基于单片机的超声波测距电路设计.docx

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基于单片机的超声波测距电路设计

基于单片机的超声波测距电路设计

超声波测距是一种传统而使用的非接触式测量方法，和激光，涡流及无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，而且结构简单，成本低，因此，在倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场得到了广泛的应用。

本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于AT89S51单片机的超声波测距器。

该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。

本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

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。

该测距仪最大测量距离是3米，精确度是1cm,它具有成本低，非接触，速度快，精度高，可靠性强，适应性好，操作方便等优点，有着广泛的应用前景。

关键词AT89c51，超声波，测距

UltrasonicDistanceMeasurementBasedonSingle-chipcircuitdesign

Ultrasonicrangingistouseatraditionalnon-contactmeasurementmethod,andlaser,eddycurrentandradio-locationmethods,withopticalandelectromagneticfieldsarenotsubjecttoexternalfactorssuchastheadvantagesofrelativelypoorintheenvironmentalsohasacertaindegreeofadaptivecapacity,andsimplestructure,lowcost,therefore,reversingradar,constructionsite,aswellassomeindustrialscenehasbeenwidelyused.

Inthispaper,accordingtotheprincipleofultrasonictransmissionintheair,takingtheultrasonictransducerastheinterfaceunit,anultrasonicdistancetesterbasedonAT89S51SCMisintroduced.Thisdesigniscomposedoftheultrasonicwavegeneratingmodule,thesignalreceivingmodule,theSCMprocessingmodule,theLEDdigitaldisplayandacousto-opticwarningdisplaymodule.Inthepaper,thetester'shardwarecomposition,thetestingprinciple,thetestingmethodandthesoftwarestructureareintroducedindetail.

AtthecoreofthedesignusetheAT89C51low-cost,highaccuracy,Microfiguresshowthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.

Therangefinderisthelargestmeasuring3metersdistance,accuracyis1cm,ithasalowcost,non-contact,highspeed,highprecision,reliability,adaptability,andeasytooperate,etc.,havebroadapplicationprospects.

KeywordsAT89S51，SilentWave，MeasureDistance

1绪论

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。

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，随着科学技术的快速发展，超声波技术将在测距仪中的应用越来越广，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，它将朝着更高定位更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。

采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境（如含粉尘）具有一定的适应能力。

因此，用途极度广泛。

例如:

测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是：

仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。

超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人等等。

由于超声波易于定向发射，方向性好，强度易于控制，它的应用价值己被普遍重视。

2.1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工农业生产等自动化的使用要求。

超声波发生器[10，12，23]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AT89S51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。

图1超声波测距系统总体框架

4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AT89S51，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。

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AT89S51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的正弦波信号，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4位共阳LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管9012驱动。

4.1超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图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，用这种推挽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，如果两电极间没有外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，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。

4.2超声波检测接收电路

接收电路中使用芯片CX20106A，集成电路CX20106A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，现在已经很少使用了。

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3）。

实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当更改电容C9的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

图3超声波检测接收电路

4.3数据显示部分

数据显示电路采用简单的4位共阳极LED数码管，如图4所示。

在设计之初我们给测距系统设计了两种显示电路，一种是数码管显示的人机接口；另一种是LCD字符型液晶屏显示接口，可以根据需求通过修改接口电路和部分程序，以使其通过不同的媒介显示相关信息。

在本课题中，经过我们的商量，在考虑经济性和复杂程度的基础上，我们决定用4位共阳极数码管实现数据显示的，显示电路采用的4位共阳极LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管Q1、Q2、Q3、Q4驱动。

通过单片机的24，25，26，27四个管脚的信号控制四个三极管的基级，利用三极管的开关特性，实现数码管的点亮，从而实现动态显示，显示精度是1cm。

图4显示电路

5系统软件的设计

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

程序流程如图5所示。

其工作流程是：

上电后首先对系统进行初始化，紧接着调用显示子程序，显示完后判断有没有超声波被接收，若有，则停止计时并将计时值送入距离计算子程序，然后将所测距离显示1秒，最后返回进行下一轮测量；若没有信号进来，则继续调用显示子程序。

其流程图如图6所示。

图5软件设计流程框图图6工作流程图

5.1主程序流程图

软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图7所示。

主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。

定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。

主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1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，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距仪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。

