课程设计-基于单片机控制的超声测距仪.docx

课程设计（论文）任务书 学院 电气与自动化工程学院 专业 电子信息工程 班级 电子一班 一、课程设计（论文）题目 超声波测距 二、课程设计（论文）工作自 2017 年 1 月 2 日起至 2017 年 1 月 6 日止三、课程设计（论文）的内容要求： 学生签名： 年 月 日 课程设计（论文）评审意见评分内容评分标准优秀良好中等差平时成绩(20%）态度积极，认真查阅相关资料，积极解决课程设计中遇到的问题，遵守规定，按时完成课程设计的各项工作。设计成果(30%）设计的科学、合理性,功能丰富、符合设题目要求,界面友好、外观漂亮、大方,设计的独立完成性。设计报告撰写(30%）设计报告正确合理、反映系统设计流程，文档内容详实程度，文档格式规范、排版美观。答辩(20%）系统演示顺利，简练、准确阐述设计内容，能准确有条理回答各种问题。总评：最终成绩： 评阅人： 职称： 年 月 日摘 要在空气介质中，超声测距传感器因其性能好，价格低廉、使用方便，在现场机器人定位系统、车辆自动导航、车辆安全行驶辅助系统、城市交通管理和高速公路管理监测系统，以及河道、油井和仓库及料位的探测中都有应用。由于超声波传播不易受干扰，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。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器及其收发电路，对于超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由STC89C52控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。关键词：STC89C52；超声波；测距；电路目录1.绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题的提出及研究意义21.2.1 课题的提出21.2.2 课题的研究意义22 超声波的介绍及超声波测距的原理32.1 超声波的介绍32.1.1 什么是超声波32.1.2超声波的特性及特点32.1.3超声波的应用42.2 超声波测距的原理及误差分析42.2.1 超声波测距的原理52.2.2 超声波测距误差分析52.3 单片机实现测距的原理63 系统硬件设计63.1 系统结构设计63.2 STC89C52单片机简介73.3发射与接收电路模块103.4显示电路模块113.5报警电路模块123.6系统复位电路模块134 系统软件设计154.1 主程序流程154.2 子程序设计174.2.1超声波发送子程序及超声波接收中断子程序175. 心得与总结186. 调试与功能18附录一参考文献19参考文献19附录二元件清单20附录三源程序21附录四实物图28附录五总原理图30 键入文字 绪论1.1 课题研究的背景利用超声波测量已知标准位置与目标物体表面之间距离的方法叫做超声波测距法。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70年代末期开始广泛应用于生产领域。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。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，如超声波测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。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。1.2 课题的提出及研究意义1.2.1 课题的提出测距的原理和方法有很多，根据其信息载体的不同可归纳为光学方法、无线电方法和超声波方法。前两者在某些地方有局限性，相比之下，超声波方法具有突出的优点，首先，超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体);其次，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;最后，超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。因此超声波作为非接触测量手段，己越来越引起人们的重视。本课题设计为基于超声波的测距。1.2.2 课题的研究意义超声波测距是一种极有潜力的方法，近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。超声测量另一个突出优点是:环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛。更重要的是超声波检测降低了劳动强度，避免工人在恶劣工作环境下(高、低温，高、低压，强辐射，有毒气、液体环境等)受到伤害，还大大提高了测量精度，可靠性高;另外，超声波测距还可以应用到其他的功能系统中，例如在机器人避障系统、移动机器人避障的超声测距系统、智能机器人管家和简易智能电动车自动避障系统、车载系统、自动泊车系统、自动刹车系统和倒车雷达系统中，超声波测距也有其重要的应用。目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。所以，8051是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。2 超声波的介绍及超声波测距的原理2.1 超声波的介绍2.1.1 什么是超声波声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间）。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。频率高于210千赫兹的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。2.1.2超声波的特性及特点超声波的特性1超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2超声波可传递很强的能量。 3超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声波是声波大家族中的一员。 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。 超声波的特点 1超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构 。2.1.3超声波的应用超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。包括超声波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。超声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。应用在医学中的超声波诊断发展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与X线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。在农业中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于种子发芽和作物增产。此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。超声波测距主要应用于倒车雷达、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。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人失却系统设计的精确于否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用用作测距传感器，实现定位以及环境建模。超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统（如CCD图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，包括毫米雷达、CCD摄像机、GPS、和高档微机等。