基于单片机的测距仪设计

1、四川理工学院毕业设计（论文） QQ:271021773 四川理工学院计算机学院二O 0 九年六月基于单片机的测距仪设计摘 要本文详细介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。该系统是以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。论文概述了超声波检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的工作机理及特性，对影响测距系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。进一步介绍了STC89C52RC单片机在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。关键字：单片

2、机；测距仪；超声波；超声波传感器The design of range finder base on single-chipABSTRACTThis paper introduces a method based on single chip pulse reflex ultrasonic ranging system. this system can measure the distance which is based on the speed ofultrasonic and used the time difference of launch ultrasonic and reflec

3、tion echo.this paper summarizes the development and basic principle of the ultraonic testing,the working mechanism and characteristics of the ultrasonic sensors.there is a discussion about some major parameters of the influence ranging system.based on the introduces of the ultrasonic ranging system

4、function,The overall system is proposed.according to transmitting and receiving, detection, and display part of distance measuring system's overall desgin,the schemes are discussed.the further introduction of this paper is the application of STC89C52RC single chip microcomputer in the system, an

5、d the analysis of all the parts of the system hardware and software realization.Keywords:single chip;range finder; ultrasonic wave; ultrasonic sensor目 录第1章 概述1第2章 方案论证22.1发射电路22.2接收电路5第3章 超声波简介83.1超声波的特点及其分类83.3 超声波的效应10第4章 超声波传感器114.1超声波传感器的种类及其特点114.2超声波传感器的外形及内部结构134.3超声波传感器的选择材料144.4 TCT40-16T/R

6、超声波传感器15第5章 系统主要硬件165.1 单片机的说明165.2超声传感器的主要参数及选择19主要参数19超声传感器的选择195.3超声测距原理与方法20第6章 超声波测距系统的设计方案226.1 概述226.2 超声波发射电路236.3 超声波接收电路236.4 显示电路24第7章 系统的软件设计267.1 主程序设计267.2 定时器T1的中断服务程序277.3 定时器T0的中断服务程序277.4 外部中断0的中断服务程序287.5 显示子程序28结束语30参考文献31致谢32附录33附录A: 源代码33附录B: 系统原理图36第1章 概述随着单片机的迅速发展，其应用领域越来越广，如

7、消费电子、家用电器、办公设备、商业营销设备、工业控制和机电一体化控制系统、智能测量仪表以及汽车与航空航天电子系统中都广泛采用了单片机。51系列单片机由于具有可靠性好，以及扩展控制功能强等优点，成为国内目前应用最广泛的一种8为单片机之一。随着单片机的应用领域越来越广泛，可以看出其的优越性和可靠性，所以将其应用到测量方面是必然的，也是相当可靠的，相当有意义的，基于单片机的测距仪的出现正是这一体现。本系统式以单片机STC89C52RC和超声波传感器TCT40-16T/R为基础开发的超声波测距仪。利用超声波遇到障碍物会发射的特点，进行测距。通过单片机STC89C52RC的I/O发送40KHz的脉冲让超

8、声波发射器TCT40-16T产生超声波，当超声波遇到障碍物的时候，TCT40-16R会接受反射回来的超声波，最后用单片机计算两个的时间差，就可以了算出本系统与障碍物之间的距离了。本系统简单，便捷，应用十分广泛。第2章 方案论证经过调查后发现，TCT40-16是市场上比较常见的一款超声波传感器。所以本系统采用TCT40-16。但是该超声波的传感器的接口电路比较多，有以下几种：2.1发射电路方案 由F1F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。 F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，

9、因此，加入F4使激励电压提高了一倍。电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。电路中反向器F1F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。电源用9V叠层电池。测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。发射超声波信号大于8m。如图2.1所示：图2.1 40kHZ超声波发射电路之一方案电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出 换能器。T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16

10、发射出一串40kHZ超声波信号。 电路工作电压9V，工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。电路不需调试即可工作。如图2.2所示：图2.2 40kHZ超声波发射电路之二方案由VT1、VT2组成正反馈回授振荡器。电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40kHZ±2kHZ。频率稳定性好，不需作任何调 整，并由T40-16作为换能器发出40kHZ的超声波信号。电感L与电容C5调谐在40kHZ起作谐振作用。本电路适应电压较宽（312V），且频 率不变。电感采用固定式，电感量5.1mH。整机工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。如2.3所示：图2.3 40kHZ超声

