超声测距论文初稿.docx
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超声测距论文初稿
②等级标准：
优≥90；良≥80；中≥70；及格≥60；不及格＜60；
答辩会纪要
时间
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答
辩
小
组
成
员
姓名
职称
所学专业
所从事专业
答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录：
会议主持人：
记录人：
年月日
学生毕业设计（论文）
课题名称
基于AT89S52单片机的高精度
超声测距系统研究
姓名
黄景
学号
071220333
院系
物理与电信工程系
专业
电子信息工程
指导教师
赵政春讲师
2011年6月5日
湖南城市学院本科毕业设计（论文）诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业设计（论文）作者签名：
二○一○年六月五日
目录
摘要4
关键词4
Abstracte.5
Keywords5
引言6
1系统设计思路6
1.1超声波测距原理6
1.2超声波测距的结构及工作过程7
2硬件设计8
2.1整体电路9
2.2超声波发射电路10
2.3超声波接收电路10
2.4I/O模块11
2.4.1显示模块11
2.4.2单片机最小系统12
2.4.3温度补偿电路12
2.4.4
2.4.5
3软件设计13
3.1主程序13
3.2超声波接收中断程序14
4实验仿真14
5结论15
参考文献15
致谢16
附录18
基于AT89S52单片机的高精度超声测距系统研究
黄景
（湖南城市学院物理与电信工程系2011届电子信息专业，益阳，413000）
摘要：
基于低成本、高精度的目的提出了一种超声波测距系统的设计方案。
设计采用AT89S52单片机作为主控MCU，软件部分采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等组成。
本文在分析了超声波测距原理的基础上指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了实现超声波测距方案的软、硬件设计系统框图。
在设计中兼顾了系统性能和器件成本的关系，降低了整套系统的成本。
实验表明此系统具有高的测量精度和实际使用价值。
关键词：
单片机；AT89S52；超声波传感器；测距
ResearchofHighPrecisionUltrasonicRangingSystemBasedontheAT89S52
HuangJing
（2011YearStudentofTheDepartmentofPhysicsandTelecommunicationEngineering,
HunanCityUniversity,413000,China）
Abstract:
Basedonthepurposesoflow-costandhighaccuracy,aultrasonicdistancemeasurementisdesigned.ThisdesignusetheAT89S52asthemasterMCU,andthesoftwarepartusemodulardesign,itcomposesofthemainprogram,subroutinelaunch,receiveroutine,regularroutines,displayroutinesandothercomponents.Basedontheanalysisontheprincipleofultrasonicdistancemeasurementdesign,thistitleshowtheideasandissuesneedtobeconsidered,andgivetheultrasonicrangingprogramofsoftwareandhardwaredesignblock.Takenintotheconsiderationinthedesignofsystemperformanceandtherelationshipbetweenthecostofthedevice,thisdesignreducesthecostoftheentiresystem.Experimentsshowthatthissystemhashighaccuracyandpracticalvalue.
Keywords:
MCU;AT89S52;ultrasonicsensor;distancemeasurement
引言
超声测距是一种典型的非接触式的测距方式。
由于超声波具有防尘、防雾、防毒、防电磁干扰能力强、不受色彩和光线影响等优点．对恶劣环境有很强的适
应能力．使得超声测距技术在无损检测、现场机器人、车辆自动导航、液位测量等工业领域得到了广泛应用。
但国内现有超声测距装置精度不高，使其在工程中的进一步推广应用受到较大制约。
模数转换器作为超声测距系统的核心器件之一．对系统的测量精度有着重要影响。
因此．本文通过选择合适的模数转换器和优化超声测距电路设计来提高超声测量精度。
1系统设计思路
1.1超声波测距原理
超声测距是一种非接触式的检测方式，他不受光线、被测对象颜色等因素的影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境有一定的适应能力。
因此可应用于料位测量、车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域。
超声波测距是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，超声波在介质中传播，途中碰到被测物体后，必有反射波反射回来作用于超声波接收器上。
