基于单片机的超声波测距仪设计与制作.docx

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基于单片机的超声波测距仪设计与制作

毕业设计[论文]

题目：

基于单片机的超声波测距仪设计与制作

学院：

电气与信息工程学院

专业：

电子信息工程

姓名：

学号：

指导老师：

郭蓓蕾

完成时间：

2013年5月31日

摘要

随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。

在社会生活中应用超声波测距技术已很广泛，如汽车倒车雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

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，因而超声波测距技术的研究和开发具有实际意义。

本文介绍了一种利用超声波测距的系统，该系统是一种基于AT89C52单片机的超声波测距系统，它根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。

该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。

通过单片机的I/O口控制超声波发射电路发出40KHz的超声波，反射波经由超声波检测接收电路、放大电路送入单片机外部中断端，通过计算超声波的发射和返回的时间，确定超声波发生器和反射物体之间的距离，完成测距。

整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。

各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。

在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。

此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。

实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。

关键词：

AT89C52，超声波，LED数码管，测距

Abstract

Withthedevelopmentofsociety,thedemandonthemeasurementofdistanceorlengthisincreasing.Itisappliedwidelybyultrasonictomeasuredistance,suchascarsreversingradar，rangefinderandlevelmeasurementandsoon.Becauseofthestrongpointofultrasonic,lowenergyconsumption,longdistancetransportinginmedia,thusitispracticalandsignificanttomeasuredistancebyultrasonic.

Inthispaper,itintroducesasystemtomeasuredistancebyultrasonic,whichisbasedontheAT89C52.Thetheoryisbasedontheprinciplesofreflectionofultrasonicspreadingintheair.Thesystemusesultrasonicsensorsasadetector,andappliesMCUandthetimedifferenceofultrasonicspreadingintheairtomeasurethedistance.Thesystemconsistsofthemaincontrollermodule,ultrasonictransmittermodule,ultrasonicreceivermoduleanddisplaymodule.TheMCUI/Oportcontrolsultrasonictransmittertosend40KHzultrasonic,andthereflectingsignalisreceivedbytheultrasonicreceivercircuit,anditisamplified,andfinally,itstartstheinterrupteroftheMCU.TheMCUcalculatesthetimeoflaunchandreturnofultrasonictogetthedistancebetweentheultrasonicgeneratorandthereflectiveobjects.

Theentirehardwarecircuitiscomposedbyultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivercircuit,thepowercircuit,displaycircuit,andothermodules.TheprobesignalsareintegratedanalysisedbySCMCtoachievethevariousfunctionsofultrasonicdistancemeasurementinstrument.Basedonthishasdesignedsystem'soverallconcept,finaladoptionofhardwareandsoftwaretoachievethevariousfunctionalmodules.Therelevantpartshavethehardwareschematicsandprocessflowchart.Ithasgiventhesystemconstitution,thecircuitryandtheprogramming.Theinstrumentsystemhasfeatures:

easeofcontrol,stabilityofoperation,highnessofprecisionanddistinctnessofprogrammedprocess,etc.Aftertherealizationoftheworkscanbeusedforneedsofthevariousparametersmeasureddistanceapplications.

Keywords:

AT89C52,Ultrasonicwave,LEDdigitaltube,Measuredistance

第1章绪论

1.1课题研究的背景

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，由于历史原因和城市居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。

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。

但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：

研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题。

毋庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。

随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

1.2课题研究的意义

在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。

而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。

目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。

为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89C52单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。

1.3论文框架

论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。

第2章先就超声波测距的原理进行了详细介绍。

第3章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，并得出了系统结构框图。

第4章介绍了设计中需要用到的主要器件，且因其在本设计的作用不同而详尽程序亦不同。

第5章从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。

第6章先给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释。

程序编译及系统仿真也是本文的一个要点，所以特别分出一章来详细介绍了程序编译的环境和编译的步骤以及仿真的环境和部分仿真的效果图。

第2章基于单片机的超声波测距原理

2.1超声波简介

我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。

当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。

可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。

在医学，军事，工业，农业上有明显的作用。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。

在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度。

这就是超声波加湿器的原理。

对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到患病的部位。

利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。

利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。

2.2超声波测距原理

超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。

测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。

测量距离D为

（2.1）

式中c——超声波的传播速度；

——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。

由上式可风，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。

计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1µs,不会产生累积误差，使定时间达到1µs。

超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为

（2.2）

式中γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。

R——气体普适常数，为8.314kg/mol。

T——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。

M——气体相对分子质量，空气为28.8×10-3kg/mol。

c0——0℃时的声波速度，为331.4m/s。

由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系。

温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0℃时的速度为332m/s，30℃时的速度为350m/s，相差18m/s。