11、波发射电路之三方案它主要由四与非门电路CC4011完成振荡及驱动功能，通过超声换能器T40-16辐射出超声波去控制接收机。其中门YF1与门YF2组成可控振荡器，当 S按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡频率，应为40kHZ。振荡信号分别控制由YF4、YF3组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4一 定输出低电平；YF3输出低电平时，YF4输出高电平。此电平控制T40-16换能器发出40kHZ超声波。电路中YF1YF4采用高速CMOS电路 74HC00四与非门电路，该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA），效率高等。电路工作电压9V，工作电流大于35mA，发射超声波信号大于 10m。

12、如图2.4所示：图2.4 40kHZ超声波发射电路之四方案由LM555时基电路及外围元件构成40kHz多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器 TCT40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流4050mA。发射超声波信号大于8m。LM555可用NE555直接 替代，效果一样。如图2.5所示：图2.5 40kHZ超声波发射电路之五方案使用两个与非门电路完成驱动功能。该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA），效率高等。T为40KHz的脉冲。工作的电压为5V。如图2.6所示：图2.6 40kHZ超声波发射电路之六

13、2.2接收电路方案采用CX20106红外线接收芯片。如图1.7所示。图2.7 40kHZ超声波接收电路之一方案采用NPN晶体管V进行放大构成超声波接收电路，超声波传感器采用TC40-16。 超声波传感器一般用于检测反射波，它远离超声波发生源，能量衰减较大，只能接收到几mV左右的微弱信号。因此，实际应用时要加多级放大器。如图2.8所示：图2.8 超声波接收电路之一综合几个方案后发现，在发射电路中，只有方案最简单，最容易实现。其他的方案的电路中所要求的电压都是比较高，在使用的过程中都需要对电压进行单独转化，不方便，增加了成本，电路也比较复杂。在接收电路的方案中选择方案，使用集成电路比较容易，干扰也

14、比方案要低。第3章 超声波简介声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声。在通常的超声波测距系统中，用电脉冲激励超声探头的压电晶片

15、，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，形成超声波。3.1超声波的特点及其分类声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传播振动的弹性介质。此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波(交变电磁场以光速在空间的传播)是完全不相同，与光波也不同。相比之下，超声波具有下面的一些特点：(l)它能以各式各样的传播模式(纵波、横波、表面波、薄板波)在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播，也可在光不能通过的金属、生物体中传播，是探测物质内部的有效手段。(2)由于超声波与电磁波相比速度慢，对于相同的频率波长较短，容易提高测

16、量的分辨率。(3)由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大，所以，反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态。超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们知道，电磁波的传播速度为3×108m/s，而超声波在空气中常温下的传播速度为340m/s,其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播介质里(大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化,波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的。声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，超声波通常有四种形式：(1)纵波纵波是质点振动方向与传播方向一致的波为

17、纵波。它能在固体、液体或气体中传播。(2)横波横波也称瑞利波，它是质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波。它只能在固体中传播。(3)表面波表面波是质点振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波为表面波。(4)兰姆波兰姆波是产生在大约一个波长的薄板内，声场遍及整个板的厚度。兰姆波沿着板的两表面及中部传播，两表面质点的振动是纵波和横波成分之和，运动轨迹是椭圆。兰姆波可分为对称型和非对称型两种。3.2超声波的物理特性当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图

18、3.1所示。图3.1超声波的反射、折射原理图这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射，如图3.1所示。在一定条件下还能产生表面波。其反射与折射满足如下规律:1.反射定律入射角的正弦与反射角a的正弦之比，等于波束之比。当入射波和反射波的波形一样时，波速一样，入射角即等于反射角。2.折射定律入射角。的正弦与折射角刀的正弦之比，等于入射波中介质的波速V1，与折射波中介质的波速V2之比，3.3 超声波的效应当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应，包括以下4种效应

19、： 机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化。空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭

20、。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。 化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈

21、均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。第4章 超声波传感器4.1超声波传感器的种类及其特点一般测距传感器采用非接触的测量方法，测量周围环境的物体或被操作物体的空间位置。非接触测量距离的方法很多，从纳米级微小位移到成千上万公里甚至更远的距离，它们的测量应用了多种原理，采用了各种不同的装置。对机器人来说，所需测量的距离一般为几厘米到几十米远，因此机器人测距传感器的测量范围一般都在这个范围内。根据所采用的原理不同，测距传感器可以分为以下几种：(1)电磁类测距传感器电磁类测距传感器主要有三种类型，它们分别基于电磁感应、霍尔效应、电涡流原理。电磁感应测距传感器的核心由线圈和永久磁铁构成，当

