毕业设计（论文）--超声波测距仪设计.doc

东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）诚 信 承 诺本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。学生签名： 日期：超声波测距仪的设计摘 要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。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AT89S51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AT89S51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；AT89S51Design of Ultrasonic Range FinderAbstractUltrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , building construction site and some industrial scenes extensively。This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89S51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89S51 as the core ,this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , apt to accomplish real-time control ,and can reach industrys practical demand in measuring the precision 。Key Words:Ultrasonic wave; One-chip computer; Range finding; AT89S51目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 课题背景，目的和意义11.2基于单片机的超声波测距系统11.3课题主要内容2第二章超声波测距原理概述32.1超声波传感器32.1.1超声波发生器32.1.2超声波传感器结构42.1.3压电式超声波发生器原理42.2单片机超声波测距系统构成5第三章超声波测距系统硬件设计63.1 AT89S51单片机63.2超声波测距单片机系统93.3超声波发射电路设计93.4超声波接收电路设计103.5显示电路设计11第四章超声波测距系统软件设计144.1程序设计总体分析144.2超声波测距程序流程图144.3 超声波测距主程序14第五章调试及性能测试165.1测试过程：165.1.1 超声波测距仪测量范围测试165.1.2 超声波测距仪测量精度测试175.1.3 测试结论21第六章结束语22致谢23参考文献24附录25附录一：基于AT89S51单片机超声波测距系统电原理图25附录二：基于AT89S51单片机超声波测距系统C语言原程序26附录三：基于AT89S51单片机超声波测距系统实物焊接图3031东南大学成贤学院毕业设计报告第一章 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。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。它在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内，具有良好的成束性，也就是方向性极好。由于超声波的速度相对于光速要小很多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制。日常的测距工具在一些特殊的场合是很不方便的，甚至无法进行距离的测量，比如液位、井的深度、管道的长度等等。而超声波作为一个检测的技术，采用的是非接触式的测量，其特点可使测量仪器不受被测介质的影响。此外，该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，而且还降低了能量消耗。因为，利用超声波检测，既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。1.2基于单片机的超声波测距系统采用单片机作为主控制器，用LED数码管作为显示仪器来显示所测的距离。由单片机发射和接受超声波信号，再经过单片机计算输出显示被测距离，即超声波发生器T在某一时刻发出一段超声波信号，当超声波遇到障碍物（被测物体）后返回被接收器R接受。测距的原理如图1-1。RTT2T1图1-1 测距的原理图1-2 基于单片机的超声波测距系统框图这样只要计算出发射超声波和接收到超声波之间的时间，就可以计算出超声发射器与反射物体的距离。距离计算公式为：其中：d为被测物与测距器的距离 s为声速的来回路程 c为声速 t为声波来回所用的时间超声波是指频率高于20KHZ的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯称之为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器两种，但是一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器利用压电效应的原理将超声波和电能相互转换，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波，而在收到回波的时候，则将超声振动转换为电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的生源与障碍物之间的距离，超声波测距适用于高精度的中长距离测量，因为超声波在标准空气中的传播速度为332.45m/s。单片机使用12MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论可以达到毫米级。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。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，单片机检测到这个负跳变信号后，停止内部计时器记时，读取时间，计算距离,测量结果输出给LED显示。第二章 超声波测距原理概述超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。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。超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。本测距系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。再由单机计算出距离，送LED数 码管显示测量结果。超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表2-1，根据计时器记录的时间t (见图2-1)，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即: s = v t / 2 。表2-1 声速与温度的关系温度()3020100102030100声速(m/s)313319325323338344349386图2-1 超声波测距时序图2.1超声波传感器2.1.1超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，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、磁致伸缩型和电动型等; 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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。2.1.2超声波传感器结构超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。超声波传感器结构如图2-2所示。压电式超声探头的核心是其外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。