////////
//AT89C2051超声波测距系统//
//
////
////
//晶振：
12M//
//系统盲区值：
25厘米//
//测量上限：
400厘米//
////////////////////////////////////////////////////////////
#include
#definecsboutP3_5//超声波发送
#definecsbintP3_7//超声波接收
#definecsbc=0.034
#definebgP3_4
unsignedcharcsbds,opto,digit,buffer[3],xm1,xm2,xm0,key,jpjs,ki;//显示标识
unsignedcharconvert[10]={0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9段码
unsignedints,t,i,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1,sjtz,sja,sjb;
bitcl;
voidcsbcj（）;
voiddelay（i）;//延时函数
voidscanLED（）;//显示函数
voidshowOnce（）;//显示循环函数
voidtimeToBuffer（）;//显示转换函数
voidoffmsd（）;
voidmain（）//主函数
{
EA=1;//开中断
TMOD=0x11;//设定时器0为计数，设定时器1定时
ET0=1;//定时器0中断允许
ET1=1;//定时器1中断允许
TH0=0x00;
TL0=0x00;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
csbds=0;
csbint=1;
csbout=1;
cl=0;
opto=0xff;
sj1=25;
sj2=100;
sj3=400;
ki=0;
TR1=1;//设定时值1为20ms
while
（1）
{
csbcj（）;//调用超声波测距程序
if（s>sj3）//大于时显示"CCC"
{
buffer[2]=0x39;
buffer[1]=0x39;
buffer[0]=0x39;
}
elseif（s{
buffer[2]=0x40;
buffer[1]=0x40;
buffer[0]=0x40;
}
elsetimeToBuffer（）;//调用转换段码功能模块
offmsd（）;//调用判断百位数为零模块，百位为零时不显示
scanLED（）;
升级会员 