超声波测距仪的设计说明书.doc

目目 录录 引 言 1 1 方案设计 基于 AT89C51 单片机的超声波测距仪 2 2 理论分析与计算 3 2 1 测量与控制方法 3 2 2 理论计算 3 3 AT89C51 系列单片机的功能特点及测距原理 4 3 1 51 系列单片机的功能特点 4 3 2 单片机实现测距原理 5 4 系统的硬件结构设计 6 4 1 超声波发射电路 6 4 2 超声波接收电路 7 4 3 超声波显示电路 8 5 系统软件的设计 9 5 1 超声波测距仪的算法设计 9 5 2 主程序流程图 10 5 3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 12 结 论 14 致 谢 15 参考文献 16 附 录 17 附录一 超声波测距仪原理图 17 附录二 超声波测距仪 PCB 图 18 附录三 电器元件清单 19 沈阳大学课程设计 1 引引 言言 超声波具有方向性好 穿透能力强 易于获得等特点 根据超 声波这些特性进行障碍物有效距离的探测已在很多领域得到应用 超声波测距仪采用超声波测量大气中的距离 是近代电子工艺 发展才获得正式应用的工艺 由于超声测距是一种非接触检测工艺 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 超声波测距仪用途极度广泛 如 测绘地 形图 建造房屋 桥梁 道路 开挖矿山 油井等 超声波测距仪的测试优点是 仪器造价比光波测距仪低 省力 操作方便 由于超声波易于定向发射 方向性好 强度好控制 它 的应用价值己被普遍重视 该测距仪主要由 AT89C51 单片机控制电路 超声波发射器电路 超声波接收器电路及 LED 显示电路构成 本文还对测距仪的方案设 计 理论分析 51 系列单片机的功能 系统的硬件机构设计和软件 设计进行了详细的介绍说明 沈阳大学课程设计 2 1 方案设计 基于 89C51 单片机的超声波测距仪 测距仪主要以单片机 80C51 为核心 其发射器是利用压电晶体 的谐振带动周围空气振动来工作的 超声波发射器向某一方向发射超 声波 在发射的同时开始计时 超声波在空气中传播 途中碰到障 碍物就立即返回来 超声波接收器接收到反射波就立即停止计时 发射器发出的超声波以速度 在空气中传播 在到达被测物体 时被反射返回 由接收器接收 其往返时间为 t 由 s vt 2 即可算 出被测物体的距离 由于超声波也是一种声波 其声速 v 与温度有 关 下表列出了几种不同温度下的声速 一般情况下 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 340 t 2 这就是常用的时 差法测距 1 表 1 1 超声波波速与温度的关系表 温度 30 20 10 0102030100 声速 m s 313 319 325 323 338 344 349 386 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 用锁相环电路 沈阳大学课程设计 3 进行检波处理后 启动单片机中断程序 测得时间为 t 再由软件 进行判别 计算 得出距离数并送 LED 显示 超声波发射器 放大电路超声波接收器 放大电路 锁相环 检波电路 定时器 单片机 控制显示器 2 2 理论分析与计算理论分析与计算 2 1 测量与控制方法 声波在其传播介质中被定义为纵波 当声波受到尺寸大于其波 长的目标物体阻挡时就会发生反射 反射波称为回声 假如声波在 介质中传播的速度是已知的 而且声波从声源到达目标然后返回声 源的时间可以测量得到 从声波到目标的距离就可以精确地计算出 来 这就是本系统的测量原理 2 2 理论计算 测距的原理 沈阳大学课程设计 4 如图所示为反射时间法 是利用检测声波发出到接收到被测物 反射回波的时间来测量距离其原理如图所示 对于距离较短和要求 不高的场合我们可认为空气中的声速为常数 我们通过测量回波时 间 T 利用公式 S C T 2 其中 S 为被测距 V 为空气中声速 T 为 回波时间 T T1 T2 可计算出路程 这种方法不受声波强度的影 响 直接耦合信号的影响也可以通过设置 时间门 来加以克服 这样可以求出距离 S C T1 T2 2 本次设计是用电路振荡产生 40Hz 的超声波信号 其振荡频率计 算公式如下 f 1 43 R9 2 R10 C5 3 3 5151 系列单片机的功能特点及测距原理系列单片机的功能特点及测距原理 3 1 51 系列单片机的功能特点 5l 系列单片机中典型芯片 AT89C51 采用 40 引脚双列直插封装 DIP 形式 内部由 CPU 4kB 的 ROM 256 B 的 RAM 2 个 16b 的定 时 计数器 TO 和 T1 4 个 8 b 的工 O 端 I IP0 P1 P2 P3 一 个全双功串行通信口等组成 特别是该系列单片机片内的 Flash 可 编程 可擦除只读存储器 E PROM 使其在实际中有着十分广泛的 用途 在便携式 省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用 该系列单片机引脚与封装如图所示 沈阳大学课程设计 5 5l 系列单片机提供以下功能 4 kB 存储器 256 BRAM 32 条 工 O 线 2 个 16b 定时 计数器 5 个 2 级中断源 1 个全双向的 串行口以及时钟电路 空闲方式 CPU 停止工作 而让 RAM 定时 计数器 串行口和 中断系统继续工作 掉电方式 保存 RAM 的内容 振荡器停振 禁止芯片所有的其 他功能直到下一次硬件复位 5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法 充分利用他的片内资源 即可在较少外围电路的情况下构成功能完 善的超声波测距系统 3 2 单片机实现测距原理 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 