共振板压电晶片电极图2-2 超声波传感器结构图2-3 16mm分体超声波收发器 超声波传感器超声波探头2.1.3压电式超声波发生器原理压电型超声波传感器的工作原理：它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图2-4所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。图2-4压电逆效应图2.2单片机超声波测距系统构成单片机AT89S51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。限制超声波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。开始测量超声波信号开定时器关定时器数据运算显示器接收检测电声换能器电声换能器驱动电路图2-5 超声波测距系统框图第三章 超声波测距系统硬件设计按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。超声波接收模块超声波发射模块单片机控制系统（AT89S51）显示模块图3-1：系统设计框图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接收电路、供电电路等几部分。单片机采用AT89S51，系统晶振采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。3.1 AT89S51单片机AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期4.05.5V的工作电压范围全静态工作模式：0Hz33MHz三级程序加密锁1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）功能特性概述：AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO 口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16 位定时计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。引脚功能说明：VCC：电源电压输入端。GND：电源地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（T0定时器的外部计数输入）P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入）P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：外部程序存储器访问允许。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。AT89S51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图5。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容Cl、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器选择40pF10F。用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。图3-1为晶体接线图和外接时钟线路图。石英晶体时：C1，C230pF10pF 外部时钟驱动电路陶瓷滤波器：C1，C240pF10pF图3-2 内部振荡电路3.2超声波测距单片机系统本系统由单片机AT89S51控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图3-3所示。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接收电路三部分。单片机采用AT89S51。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。图3-3：超声波测距单片机系统3.3超声波发射电路设计超声波发射采用推挽形式将P1.0端口发出的方波加到超声波换能器两端以提高超声波发射的强度。发射电路主要有74HC04和超声波换能器构成用单片机P1.0端口输出40KHZ方波信号一路经一级反向后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向后送到超声波换能器的另一个电极。图3-4为发射电路。图3-4超声波发射电路3.4超声波接收电路设计超声波接收采用的是常用于电视红外遥控接收器的芯片CX20106A。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距超声波频率40KHZ较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变超声波接收探头两端电容的大小，可以接收电路的灵敏度和抗干扰能力。其中，CX20106A为红外线接收专用芯片，可以用于超声波的接收.。各引脚说明如表3-1。表3-1 CX20106A各引脚说明引脚号说 明1超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R17或减小C6,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C6的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R17=4.7k，C6=1F。3该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4接地端。5该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8电源正极，4.55.5V。图3-5为超声波接收电路图3-5：超声波接收电路3.5显示电路设计数码管的结构数码管由7个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极，通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,这就是它的工作原理。数码管按各发光二极管电极的连接方式分为共阳数码管和共阴数码管两种。数码管符号和引脚如图3-6(a),共阳数码管内部连接如图3-6(b)，共阴数码管内部连接如图3-6（c）。图3-6 数码管数码管要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，可以分为静态显示和动态显示两类。(1) 动态显示：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8 个显示笔划“a, b, c, d, e, f, g, dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 由位选通控制电路控制，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，但是能够节省大量的I/O 端口，功耗更低。(2)静态显示驱动：静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O 端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840 根I/O 端口来驱动，要知道一个89S52单片机可用的I/O 端口才32 ，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。此设计显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P0口，位码输出端口分别为单片机的P2.1、P2.3、P2.5、P2.7口,数码管位驱运用74HC04驱动。为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，此超声波测距的单片机控制系统采用动态扫描显示，并且软件消影。显示电路如图3-7。图3-7：超声波测距仪显示电路第四章 超声波测距系统软件设计4.1程序设计总体分析超声波测距器软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。