这时发射点距被测物反射面之间的距离就可用时间差测距法求得：
S=ct/2（1.1）
式中的c为超声波声速，单位（m/s）；t为超声波从发射声波到接收所需的时间，单位（s）；S为所测得距离，单位（m）。
其测量原理如图1.1所示。
由于超声波的传播速度c会受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度影响最大。
为此，只要测得从发射声波到接收所需的时间及现场环境温度就可以计算出发射点与目标之问的距离[2]。
图1.1超声波测距原理示意图
1.2超声波测距的结构及工作过程
超声测距系统由控制器、显示模块、温度补偿模块、发射电路、接收电路和超声波换能器等组成。
系统结构框图如图l.2所示。
本方案采用AT89S52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波测距系统的框图如图1.2所示。
其工作过程是：
单片机AT89S52控制振荡源发出40kHz的脉冲串，脉冲信号串驱动超声波发送器，发出超声波。
单片机在发送第一个超声波脉冲的同时启动定时器，开始计时。
当超声波遇到障碍物后产生回波，该回波被超声波接收器接收。
由于超声回波很微弱（几十个mV级），又存在着较强的噪声，所以需要将该信号进行放大和滤波处理。
当接收到超声信号，关闭定时器，停止计时[3]。
这样可以得到从发射超声波到接收到超声波的时间t。
温度检测电路也将采集到的现场温度数据送给单片机，提供对超声波速度的修正。
然后利用公式S=ct/2求出被测距离，距离数值送数码管显示。
2硬件设计
超声波测距仪主要由控制模块、超声波发射模块、超声波接收模块、I/O模块组成[4]，I/O模块又包括显示模块、单片机外围电路和温度补偿电路。
总的硬件设计结构如图2.1所示。
图2.1硬件设计结构
AT89S52通过外部引脚P3.1输出脉冲宽度为250ms，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。
超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大。
这里的放大器是一个高增益、低噪声放大器。
在对放大后的信号进行检波后将检测的回波送到单片机P3.2端口，启动中断。
利用S=ct/2就可以算出距离，t为回波和发射脉冲之间的时间间隔，c为声速，再在LCD上显示出来[5]。
2.1整体电路
图2.2主控部分
整体电路图如图2.2所示。
以AT89S52单片机为核心，实现其对各部分电路的控制和响应。
单片机采用ATMEL公司的产品AT89S52，它是一种低功耗、高性能的含有8K字节快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM-F1ashProgrammableandErasableRead0nlyMemory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与AT89C52指令系统和引脚完全兼容。
芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。
AT89S52单片机在系统中的作用主要是：
发出信号驱动振荡电路，启动振荡电路工作；检测超声波接收电路输出的返回信号。
定时器TO计时，工作在方式1；此外，它要根据渡越时间与超声波速度数值相乘，进行有关参数计算出距离，并进行数据的显示以及软件除干扰等[6]。
XTAL1和XTAL2外接一个晶体振荡器，为单片机提供时钟控制信号。
RST外接一个复位电路，复位电路采取上电复位方式。
P0端口送要显示的字符段码，P2.0-P2.3送LED的片选信号，实现LED的动态显示。
P1.1口接温度检测电路，以便实时测量温度。
P3.1和P3.2分别接超声波发射电路和接收电路，实现超声波的发射和回波的接收[7]。
2.2超声波发射电路
图2.3超声波发射电路原理图
超声波发射电路如图2.3所示，采用共振频率为40kHz的超声波换能器。
发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P3.1端口输出的信号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。
用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。
而上拉电阻R13、R14，一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，缩短其自由振荡的时间[8]。
2.3超声波接收电路
图2.4超声波接收电路原理图
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收专用芯片，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与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图2.4所示。
超声波接收换能器把接收到的超声波信号转换成电信号，然后通过集成电路进行解调，恢复为带有一定功能指令码的信号。
对此信号加以放大、整形后输出有效电平。
适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力[9]。
CX20106A内部设置的滤波器中心频率f可由其5脚外接电阻调节，阻值越大，中心频率越低，范围为30~60kHz。
CX20106A内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。
工作过程如下：
接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。
