基于单片机超声波测距仪.docx
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基于单片机超声波测距仪
2012届毕业设计说明书模板
基于单片机超声波测距仪
系、部：
电信
学生姓名：
曾静波
指导教师：
戴日光职称讲师
专业：
电子信息工程
班级：
电信0902
完成时间：
2012-5-22
摘要
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
本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，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。
该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。
关键词：
超声波；单片机；测距；AT89C51
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,ultrasoundwillbemorewidelyappliedintherangefinder.Butfornowleveloftechnology,peoplecanusespecificrangingtechnologyisstillverylimited,therefore,thisisanongoingtoflourishandhaveunlimitedprospectsfortechnicalandindustrialfields.Lookingahead,theultrasonicrangefinderasanewveryimportantandusefultoolinallaspectswillhavemuchroomfordevelopment,itwillbetowardmorehighsetPrecisionofdirection,inordertomeetthegrowingneedsofthecommunity,suchassonardevelopmenttrendsforthebasic:
developedwithhigherpositioningaccuracypassiverangingsonar,tomeetwaterweaponsfullyconcealedattackneedscontinuethedevelopmentoflow-frequencylinespectrumtodetectsubmarinetowedarraysonar,ultralong-rangepassivedetectionandrecognition;thedevelopmentofmoresuitableworkinshallowwatersubmarinesonar,especiallytosolvetheproblemofshallowseawatertargetrecognition;Efforttoreducethesubmarineself-noise,improvetheworkingenvironmentofthesubmarinesonar.Undoubtedly,thefutureofultrasonicdistancemeasurementinstrumentstandardsandautomationofintelligentintegrationwithotherrangefinderandfusiontoformamulti-rangefinder.Withthemeasuredawayfromtheinstrument'stechnicalprogress,therangefinderfromsimpletojudgethefunctionaldevelopmenttohavealearningfunction,andeventuallydevelopedtohasthecreativity.Inthenewcentury,thenew-lookrangefinderwillplayagreaterrole.
Thissubjecthasintroducedprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail,andtheperformanceandcharacteristicofone-chipcomputerAT89C51ofAtmelCompany,andonthebasisofanalyzingprinciplethatultrasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,providelowcost,thehardwarecircuitofhighaccuracy,ultrasonicrangefinderofminiaturedigitaldisplayandsoftwaredesignmethodtakingAT89C51asthecore,thiscircuitofsystemisreasonableindesign,workingstability,performancegoodmeasuringspeedingsoon,calculatingsimple,apttoaccomplishreal-timecontrol,andcanreachindustry'spracticaldemandinmeasuringtheprecision。
Keywords:
Ultrasonicwave;One-chipcomputer;Rangefinding;AT89C51
目 录
1绪论1
1.1课题背景，目的和意义1
1.2两种常用的超声波测距方案1
1.2.1基于单片机的超声波测距系统1
1.2.2基于CPLD的超声波测距系统2
1.3课题主要内容3
2超声波测距系统设计4
2.1超声波测距的原理4
2.2超声波测距系统电路的设计5
2.2.1总体设计方案5
2.2.2发射电路的设计5
2.2.3接收电路的设计6
2.2.4显示模块的设计7
2.3超声波测距系统的软件设计8
2.3.1主程序说明9
2.3.1外部中断程序说明11
3超声波传感器13
3.1超声波传感器的原理与特性13
3.1.1原理13
3.1.2特性14
3.2超声波传感器的检测方式16
3.2.1穿透式超声波传感器的检测方式16
3.2.2限定距离式超声波传感器的检测方式16
3.2.3限定范围式超声波传感器的检测方式16
3.2.4回归反射式超声波传感器的检测方式16
3.3超声波传感器系统的构成16
3.4本章小结17
4AT89C51单片机简介18
4.1单片机基础知识18
4.1.1单片机的内部结构18
4.1.2单片机的基本工作原理20
4.2单片机的分类及发展21
4.3单片机AT89C51的特性22
4.4本章小结25
5模块HC-SR04简介26
5.1主要技术参数：
26
5.2模块工作原理：
26
5.3超声波时序图27
5.4模块注意事项27
5.5模块规格27
6电路调试及误差分析28
6.1电路的调试28
6.2系统的误差分析28
6.2.1声速引起的误差28
6.2.2单片机时间分辨率的影响29
6.3本章小结31
结论32
参考文献33
致谢34
附录1超声波测距系统电路图35
附录2系统PCB图36
附录3模块电路图37
附录4程序说明38
1绪论
1.1课题背景，目的和意义
传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。
信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。
比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。
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,因此在移动机器人,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。
通过本课题可以帮助学习理解单片机和超声波这两种时下发展最快的技术。
制作基于单片机的超声波测距仪，需要以超声波技术为基础的外围超声波收发电路，以及以单片机技术为核心的主控制器。
是学习电子产品设计的很好途径。
利用超声波测距，在许多方面有很多优势。
因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。
1.2两种常用的超声波测距方案
1.2.1基于单片机的超声波测距系统
基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。
超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。
其系统框图如图1所示。
图1基于单片机的超声波测距系统框图
这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口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，结果输出给LED显示。
利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。
许多超声波测距系统都采用这种设计方法。
1.2.2基于CPLD的超声波测距系统
这种测距系统采用CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）器件，运用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）编写程序，使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。
CPLD器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D触发器、T触发器、RS触发器或JK触发器工作方式或组合逻辑工作方式。
它的这种特性非常适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由MAX来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。
本系统利用CPLD器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在LED上显示出来。
配合使用MAX+plusII开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。
其系统框图如图2所示。
图2基于CPLD的超声波测距系统框图
超声波发射器向某一方向发射40kHz的超声波，在发射超声波的同时，MAX7128S内的计数器开始计数。