超声波主程序首先对系统初始化，设置定时器的初值和工作方式，使总中断允许位EA=1，并给显示端口清零。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，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，需延时0.2ms（这也就是测距器会有一个最小可能测距的原因）后，才能打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHZ的晶振，机器周期为1us，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）按下式计算即可测得被测物体与测距器之间的距离，设计时取20摄氏度时的声速344m/s，则有：，（其中T0为计数器T0的计数值）。4.2超声波测距程序流程图超声波测距器程序流程图如图4-1所示。系统初始化开始发射超声波脉冲接收超声波脉冲计算距离显示结果图4-1 超声波测距器程序流程图4.3 超声波测距主程序主程序：void main()init_CTC( ); /* 初始化定时器 */init_INT( ); /* 初始化外部中断 */CLflag=1; /* 测量标志 */cshu=0; /* 传数 */delay(200); /*延时*/;IE=0x80; /* 开中断 */ET1=1; ET0=1;TR1=0; TR0=0;TL1=T12us; TH1=T12us;while(1)CLflag=0;cshu=0;EX0=0;TH1=T12us;TL1=T12us;TL0 = 0; TH0 = 0; /* 定时器0的初始时间 */VOLCK=0;TR1=1; /* 启动定时器1，发送信号 */while(cshu20) ; /* 发20个脉冲串 */TR1=0;TR0=1; /* 启动定时器0，开始记时 */EX0=1;display();第五章 调试及性能测试超声波发射和接收采用超声波换能器TCT40-16F1（T发射）和TCT40-16S1（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48cm，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C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。按照已经设计好的电路原理图将元器件焊成整机块版。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，测距器能测的范围为0.103m，测距精度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。5.1测试过程：5.1.1 超声波测距仪测量范围测试图5-1为系统测量的最小距离：图5-1 系统测试最小距离图5-2为系统测量实际最大距离：图5-2 系统测量最大距离5.1.2 超声波测距仪测量精度测试通过将测距仪与目标物体至于一把最大刻度为20CM，最小刻度为0.1CM的直尺两端，来比较实际距离与被测距离的误差。1.将测距仪放于直尺0刻度处，目标物体放于3.0CM处。得到结果如图5-3图5-32.将测距仪放于直尺0刻度处，目标物体放于5.0CM处。得到结果如图5-4图5-43.将测距仪放于直尺0刻度处，目标物体放于10.5CM处。得到结果如图5-5图5-54.将测距仪放于直尺0刻度处，目标物体放于10.8CM处。得到结果如图5-6图5-65.将测距仪放于直尺0刻度处，目标物体放于19.8CM处。得到结果如图5-7图5-7因照片清晰度原因，没有依次取超过20cm的图像。但经过测试，系统在测量超过20cm距离时能达到1cm的精度，误差不超过1cm。超过2m的距离后，误差变大，达到5cm左右。超过测试结果如表5-1。表5-1 测量距离超过1m的系统数据实际距离测量距离0.50m0.50m0.70m0.70m0.80m0.79m0.95m0.94m1.00m1.01m1.25m1.26m1.50m1.49m1.85m1.86m2.05m2.11m下图5-8为测试超过20cm距离的图像图5-85.1.3 测试结论通过测试实验，得知该系统的测量范围为0.012.13m，测量精度1cm。虽然没有达到的0.13.0m的测量范围，但是该系统基本能满足设计要求，并且在小于2m的测量距离时误差较小，最大误差不超过1cm。虽然超过2m的测量距离时误差开始变大，达到5cm左右，但仍然能很好满足日常生活中的测量需要。第六章 结束语本文主要介绍了以单片机AT89S51为处理器超声波测距器的设计过程，包括电路设计和程序的设计以及电路的搭建与调试。此设计电路由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。以单片机AT89S51为主处理器，通过超声波传感器发射和接收超声波，再通过单片机中断测出单片机由发射到接收到超声波的时间，再计算出单片机与被测物体之间的距离，然后通过数码管显示出被测物体与单片机之间的距离。发射电路主要有74HC04和超声波换能器构成用单片机P1.0端口输出40KHZ方波信号一路经一级反向后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向后送到超声波换能器的另一个电极。超声波接收采用的是常用于电视红外遥控接收器的芯片CX20106A。显示电路采用四位数码管的动态显示。此超声波测距电路的单片机程序采用C语言编写，包括主程序、显示程序、中断程序、超声波发射程序等。通过keil C软件编写调试，生成HEX文件通过软件烧至进单片机。本电路设计由于元器件及其成板误差，测量最大距离未能达到设计要求测量范围在0.10-3.00m的初衷要求，但对测量距离结果的误差影响不大，能满足日常生活、工业生产的测量要求，因此此设计有着很大的意义。同时通过这个设计能够提高我对单片机的认识、编程能力和电路设计能力。致谢这次毕业论文能圆满完成，首先感谢我的导师胡飞老师，胡老师渊博的专业知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风、平易近人的人格魅力对我影响深远；在胡老师的耐心指导、帮助下，我才能顺利完成毕业设计。胡老师指导了我的设计的结构、思路、同时提供了一些专业知识的帮助,从电路的设计到调试整个过程中，我都从胡老师那里学会了很多专业方面的知识。感谢在毕设中帮助过我的所有同学和师兄师姐们。最后感谢我的家人、朋友对我的支持。参考文献1赵建领，薛园园.51单片机开发与应用技术详解M. 北京:电子工业出版社,20092沈红卫. 基于单片机智能系统设计与实现M. 北京:电子工业出版社,20053杨国田,白焰,董玲.51单片机实用C语言程序设计M.中国电力出版社 20094李群芳,黄建.单片机微型计算机与接口技术M.北京:电子工业出版社,20015楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例M.北京:北京航空航天大学出版社,20036王守中. 51单片机开发入门与典型实例M. 北京：人民邮电出版社，20097周荷琴、吴秀清微型计算机原理与接口技术 M北京：中国科学技术大学出版社，2009：45-47.8靳 达.单片机应用系统开发实例导航 M. 北京：人民邮电出版社，2003：26-29.9余永权，汪明慧等.单片机在控制系统中的应用 M.北京： 电子工业出版社，2004：45-51.10胡汉才. 单片机原理及其接口技术 M.北京： 清华大学出版社,2004：11-23.11刘凤然基于单片机的超声波测距系统J传感器世界，2001,2(3):20-31.12高飞燕基于单片机的超声波测距系统的设计J信息技术，2005,1(4): 41-52.附录附录一：基于AT89S51单片机超声波测距系统电原理图附录二：基于AT89S51单片机超声波测距系统C语言原程序#includereg51.h#includemath.h/*定义数据类型*/#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/*定义系统常数*/long int time; /* 时间 */bit CLflag; /* 测量标志 */char cshu; /* 串数 */#define T12us (256-12) /*定时器设初值 T=（256-T12us）*12/12MHZ */sbit VOLCK=P10; /*