基于51单片机的超声波测距电子电路设计.docx

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基于51单片机的超声波测距电子电路设计

广东机电职业技术学院

企业项目（设计报告）

题目：

基于51单片机的超声波测距仪的设计

院（系）：

专业名称：

班级学号：

学生姓名：

指导教师：

二O年月

摘要：

科技的快速发展，超声波技术应用越来越广，很多产品在工业中广泛应用。

伴随着单片机技术的进步，国际上出现了不少单片机控制的利用超声波测距的产品，经过不断的实践和改进，超声波类产品应用性及稳定性得到提高。

随着我国科学技术的不断发展，国产的超声波测距的产品得到了很好的发展。

为了让超声波测距类产品智能，人性化，因此作者在文中尝试利用STCAT89C52单片机研究制作语音控制超声波测距系统，外部接有，超声波发射电路，超声波接收电路，键盘和显示部分，实现超声波测距功能。

在这个系统中，当启动超声波发射电路，开始计时，一旦回波电路接收到信号，计时结束，由程序上控制算法，测出距离，送数码管显示，并满足一定精度要求，这类产品对特殊场合及人群有很大的帮助。

结合了该芯片功能，作者设计的超声波测距系统具有非接触、速度快、适应性好，操作方便、有着广泛的应用前景。

展望未来，超声波测距作为一种新型的非常重要有用的技术在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位、智能化的方向发展，以满足日益发展的社会需求。

引言···························································3

I.1课题设计的目的及其意义·································3

I.2超声波测距仪的设计思路·································4

I.3课题设计的任务和要求···································4

1课题的方案设计与论证···········································5

1.1系统整体方案的设计·····································5

1.2系统整体方案的论证·····································5

2系统的硬件结构设计·············································6

2.1单片机的功能特点及测距原理·····························7

2.2键盘及显示电路·············································8

2.3超声波发射电路·········································8

2.4超声波检测接收电路·····································9

2.5温度测量电路··········································10

2.6超声波测距系统的硬件电路设计···························11

3系统软件的设计·················································11

3.1超声波测距仪的算法设计·································12

3.2主程序流程图···········································12

3.3超声波发生子程序与超声波接受中断程序···················13

3.4系统的软硬件的调试·····································13

总结····························································16

致谢····························································17

参考文献··························································18

附录一超声波测距电路原理图··································19

附录二超声波测距实物图·········································20

附录三程序清单··············································21

引言

1.1课题设计目的及意义

1.1.1设计的目的

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。

但就目

前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，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，超声波测距仪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；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。

随着测距仪的技术进步，测距仪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。

在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

1.1.2设计的意义

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。

关键词：

汇编语言51单片机放大器检波器数字显示

1.2超声波测距仪的设计思路

1.2.1超声波测距原理

发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。

由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表1-1超声波波速与温度的关系表

温度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速（m／s）

313

319

325

323

338

344

349

386

1.2.2超声波测距仪原理框图如下图

单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。

图1-1超声波测距仪原理框图

1.3课题设计的任务和要求

设计一超声波测距仪，任务：

利用超声波换能器和单片机设计一种非接触式测距仪，该装置的测量距离为4CM---4M，并且具有温度补偿、测量准确、性能可靠性等优点。

1、掌握超声波传感器的工作原理并设计超声波发射器与接收器的工作电路。

2、测量距离为4CM---4M，测量误差≤1CM。

3、温度补偿范围：

-20--100C。

4、实时显示实测距离、温度。

1课程的方案设计与论证

1.1系统整体方案的设计

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。

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农业生产等自动化的使用要求。

    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、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。

目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。

根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89C52单片机作为控制器，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。

1.2系统整体方案的论证

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。

此次设计采用反射波方式。

测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。

超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。

由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。

2系统的硬件结构设计

硬件电路主要分为以下7个部分：

1、单片机系统电路2、键盘及显示电路3、超声波发射电路

4、超声波检查接收电路5、温度测量电路

6、时间测量电路7、存储电路

2.151系列单片机的功能特点及测距原理

2.1.151系列单片机的功能特点

5l系列单片机中典型芯片（AT89C52）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，8kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8b的工／O端I：

IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。

特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。

该系列单片机引脚与封装如图2-1所示。

图2-151系列单片机封装图

5l系列单片机提供以下功能：

4kB存储器；256BRAM；32条工／O线；2个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式：

CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式：

保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。

充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

2.2键盘及显示电路

2.2.1键盘电路

在计算机控制系统中，除了与生产过程进行信息传递的过程输入输出设备以外，还有与操作人员进行信息交换的常规输入设备和输出设备。

键盘是一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合，从功能上可分为数字键和功能键两种，作用是输入数据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的人机对话。

键盘接口电路可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。

编码键盘采用硬件编码电路来实现键的编码，每按下一个键，键盘便能自动产生按键代码。

编码键盘主要有BCD码键盘、ASCII码键盘等类型。

非编码键盘仅提供按键的通或断状态,按键代码的产生与识别由软件完成。

由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的抖动干扰，其产生的波形如图3所示，当按键按下时会产生前沿抖动，当按键弹起时会产生后沿抖动。