当接收到与CX20106A滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S52的INT0引脚上，以触发中断。
若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R11，将滤波器的中心频率设置在40kHz，就可达到理想的效果。
2.4I/O模块
本设计的I/O模块主要由显示模块、单片机最小系统和温度补偿电路组成。
2.4.1显示模块
图2.5显示电路图
显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码从P0口输出，用74LS244驱动，P2.0-P2.3口输出的是片选信号，使用9012三极管作为列驱动。
本电路的显示方式属于动态方式，各显示位笔段引脚a-dp并联在一起。
为了控制LED数码管轮流工作，各显示位的公共端与列驱动电路相连，这样就可以依次输出每一显示位的代码和位扫描码，轮流点亮各数码显示管，实现动态显示的目的[10]。
为了
防止产生闪烁现象，数码管刷新频率为30Hz，为了不因为显示时间缩短而影响亮度，可适当增加驱动电流，一般取20mA-35mA。
试验表明：
要保持一定的亮度，驱动电流在30mA的情况下，每位数码管的显示时间不能少于lms。
显示电路图如2.5。
2.4.2单片机最小系统
主控制器主要由单片机AT89S52、振荡器和复位电路三部分组成，它是单片机工作的必要组成部分，又称为单片机最小系统。
其中XTAL1和XTAL2外接一个晶体振荡器，RST外接一个复位电路，晶体振荡电路为单片机提供时钟控制信号[11]。
复位电路采用上电复位方式，通电的一瞬间，电容C1可看成通路，这时单片机RST端为高电平，单片机复位。
电压稳定后，电容C1可看成断路，单片机RST端为低电平。
整个外围电路图如图2.6。
图2.6单片机外围电路图
2.4.3温度补偿电路
由超声物理学知识可知．气体的声速随温度的变化为正温度系数。
不同温度时，空气中的声速可表示为
（2）
式中：
Co=331.45m／s；To=273.16K。
由式
（2）可知，温度对声速的影响较大。
为了提高系统测量精度．系统设计了温度补偿电路．对声速测量进行实时校正。
系统采用的美国DALLAS半导体公司的“一线总线”接口温度传感器DSl8820．具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。
可直接将温度转换成串行数字信号[51．其温度补偿电路原理图如图2.7其中．AT89S52通过端口P1．1读取当前温度数值，利用式
（2）计算出该温度下的超声波速度，实现对障碍物距离测量的温度补偿。
图2.7温度补偿电路
2.4.4数据采集模块
由于超声换能器的工作频率在40kHz．因此．其回波信号的中心频率也在40kHz左右。
根据Nyquist采样定理．系统模数转换器的采样频率必须大于0kHz。
另外．由于系统要实现高精度的障碍物距离测量．因此。
对模数转换器的分辨率也提出了较高要求。
综上考虑．本文选用了高速数模转换器LTCl609。
模数转换器LTCl609采样速率最高为200KSPS．16位分辨率，信噪比为87dB。
LTCl609内部主要包括采样保持电路、精准的内部基准、连续逼近AD转换开关电容、内部时钟等c6]。
它还有一个高速串行接口，方便与DSP、FIFO、微处理器相连。
串行输出数据可以通过内部串行移位时钟或者外部移位时钟输出。
芯片电压输入可以为单极性输入（OV～
10V、0V～5V、0V～4V），也可以为双极性输入（+IOV、4-5V、±3．3V）。
在本系统中．根据高精度超声测距系统的需要．选择±5V双极性输入．简化了信号调理电路。
输出结果为直接二进制数．方便后续算法处理。
数据采集模块电路图如图2.8所示。
图2.8数据采集模块电路图
LTCl609有内部时钟和外部时钟两种转换模式。
酉为片选信号输入端。
R／虿为写信号输入端。
为模数转换状态信号。
斫两r为了便于编程。
本文
选择外部时钟模式。
外部时钟转换模式时序图如图2.9所示。
图2.9外部时钟模式时序图
3软件设计
本文设计的超声波测距仪是基于AT89S52单片机开发设计的。
它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。
图3.1和图3.2分别为主程序和超声波接收中断程序的框图。
测量时，主程序便开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码管上显示出来。
所有的程序见附录。
图3.1主程序图3.2中断程序
3.1主程序
主程序流程图如图3.1所示，主程序主要对系统环境进行初始化，设置定时器T0工作于方式1，16位定时。
打开外部中断0，并给显示端口P0和P2清零。
然后置P1.0有效，控制发出一串超声波脉冲。
脉冲的数目通过实验分析，为10个最好，故P1.0输出为4kHz（即250us）的控制脉冲，以控制振荡电路发出40kHz的超声波。
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后，才打开外中断0接收返回的超声波信号[13]。
之后，程序进入等待中断的过程。
3.2超声波接收中断程序
超声波接收中断程序的流程图如图3.2所示。
当主程序检测到接收成功（P3.2脚产生下降沿）的信号后，关闭外部中断0和定时器T0。
将定时器T0中的数（即超声波来回所用的时间）读回，并读取现场温度，进行温度转换，从而根据式c=331.45+0.607T，计算声波的实际速度。
然后按式S=ct/2计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离。