超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来。
超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到CPLD，CPLD立即停止计数。
CPLD所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。
超声波在空气中的传播速度如设定为332m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：
s=332t/2。
CPLD开始计数后，只要传感器收到回波，CPLD就立即停止计数，即只有最先返回的超声波才起作用，也就是说超声波测距仪总是测得离传感器最近的物体的距离[2]。
本系统采用先进的CPLD器件，高性能、低成本地实现了距离的测定。
1.3课题主要内容
通过上节介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。
本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。
通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，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为V，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。
本系统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。
接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。
系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，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。
当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口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,结果输出给LED显示。
利用本测距系统测量，范围应在30cm～200cm内，其最大误差控制在10mm。
2超声波测距系统设计
2.1超声波测距的原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离
（1）
由公式
（1）可见c为超声波在空气中传播的速度。
限制该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。
为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。
由于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表1列出了几种不同温度下的波速。
表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
波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。
其系统原理框图如图3所示。
图3超声波测距系统框图
单片机AT89C51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。
在下一节里，我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方法。
2.2超声波测距系统电路的设计
2.2.1总体设计方案
由单片机AT89C51编程产生40kHz的方波，由P3.6口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。
发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。
单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。
该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。
传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。
其时序图如图2所示。
图4时序图
单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。
计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。
2.2.2发射电路的设计
由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，图5为发射电路图。
图5发射电路
74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。
1A-6A输入端，1Y-6Y输出端。
74HC04的管脚如图6所示。
图674HC04管脚图
2.2.3接收电路的设计
超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。
本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大，接收电路如图7所示。
图7接收电路
超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即40kHz。
该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。
LM741是一单运放集成芯片，图2-6为LM741管脚图。
图8LM741管脚图
2.2.4显示模块的设计
LED（Light-EmittingDiode，发光二极管）有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。
LED数码管结构简单，价格便宜。
图9示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。
图9（a）为八段共阴数码显示管结构图，图9（b）是它的原理图，图9（c）为八段共阳LED显示管原理图。
八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。
七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。
图9八段LED数码显示管原理和结构
图10数码管接线图
单片机对LED管的显示可以分为静态和动态两种。
静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。
为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。
但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且也只需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这样单片机引脚输出可直接接到LED显示管上。
这样省去了外部复杂的译码电路。
2.3超声波测距系统的软件设计
单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出P0、P1和P2口显示。
2.3.1主程序说明
图11为主程序流程图
主程序清单如下:
main（void）//主程序
{uintdistance_data,a,b;
ucharCONT_1;
CLK_DIV=0X03;//系统时钟为1/12晶振
P0M1=0;//将io口设置为推挽输出
P1M1=0;
P2M1=0;
P0M0=0XFF;
P1M0=0XFF;
P2M0=0XFF;
i=0;
flag=0;
test=0;
Trig=0;//首先拉低脉冲输入引脚
TMOD=0x11;//定时器0，定时器1，16位工作方式
TR0=1;//启动定时器0
IT0=0;//由高电平变低电平，触发外部中断
ET0=1;//打开定时器0中断
//ET1=1;//打开定时器1中断
EX0=0;//关闭外部中断
EA=1;//打开总中断0
while
（1）//程序循环
{
EA=0;
Trig=1;
delay_20us（）;
Trig=0;//产生一个20us的脉冲，在Trig引脚
while（Echo==0）;//等待Echo回波引脚变高电平
succeed_flag=0;//清测量成功标志
EX0=1;//打开外部中断
TH1=0;//定时器1清零
TL1=0;//定时器1清零
TF1=0;//
TR1=1;//启动定时器1
EA=1;
while（TH1<30）;//等待测量的结果，周期65.535毫秒（可用中断实现）
TR1=0;//关闭定时器1
EX0=0;//关闭外部中断
if（succeed_flag==1）
{
distance_data=outcomeH;//测量结果的高8位
distance_data<<=8;//放入16位的高8位
distance_data=distance_data|outcomeL;//与低8位合并成为16位结果数据
distance_data*=12;//因为定时器默认为12分频
distance_data/=58;//微秒的单位除以58等于厘米
}//为什么除以58等于厘
if（succeed_flag==0）
{
distance_data=0;//没有回波则清零
test=!
test;//测试灯变化
}
distance[i]=distance_data;//将测量结果的数据放入缓冲区
i++;
if（i==3）
{
distance_data=（distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3]）/4;
pai_xu（）;
distance_data=distance[1];
a=distance_data;
if（b==a）CONT_1=0;
if（b!
=a）CONT_1++;
if（CONT_1>=3）
{CONT_1=0;
b=a;
conversion（b）;
}
i=0;
}
}
}
2.3.1外部中断程序说明
图12定时器中断服务子程序
外部中断清单如下：
voidintersvro（void）interrupt0using1//INTO中断服务程序
{
uintbwei,shwei,gwei;
ucharDH,DL;
ulongCOUNT;
ulongnum;
TR0=0;//停
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