这是所有机械触点式按键在状态输出时的共性问题，抖动的时间长短取决于按键的机械特性与操作状态，一般为10~100ms，此为键处理设计时要考虑的一个重要参数。

2.2.2显示电路

在计算机控制中，显示装置是一个重要组成部分，主要用来显示生产过程的工艺状况与运行结果，以便于现场工作人员的正确操作。

常用的显示器件有显示记录仪、发光二极管显示器LED、液晶显示器LCD、大屏幕显示器和图形显示器终端CRT。

LED数码管--由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。

LED（发光二极管LightEmittingDiode的英文缩写）是利用PN结把电能转换成光能的固体发光器件，根据制造材料的不同可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的可见光来。

LED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降约为2伏左右，工作电流一般在10-20mA之间较为合适。

LED显示器有多种结构形式，单段的圆形或方形LED常用来显示设备的运行状态，8段LED可以显示各种数字和字符，所以也称为LED数码管，其外形如下图所示。

8段LED在控制系统中应用最为广泛，其接口电路也具有普遍借鉴性。

因此，我们介绍8段LED数码管显示器。

在计算机控制系统中，常利用n个LED显示器构成n位显示。

通常把点亮LED某一段的控制称为段选，而把点亮LED某一位的控制称为位选或片选。

根据LED显示器的段选线、位选线与控制端口的连接方式不同，LED显示器有静态显示与动态显示两种方式，本次课程设计中，我们采用了动态显示这种方式，下面4位共阴极LED为例，说明动态显示3456数字的工作过程.

LED动态显示方式

首先由I/O口

（1）送出数字3的段选码4FH即数据01001111到4个LED共同的段选线上，

接着由I/O口

（2）送出位选码××××0111到位选线上，其中数据的高4位为无效的×，唯有送入左边第一个LED的COM端D3为低电平“0”，因此只有该LED的发光管因阳极接受到高电平“1”的g、d、c、b、a段有电流流过而被点亮，也就是显示出数字3，而其余3个LED因其COM端均为高电平“1”而无法点亮；显示一定时间后，

再由I/O口

（1）送出数字4的段选码66H即01100110到段选线上，接着由I/O口

（2）送出点亮左边第二个LED的位选码××××1011到位选线上，此时只有该LED的发光管因阳极接受到高电平“1”的g、f、c、b段有电流流过因而被点亮，也就是显示出数字4，而其余3位LED不亮；

如此再依次送出第三个LED、第四个LED的段选与位选的扫描代码，就能一一分别点亮各个LED，使4个LED从左至右依次显示3、4、5、6。

2.3超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图2-2所示。

发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0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。

输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04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。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

2.4超声波检测接收电路

集成高速运算放大电路TL082是一款性能优良的芯片，运用它对所接收到的微弱信号进行放大，使信号幅值达到后面的检波电路所要求的最低幅值。

本接收电路灵敏度高，所需要元器件少，电路连接简单，成本低，很适合大批量生产。

电路原理图如下：

图2-3超声波检测接收电路

2.5温度测量电路

目前,温度测量方法很多，温度传感器也非常普遍。

实验采用DS18B20芯片的“一线式”温度传感器。

该传感器只需占用微处理器的一个普通端口，并且多个传感器可以并联在一起使用,适用于多点温度检测系统,节约了大量系统资源。

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。

可以充分发挥“一线总线”的优点。

目前DS18B20批量采购价格仅10元左右。

DS18B20的外形及管脚排列如下图：

DS18B20引脚定义：

（1）DQ为数字信号输入/输出端；

（2）GND为电源地；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

DS1820具有以下特性：

（1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器

与DS18B20的双向通讯。

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测

温。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极

管的集成电路内。

（5）测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625

℃，可实现高精度测温。

（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把

温度值转换为数字，速度更快。

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验

码，具有极强的抗干扰纠错能力

（9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

2.6超声波测距系统的硬件电路设计

本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用AT89C52，经济易用，且片内有8K的ROM，便于编程。

电路原理图如图2-4所示。

图2-4超声波测距电路原理图

3系统软件的设计

超声波测距器的软件设计主要由主程序、超声波程序发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。

由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。

下面对超声波测距器的算法。

3.1超声波测距仪的算法设计 

    超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。

这样只要计算出从发出超声波信号到接收到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。

距离的计算公式为：

 d=s/2=（vt）/2

其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

3.2主程序算法设计

主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器工作模式为16位定时、计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口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。

为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延迟0.1ms后才打开外中断0，接收返回的超声波信号。

由于采用12MHZ晶振，计数器每记一个数就是1us，计算当20℃时的超声波传输速度v=344m/s,则：

d=（vt）/2=344t/2=（172T0/106）m=（172T0/10000）cm，其中T0为中断T0的计数值。

测出距离后，结果以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5S，然后再发出超声波脉冲重复测量。

图3-2主程序流程图

3.3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P1.0端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约40KHZ的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。

超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言程序编程。

超声波测距主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回的超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。

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，表示本次测距不成功。

3.4系统的软硬件的调试

超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中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，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。

若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。

根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

    硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。

根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。

根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.07～5.5m，测距仪最大误差不超过1cm。

系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

软件的调试程序见附录三

总结

此次课程设计不但做出实物，且对设计有一个很好的理论基础。

设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。

以数字的形式显示测量距离。

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。

此次设计采用反射波方式。

超声波测距仪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检测接收电路三部分。

单片机采用AT89C52或其兼容系列。

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P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0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