2.2 超声波测距的原理及误差分析超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，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340m/s，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(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 2.2.1 超声波测距的原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。 测距的公式表示为：L=CT 式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。 由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 2.2.2 超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=CT，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 1）时间误差 当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907s。 在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。 2）超声波传播速度误差 超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。 已知超声波速度与温度的关系如下： 式中： r 气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40， R 气体普适常量，8.314kgmol-1K-1， M气体分子量，空气为28.810-3kgmol-1， T 绝对温度，273K+T。 近似公式为：C=C0+0.607T 式中：C0为零度时的声波速度332m/s； T为实际温度()。 对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。超声波发生器可以分为两类：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。2.3 单片机实现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tr，然后求出距离SCt2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、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的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，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。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。3 系统硬件设计3.1 系统结构设计整体电路的控制核心为单片机AT89C51。超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。整体结构图包括超声波发射电路、超声波接收电路、放大电路、比较震荡电路、单片机电路、键盘输入电路、电源电路、复位电路、显示电路、温度测量电路及温度补偿电路等几部分模块组成。超声波测距系统结构图如图3-1所示；超声波接收电路放大电路超声波发射电路放大电路比较电路震荡电路单片机AT89C51键盘输入复位电路电源电路4位LED显示器R40超声波传感器T40超声波传感器图3-1超声波测距系统结构图单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用比较电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，用温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。用复位电路重置系统后可进行下一次测试。3.2 STC89C52RC单片机简介STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下： 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机） 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz 用户应用程序空间为8K字节 片上集成512字节RAM 通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。 ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 具有EEPROM功能 具有看门狗功能 共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级） PDIP封装STC89C52RC单片机的工作模式 掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序 空闲模式：典型功耗2mA 正常工作模式：典型功耗4Ma7mA 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备图3.2 STC89C52RC引脚图3.3超声波接受和发射器电路超声波发射电路原理图如图3.5所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40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，用这种推换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。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一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。图3.3 超声波发射电路原理图3.4 显示电路显示电路如图3.7，四位LED组成动态扫描电路，由AT89C51的P0口输出要显示的数值对应的8位二进制数码（数码管显示值“1”=P0口输出“11111001”）。动态扫描时，由P2口控制LED的的四个数码管中数码管的选通。当距离测量结束并调用显示程序，就会显示距离大小，显示两位小数。当按下按键k2时，将会显示温度值，延时5s后恢复显示距离值。图3.4 显示电路3.5报警电路模块系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为1K，R26的阻值为10K。对于二级运算放大，都采用F007芯片，两级放大电路均是负反馈接法，即反相比例运算电路，而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同相输入端接地，根据“虚短”和“虚断”的特点。即u =u+，i =i+=0，而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0。所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零，即Uid=u =+0，即u =u+,而u0具有一定值。由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短”。而“虚短”是由于理想集成运放的输入电阻Rid，故可以认为输入端不取电流，即i =i+0，这样输入端相当于断路，而不是断开，成为“虚断”。而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况成为“需地”。所以iI=，iF=，因为i_=0，iI=if，则可得u0=uI，故可将信号进行放大。图3.5 报警电路3.6系统复位电路模块在单片机日常工作时，除了系统正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为解决这个问题，也需要复位致使其重新启动。所以，系统复位电路显得尤为重要。单片机复位全靠外部电路实现，每当在时钟电路工作后时，一旦在单片夹中的RST引脚上表现出24个时钟振荡脉冲以上高电平，单片机就会实现初始化状态的复位。为了保证并可靠复位，在设计复位电路时，RST须高电平。只要RST电平不变，单片机就循环复位。