S Ct 2 式中的 C 为超声波波速 沈阳大学课程设计 6 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 4 系统的硬件结构设计 4 1 超声波发射电路 如图是 40KHZ 超声波发射电路 电路中 IC 是超声波发射专用电 路 NYKD40T 外围电路简单 当接一下 S 开关时 超声波转换器 T40 16 即向外辐射频率为 40KHZ 的超声波信号 电路无需调试即可工作 电路工作电压 9V 工作电流约 25mA 发射距离大于 9m 沈阳大学课程设计 7 超声波发射电路 4 24 2 超声波接收电路 接收放大单元的作用是对有用的信号进行放大 并抑制其它的 噪声和干扰 从而达到最大信噪比 以利检测单元的正确检测 超 声波回波经超声波接收传感器 电容隔直流滤波 一级放大 二级 放火后 在解码器的输出端有信号时将得到低电平进入单片机以产 生中断用于计时 根据地路需求 需要接受放大电路能将微弱信号放大 放大倍 数要求超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号 正弦波 信号经过两级放大以后 应输出的方波幅度较大的正弦波 放大电 路有两片 u741 完成 沈阳大学课程设计 8 超声波接收电路 4 3 超声波显示电路 超声波测距仪显示模块如图 4 3 所示 通过单片机的 P24 P25 P26 P27 四个管脚的信号控制四个三极管的 B 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 采 用 LED 动态显示 数据经过芯片的计算后传到 LED 上 显示精度是 厘米 显示电路原理图 沈阳大学课程设计 9 5 5 系统软件的设计系统软件的设计 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 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 5 1 超声波测距仪的算法设计 超声波测距的原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超 声波信号 当这个超声波遇到被测物体后反射回来 就被超声波接 收器 R 所接收到 这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回 信号所用的时间 就可算出超声波发生器与反射物体的距离 距离 的计算公式为 d s 2 c t 2 1 其中 d 为被测物与测距仪的距离 s 为声波的来回的路程 c 为声速 t 为声波来回所用的时间 在启动发射电路的同时启动 单片机内部的定时器 T0 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 当收到超声波反射波时 接收电路输出 端产生一个负跳变 在 INT0 或 INT1 端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 其部分源程序如下 沈阳大学课程设计 10 RECEIVE0 PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 关外部中断 0 MOV R7 TH0 读取时间值 MOV R6 TL0 CLR C MOV A R6 SUBB A 0BBH 计算时间差 MOV 31H A 存储结果 MOV A R7 SUBB A 3CH MOV 30H A SETB EX0 开外部中断 0 POP ACC POP PSW RETI 5 2 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 a b c 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 沈阳大学课程设计 11 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 1 ms 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 12 MHz 的晶 振 计数器每计一个数就是 1 s 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 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 344 m s 则有 d c t 2 172T0 10000cm 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 沈阳大学课程设计 12 然后再发超声波脉冲重复测量过程 为了有利于程序结构化和容易 计出距离主程序采用 C 语言编写 5 3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 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 12 s 左右 同 时把计数器 T0 打开进行计时 超声波发生子程序较简单 但要求程 序运行准确 所以采用汇编语言编程 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 前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端 口 中断优先级最高 左 右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出 接单片机 INT1 端口 同时单片机 P1 3 和 P1 4 接到 IC3A 的输入端 中断源的识别由程序查询来处理 中断优先级为先右后左 部分源 程序如下 receive1 push psw push