由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1μs，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）按式（2-2）计算，即可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×t）/2=172T0/10000cm（2-2） 

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。

5.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序

中断服务程序是响应单片机的外部中断。

在系统硬件中，发射的40KHz脉冲信号遇到障碍物反射后，经接收检测电路产生外中断信号至单片机。

在中断服务程序中，要从把进入中断服务程序处的计数值读出并保存在RAM中，再对该数据进行处理，计算得到相应的距离值，并转换为十进制，最后显示输出。

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T0打开进行计时。

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

进入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。

定时中断服务子程序和外部中断服务子程序流程图如图7（a）、（b）所示

图7（a）定时中断服务程序图7（b）外部中断服务程序

5.3显示及报警电路的设计

本设计的显示元件使用数码管，采用动态显示方式。

数码管型号为共阳型的H0550。

数码管的段码由74LS245驱动，位码由9012三极管进行驱动，段码的限流电阻值根据发光二极管的相关参数计算确定，具体可以选用1k。

位码限流电阻值根据单片机的I/O引脚参数确定为1k。

声光报警电路（选做）的设计中均采用简单的三极管放大电路对蜂鸣器和发光二极管。

9012为PNP三极管，用来驱动蜂鸣器，控制脚为低电平平时，蜂鸣器发声。

9012用来驱动发光二极管，当控制脚为高电平平时，可以驱动相应发光二极管发光。

5.5软件算法设计

软件算法的设计采用模块化设计方法，将各方面功能分化为各模块，分析各模块所要完成的任务后进行模块设计，最后由主程序调用各模块完成整体功能。

主程序考虑的问题包括：

超声波发射部分程序与接收部分程序的设置位置。

为保证动态显示的数码管不发生闪烁现象，在程序的一次大循环中要多次调用显示子程序，对于报警程序的设计需要嵌入到主程序中，需灵活安排这些程序的设置位置。

超声波发射子程序要完成的任务是：

控制时基电路输出若干个超声波，并同时启动T0开始计时。

在此过程中，要及时采用屏蔽中断、开中断等操作，避免外中断影响该子程序的有效执行。

本设计中使用一个中断，即外部中断INT0。

外部中断INT0是超声波有效回送的指示信号，中断触发后，即可以由时间差来计算超声波的传输距离，这些程序都放在了INT0中断服务子程序中。

内部定时器T0用来计时，在发射子程序中，启动T0开始工作，而在INT0中断服务程序中，停止T0计时，并读取计时值用来计算距离。

其部分源程序如下：

T1中断，发超声波用;T1中断，65毫秒中断一次

INTT1:

CLREA

CLRTR0

clrex0

MOVTH0,#00H

MOVTL0,#00H

SETBET1

SETBEA

SETBTR0;启动计数器T0，用以计算超声波来回时间

SETBTR1;启动超声波定时器T1

OUT:

RETI

intt11:

CPLVOUT;40KHZ

DJNZR4,RETIOUT

CLRTR1;超声波发送完毕，

CLRER1

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

CLREA;

CLREX0;

MOV44H,TL0;将计数值移入处理单元

MOV45H,TH0

SETB00H;接收成功标志

RETI

距离子程序的设计主要完成的任务是根据单片机计数器提供的传输时间计算超声波的传输距离，并根据主程序的需要，将相关数据存入相关单元，以供主程序对其进行下一步处理。

声速采用340m/s,而t的单位是μs。

INT0中断服务程序将定时器中的值存入R0、R1寄存器中，用模值减去初值即为时间差。

传输距离S=V*T，而目标物的距离值，按照公式，进行了化简以后可以得到S1=170*t*10-6=17*t*10-3，单位为cm。

使用该公式即可计算出目标物距离

结论

由于时间和其它客观上的原因，此次设做出的实物可能有些小小的误差，但是对设计有了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测量物体间的距离，以数字的形式显示测量距离。

超声测距技术是一门交叉科学，它设计到声学、力学、材料科学等，每一门学科的新发现都会推动超声学的发展。

新型换能器以及大功率驱动电源等技术的发展必将使超声的测距范围进一步扩大，超声测距技术将会广泛应用于机器人或无人小车的定位系统、交通工具安全预警等系统中。

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