测出距离后结果将以十进制BCD码方式送LED显示[14]。
4实验仿真
本设计采用的超声波频率是40kHz。
在设计完成后选取了选取了墙面为被测对象，进行了多次测量实验。
表1是部分实验数据。
超声波传感器的测距范围为0.060~1.000m。
在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作，数码显示采用LED动态显示方式，节省单片机端口资源；该系统检测迅速、方便、易于实时控制。
由以下测量数据可知，超声波测距仪在0.060~0.300m范围内精度较高，随着距离的增加，误差有所增加。
主要是由于发射功率较小，接收信号微弱，以致干扰信号侵入影响测量数据。
另外所选传感器精度不高以及视觉误差都是造成测量误差的原因。
并且测量结果的精度还受声速、温度等其它因素的影响。
表1测试数据单位（m）
由于本论文所测数据多组，得到的仿真图也不只有一个，因此仅呈现一个仿真图以供参考，见图4.1。
此仿真图测的是在温度为17℃，实际距离为0.600m时，所测结果为0.577m，存在一定的误差。
图4.1仿真图
5结论
针对目前超声测距测量精度不高的问题．本文采用LTCl609作为高速模数转换器设计了高精度的超声测距系统．该系统采用AT89S52单片机作为控制核心，利用“软件阈值法”确定回波前沿．并引入温度补偿电路提高了系统的测量精度．经实际测试证明．该超声测距系统能够满足障碍物高精度的测距要求。
参考文献
[1]刘洪恩．汽车倒车防撞超声波雷达的设计[J]．仪表技术，2008：
86-91．
[2]顾新泉，侯孟亨．最新集成电路手册[M]．北京：
银声音像出版社，2004：
53-55．
[3]张友德，赵志英，涂时亮．单片微型机原理应用与实验[M]．上海：
复旦大学出版社，2006：
305-344．
[4]蔡秀琴．8245在提高超声波测距系统精度中的应用[J]．电子科技出版社，2005，8（4）：
53-55．
[5]Guo,Yetal.Efficientmodellingtechniqueforfractalelectromagneticband-gaparrays[J].2004,151（6）:
467-470.
[6]沈红卫．基于单片机的智能系统的设计[J]．北京：
电子工业出版社，2005：
305-344．
[7]吴慎山，王芳．智能单片机频率计的原理与设计[M]．河南师范大学学报，2004，32
（2）：
43-45．
[8]沙占友，王彦朋等．单片机外围电路设计[M]．北京：
电子工业出版社，2004：
3-5．
[9]管连俊，李威．智能超声波测距传感器在测井仪中的应用[J]．煤矿机电，2005，7（3）：
45-48．
[10]牛余朋，成曙．基于单片机的超声波测距系统[J]．兵工自动化，2005，10（4）：
77-79．
[11]Kim,Hetal.Lineartunablephaseshifterusingaleft-handedtransmissionline[J].IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2005,15（5）:
366-368.
[12]潘仲明．大量程超声波测距系统研究[J]．北京：
国防科学技术大学，2006：
18-51．
[13]马淑华，王凤文．单片机原理与接口技术[M]．北京：
北京邮电大学出版社，2005：
201-220．
[14]Garver,R,V.Broad-BandDiodePhaseShifters[J].IEEEMicrowaveTheory1972,20（5）:
314-323.
致谢
这次毕业论文能够得以顺利完成，是所有曾经指导过我的老师，帮助过我的同学，一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。
我要在这里对他们表示深深的谢意！
首先要特别感谢我的指导老师——赵政春老师。
赵老师在我毕业论文的撰写过程中，给我提供了极大的帮助和指导。
从开始选题到中期修正，再到最终定稿，赵老师给我提供了许多宝贵建议。
其次要感湖南城市学院所有曾经为2006级电子信息专业任课的老师，老师们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度。
感谢我的父母亲，你们是我力量的源泉，只要有你们，不管面对什么样的的困难，我都不会害怕。
感谢同寝室所有同学，热心的帮我查询资料，并在论文写作中都给了我很多启发和帮助。
附录：
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* 中断入口程序 *
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ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
LJMPPINT0
ORG000BH
LJMPINTT0
ORG0013H
RETI
ORG001BH
LJMPINTT1
ORG0023H
RETI
ORG002BH
RETI
********************************************
* 主程序 *
********************************************
START:
MOVSP,#4FH
MOVR0,#40H ;40H-43H为显示数据存放单元（40H为最高位）
MOVR7,#0BH
CLEARDISP:
MOV@R0,#00H
INCR0
DJNZR7,CLEARDISP
MOV20H,#00H
MOVTMOD,#11H ;T0为16位定时器
MOVTH0,#00H ;65毫秒初值
MOVTL
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