acc clr ex1 关外部中断 1 jnb p1 1 right P1 1 引脚为 0 转至右测距电路中断服务程序 沈阳大学课程设计 13 jnb p1 2 left P1 2 引脚为 0 转至左测距电路中断服务程序 return SETB EX1 开外部中断 1 pop acc pop psw reti right 右测距电路中断服务程序入口 ajmp return left 左测距电路中断服务程序入口 ajmp return 沈阳大学课程设计 14 结结 论论 由于时间和其它客观上的原因 此次设计没有做出实物 但是 对设计有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 方法测量物体间的距离 以数字的形式显示测量距离 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受 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 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 超声波测距在实际应用也有很多局限性 这都影响了超声波测 距的精度 一是超声波在空气中衰减极大 由于测量距离的不同 造成回波信号的起伏 使回波到达时间的测量产生较大的误差 二 是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽 影响了测距的分辨 率 尤其是对近距离的测量造成较大的影响 其他还有一些因素 诸如环境温度 风速等也会对测量造成一定的影响 电路中除集成电路外 对各电子元件也无特别要求 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 C0 的大小 以获得合 沈阳大学课程设计 15 适的接收灵敏度和抗干扰能力 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 致致 谢谢 首先 我要感谢宿老师老师在课程设计中对我给予的悉心指导 和严格要求 特别是她严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我 终生受益 在此表示真诚地感谢和深深的谢意 同时我也感谢本校 的一些老师课程设计期间所给予我得帮助 在课程设计期间 各位 老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀 没有 您们这样的帮助和关怀 我不会这么顺利的完成毕业设计 借此机 会 向您们表示由衷的感激 接着 我要感谢和我一起做课程设计的同学 在毕业设计的短 短 3 周里 你们给我提出很多宝贵的意见 给了我不少帮助还有工 作上的支持 在此也真诚的谢谢你们 同时 我还要感谢我的寝室 同学和身边的朋友 正是在这样一个团结友爱 相互促进的环境中 在和他们的相互帮助和启发中 才有我今天的小小的成就 最后 再次对在这次设计过程中给于我帮助和指导的宿老师表 示感谢 沈阳大学课程设计 16 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 10 2 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 5 4 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 6 5 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 4 6 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 7 8 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 10 9 九州 放大电路实用设计手册 沈阳 辽宁科学技术出版社 2002 5 10 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 10 沈阳大学课程设计 17 11 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 12 附录 附录 超声波测距仪原理图超声波测距仪原理图 沈阳大学课程设计 18 超声波测距仪超声波测距仪 PCBPCB 图图 沈阳大学课程设计 19 电器元件清单 电器元件清单 沈阳大学课程设计 20 Bill of Material for 东 Bom Used Part Type Designator Footprint 1 9V v AXIAL0 3 2 0 1u C4 C5 RAD0 1 7 2k R11 R12 AXIAL0 3 R13 R14 R15 R16 R17 4 4 7k R10 R18 AXIAL0 3 R19 R21 3 10K R2 R4 R25 AXIAL0 3 1 12MHZ Y1 XTAL1 1 24C02 DIP8 1 62K R1 AXIAL0 3 2 100K R5 R6 AXIAL0 3 2 500K R3 R7 AXIAL0 3 1 AT89C51 U1 DIP40 4 NPN Q1 Q2 Q3 DIP4 Q4 1 NYKD40T IC DIP4 1 SPEAKER LS1 AXIAL0 3 Part Type Designator Footprint 9V v AXIAL0 3 0 1u C4 RAD0 1 0 1u C5 RAD0 1 2k R14 AXIAL0 3 2k R13 AXIAL0 3 2k R15 AXIAL0 3 2k R17 AXIAL0 3 2k R16 AXIAL0 3 2k R11 AXIAL0 3 2k R12 AXIAL0 3 4 7k R18 AXIAL0 3 4 7k R10 AXIAL0 3 4 7k