22、传感器远离或靠近铁磁性材料时，会引起永久磁铁磁力线的变化，从而在线圈中产生电流。当传感器与被测物体相对静止时，由于磁力线不发生变化，因而线圈中没有电流，因此这种传感器只是在外界物体与之产生相对运动时，才产生输出，且随着距离的增大，输出信号明显减弱，因而这种类型的传感器只能用于很短距离的测量。电涡流测距传感器的最简单的形式只包括一个线圈，线圈中通入交变电流，当传感器与外界导体接近时，导体中感应产生电流，即电涡流效应，传感器与外界导体的距离变化能够引起导体中所感应产生电流的变化。通过适当的检测电路，可从线圈中耗散功率的变化中，得出传感器与外界物体之间的距离。霍尔效应测距传感器则因其应用此原理而得名

23、，当传感器远离被测导体时，在特定导体上有较强的磁场;当其靠近时，磁场变弱。磁场的变化引起特定导体两端电压的变化，根据这个原理可实现对距离的测量。由以上对于几种感应式传感器的分析可以看出，它们存在一些缺陷：这一类传感器一般对于铁磁材料比较敏感;检测信号(电压、电流等)与被测量(距离)之间不是线性的对应关系；测量受外界电磁干扰较大；可测量的范围较小，距离较近，一般仅为零点几毫米。(2)电容式测距传感器此类传感器通过检测外界物体靠近传感器所引起的电容变化来反映距离信息。最基本的用来检测电容变化的电路中，将电容作为振荡电路中的一个元件，只有在传感器电容值超过某一值时，振荡电路才开始振荡，将此信号转换成

24、电压信号，即可表示与外界物体的距离。电容式传感器只能用来检测很短的距离，一般仅为几个毫米，超过这个距离，传感器的灵敏度将急剧下降;并且由于内部采用阀值判断，不能起到精确测量的作用，而可能实现开关的工作方式。因此，不适合精确的测距用途。(3)红外和光电传感器这类测距传感器是依靠红外线或是其它不可见光的直线传播特性。通过光敏元件来发射和接收信号，从而判断障碍物的存在与否。由于光线的传播速度极快，通常难以通过简单的装置估算其传播距离，因此在简单、低成本的应用中，这类传感器也是主要用于状态的判断(障碍物的有无、物料是否到位、液面是否过高等)而无法实现对距离的实时测量。(4)超声测距传感器在排除了以上几

25、种测距传感器的条件下，我们选择了超声测距传感器，作为测距的主要传感部件。超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或者超声波探头。它是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声波传感器分为发射换能器和接受换能器，既能发射超声波又能接受发射出去的超声波的回波。超声换能器的种类很多，按照其结构可分为直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头、双探头(一个发射，一个接受)、聚焦探头(将声波聚集成一束)、水浸探头(可浸在液体中)以及其它专用探头。按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致

26、伸缩式等。采用超声波传感器测距主要有以下几方面的因素：(1)测距方式原理简单，便于实现；(2)测距精度高；(3)超声波传感器有一定的覆盖性，因此，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。图4.1超声波传感器测距示意图，其中虚线分别为超声波传感器的发射探头和接受探头的发射范围和接受范围，它们的交叉部分为共同信号区。图4.1 超声波传感器测距示意图4.2超声波传感器的外形及内部结构超声波传感器的典型外形如图4.2所示，金属外壳主要是为防止外力对内部元件的损坏，并防止超声波向其他方向散射。金属网也起保护作用，但是不影响超声波的发射和接受。超声波传感器的内部结构如图4.3所示，其主要由金属网、外壳、锥形扬声器、压电晶片、底座、引脚等部分组成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，压电晶片多为圆板形，其厚度与超声波频率成反比。锥形扬声器能使发射和接受的超声波能量集中，并使传感器具有一定的指向角。图4.2 超声波传感器的外形图4.3 超声波传感器内部结构4.3超声波传感器的选择材料某些电介质(例如晶体、陶瓷、高分子聚合物等)在其适应的方向施加作用力时，内部的电极化状态会发生变化，在电介质的某相对两表面内会出现与外力成正比的符号相