单片机复位电路通常采用以下几种方式：（1）上电自动复位在通电瞬间，由于RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。 图3.6上电复位电路（2）按键电平复位通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。（3）在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这种特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统由多个复位端时，能保证可靠地同步复位。 考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。4 系统软件设计4.1 主程序流程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。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。因为本设计对时间要求精度较高的部分全部由单片机内部的定时器完成，而虽然温度传感器的读写对时间精度要求也高，但经详细计算所得出的C程序已被广泛应用，故直接借用已有程序也能作到对温度的准确读取，所心本设计全部使用C语言编程，这样能使设计中所用到的公式能方便快捷的体现和实现，又缩短了论文的篇幅。软件采用模块化设计方法，由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断子程序、温度测量子程序、距离计算子程序、显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成，图5.1为主程序流程图。系统上电后，首先系统初始化，不断扫描按键k1，若按键k1按下，则开始测量空气温度，然后将P1.0置位，使定时器T0开始定时，控制超声波传感器发出超声波，同时使定时器T1开始定时。CPU循环检测P3.3引脚，当P3.3为低电平时接收到回波，立即使T1停止工作，保存定时器的计数值。然后根据温度和传输时间计算距离，温度补偿措施使测量精度有了明显提高，计算出距离后调用距离显示子程序，LED显示距离。最后检测按键k2，若k2闭合，则调用温度显示子程序，LED显示温度（温度并非测量距离时用于补偿的温度，而是当前温度）5s后恢复显示本次测量距离；若按键k2没有闭合，则显示器恒定显示最新一次的测量结果；若要进行下一次测量，则先要按下k3重新开始，再按下按键k1才执行新一次测量。由于不需输入数据，键盘只设置了3个按键，用于开始测量距离并显示温度功能设置等。NYNYNYYN开始系统初始化显示测量距离测温，根据温度和时间计算距离显示温度5s发射超声波，T1计时K2闭合？T1停止定时，保存定时值N接收到反射波？K1闭合？K3闭合？图4.1 主程序流程4.2 子程序设计4.2.1超声波发送子程序及超声波接收中断子程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T1打开进行计时，定时器T1工作在方式0。超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T1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T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成功。图5.5为超声波发送及超声波接收程序流程图T1停止时，保持定时值发射超声波，T1计时接收到反射波K1闭合系统初始化开始图4.2超声波发送及超声波接收程序流程图超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T1打开进行计时，定时器T1工作在方式0。超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T1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T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成。5. 心得与总结超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；另一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪；此次设计采用反射波方式。超声波测距仪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AT89C51。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的方波信号，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74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。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。C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。本次设计增强了自己的动手和设计能力，从超声波传感测距中把理论运用于实践中，不仅提高了学习兴趣，也从实践中实实在在的学到了知识。 6调试与功能经调试此次课程设计做成的超声波测距仪使用方便，测量距离在0.2-5m之间。我们小组做成的超声波测距仪器使用效果较好，有三个按钮分别可以调节测量距离范围，超过一定范围会自动报警。分别为，和复位重置按钮。利用51系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观。经实际测试证明，该类测距仪工作稳定,能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比。由于该系统中锁相环锁定需要一定时间，测得的距离有误差，在汽车雷达应用中可忽略不计；但在精度要求较高的工业领域如机器人自动测距等方面，此误差不能忽略，可以通过改变一些硬件的应用实现对超声波的快速锁定或根据自己的需要在程序中加入测距软件补偿的代码，使误差进一步减小，可以满足更高要求。本设计完整地做出之后可测量十米以内的距离。因为超声波的特性，测距时保证传感器与被测物间，以及测量轴线上没有障碍物；且要尽量保证传感器轴线与被测物表面垂直；实际测距范围与被测物表面材料等因素有关，一般不要测量表面为毛料的物体表面。附录一参考文献参考文献1 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.102 时德刚，刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10 3 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .54 李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 65 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉：华中理工大学出版社，1999.46 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6.7 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.78 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.109 九州.放大电路实用设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.510 樊昌元，丁义元. 高精度测距雷达研究.电子测量与仪器学报，2000.1011 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术，2004.12 永学等.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20及应用.电子产品世界，2003.1213 胜全.D18B20数字温度计在微机温度采集系统中的序编制. 南京：南京大学出版社1998. 314 恒清，张靖.加强单片机系统抗干扰能力的方法.通化师范学院学报，2004 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