因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。

对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s。

第3章课题设计方案制定

3.1设计思路

测量距离方法有很多种，短距离可以用尺，远距离有激光测距等，超声波测距适用于高精度中长距离测量。

因为超声波在标准空气中传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。

目前比较普遍的测距的原理：

通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接收到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。

而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。

以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。

尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。

所以，8051是双CPU的单片机。

位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C52单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。

利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用锁相环LM567对放大后的信号进行频率监视和控制。

一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。

可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；AT89C52还控制显示电路，用动态扫描法来实现LED数字显示。

3.2系统总体结构设计

超声波测距仪系统结构如图3.2所示。

它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、LED显示电路及电源电路组成。

系统主要功能包括：

1）超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；

2）通过LED电源指示灯，检测电源电路是否正常工作；

3）LED显示器显示距离；

4）单片机综合处理接收到的数据；

5）当系统运行不正常时，用上电复位电路复位。

图3.2超声波测距仪系统结构框图

第4章硬件电路的主要元器件介绍

4.1单片机AT89C52

单片机即单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）。

它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：

串行口、并行输出口等）、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：

串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。

相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicrocontrollerUnit）。

本设计的MCU采用的是DIP（DualIn-linePackage塑料双列直插式）封装的AT89C52高性能8位单片机。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C52提供了高性价比的解决方案。

AT89C52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含3个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

其引脚图如右图4.1.1。

AT89C52的引脚功能有：

图4.1.1AT89C52的引脚图

1）主电源引脚

VSS——第20脚，电路接地电平。

VCC——第40脚，正常运行和编程校验+5V电源。

2）时钟源

XTAL1——第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。

当直接采用外部信号时，此引脚应接地。

XTAL1——第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。

当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。

3）控制、选通或复用

RST/VPD——第9脚，RESET复位信号输入端口。

当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。

在VCC掉电期间，此引脚（即VPD）可接通备用电源，以保持片内RAM信息不受破坏。

——第30脚，输出允许地址锁存信号。

当单片机访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。

在非访问外部存储器期间，ALE仍以1/6振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。

为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。

——第29脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。

当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的

信号不出现。

：

外部访问允许。

欲使CPU访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），

端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存

端状态。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

4）多功能I/O端口

P0口——第32~39脚，8位漏极开路双向I/O端口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口——第1~8脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。

在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。

P2口——第21~28脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。

当单片机访问存储器时，用做高8位地址总线；在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。

P3口——第10~17脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。

它还提供特殊的第二变异功能。

它的每一位均可独立定义为第一功能的I/O口或第二变异功能。

第二变异功能的具体含义如表4.1.2：

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

表4.1.2P3口的第二变异功能

4.2超声波传感器

超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。

压电陶瓷片具有如下特性：

当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。

也就是说，若在压电晶片两边加以频率为

的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当

落在音频范围内时便会发出声音。

反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。

超声波传感器结构如下：

图4.2.2传感器外部结构

图4.2.1元件内部结构

第5章超声波测距硬件电路设计

5.1超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图5.1所示。

发射电路主要由反相器74HC04和超声波发射换能器T40构成，单片机P3.3端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上位电阻R1、R5一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

图5.1超声波发射电路原理图

5.2超声波接收电路

超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。

由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。

本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106A，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。

CX20106A是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理。

超声波接收电路如图5.2所示。

图5.2超声波接收电路

5.3四位LED数码管显示电路

显示电路如图5.3，四位LED组成动态扫描电路，由AT89C52的P0口输出。

动态扫描时，由P2口控制LED的当前显示位。

当距离测量结束并调用显示程序，就会显示距离大小，显示两位小数。

超声波显示电路