单片机实现超声波测距仪设计

摘摘 要要 随着科学技术的快速发展 超声波将在科学技术中的应用越来越广 本文对超 声波传感器测距的可能性进行了理论分析 利用模拟电子 数字电子 微机接口 超声波换能器 以及超声波在介质的传播特性等知识 采用以 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在 此基础上设计了系统的总体方案 最后通过硬件和软件实现了各个功能模块 为了 保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性 采取了相应的抗干扰措施 该测距仪最 大测量距离是 6 米 精确度是 0 1mm 这套系统软硬件设计合理 抗干扰能力强 实时性良好 经过系统扩展和升级 可以用于倒车雷达 建筑施工工地以及一些工 业现场 例如 测量液位 井深 管道长度等场合 可以广泛应用于工业生产 医 学检查 日常生活 无人驾驶汽车 自动作业现场的自动引导小车 机器人 液位 计等 关键词关键词 AT89C51 超声波 传感器 LED i ABSTRACT Along with the science and technology fast development the ultrasonic wave more and more will be broad in the science and technology application This article has carried on the theoretical analysis to the ultrasonic sensor range finder possibility the use simulation electron the digital electron the microcomputer connection the ultrasonic wave transducer as well as the ultrasonic wave in medium knowledge and so on dissemination characteristic uses take AT89C51 monolithic integrated circuit as the core low cost the high accuracy the microminiaturized numeral demonstrated the ultrasonic wave distance gauge the hardware electric circuit and the software design method has designed the system overall concept in this foundation finally has realized each function module through the hardware and the software In order to guarantee the ultrasonic ranging sensor the reliability and the stability have taken the corresponding ant jamming measure This distance gauge maximum survey distance is 6 meters the precision is 0 1cm Proved after the experiment that this set of system software and hardware design reasonable ant jamming ability strong timeliness is good the process system expansion and the promotion may use in the back draft radar the building construction work site as well as some industry scene for example Survey situations and so on fluid position well depth pipeline length May widely apply in the industrial production the medicine inspection the daily life pilot less automobile automatic work scene automatic guidance car robot liquid meter and so on Keywords AT89C51 ultrasonic wave sensor Light Emitting Diodes ii 目目 录录 摘 要 i ABSTRACT ii 第 1 章 绪 论 1 1 1 概 述 1 1 2 超声波测距特性 1 1 2 1 超声波用于距离测量的优势 1 1 2 2 超声波测距仪 1 第 2 章 总体设计 2 2 1 方案的选择 2 2 1 1 传感器的选择 2 2 1 2 单片机的选择 3 2 2 超声波测距的原理 5 2 3 总体设计框图 5 第 3 章 硬件电路设计 6 3 1 AT89C51 系列单片机的应用 6 3 2 传感器的应用 7 3 2 1 传感器的定义及作用 7 3 2 2 压电式传感器 7 3 2 3 利用传感器发送接收 8 3 2 4 超声波传感器探测物体的方式 9 3 3 超声波发射与接收模块 9 3 4 超声波发射电路与驱动电路 10 3 5 超声波接收电路与放大电路 11 3 6 数码显示电路 12 3 7 温度测量电路 13 3 8 电源供应电路 14 3 9 报警电路 15 iii 第 4 章 误差和数据分析 16 4 1 测距计算中温度补偿 16 4 2 测距计算中误差分析 17 4 3 数据处理 18 第 5 章 软体设计 18 5 1 显示子程序 18 5 2 外部中断子程序 20 5 3 测量距离子程序 21 5 4 定时中断子程序 22 5 5 总程序及其流程图 24 第 6 章 总结 26 6 1 设计系统的实用性与价值性 26 6 2 设计系统的不足和改进方法 26 英文文献 28 中文翻译 30 参考文献 32 附录 33 致谢 58 0 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1 1 概概 述述 超声波是指超过人的听觉范围以上 16KHZ 的声波 近二 三十年 特别是近十 年来 由于电子技术及压电陶瓷材料的发展 使超声检测技术得到了迅速的发展 超声技术是一门以物理 电子 机械 及材料学为基础的通用技术之一 超声技术 是通过超声波产生 传播及接收的物理过程而完成的 超声波具有聚束 定向及反 射 透射等特性 超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性 声速 衰减 反射 声阻抗等 来实现对非声学量 如密度 浓度 强度 弹性 硬度 粘度 温度 流速 流量 液位 厚度 缺陷等 的测定 它的基本原理是基于超声波在 介质中传播时遇到不同的界面 将产生反射 折射 绕射 衰减等现象 从而使传 播的声时 振幅 波形 频率等发生相应变化 测定这些规律的 变化 便可得到材 料的某些性质与内部构造情况 与传统超声技术完全不同 新的超声技术具有以下 特点 在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量 环境适应能力强 可实现在 线测量 1 2 超声波测距特性超声波测距特性 1 2 1 超声波用于距离测量的优势超声波用于距离测量的优势 由于超声波频率较高 沿直线传播 绕射小 穿透力强 指向性强 传输过程 中衰减少 能量消耗缓慢 在介质中传播的距离较远 遇到杂质或分界面时会产生 反射波 因而超声波经常用于距离的测量 超声波有两个特点 一个是能量大 一 个是沿直线传播 它的应用就是按照这两个特点展开的 超声波与一般声波比较 它的振动频率高 而且波长短 因而具有束射特性 方向性强 可以定向传播 其能量远远大于振幅相同的一般声波 并且具有很高的 穿透能力 超声波在均匀介质中按直线方向传播 但到达界面或者遇到另一种介质 时 也像光波一样产生反射和折射 并且服从几何光学的反射 折射定律 超声波 在反射 折射过程中 其能量及波型都将发生变化 理论研究表明 在振幅相同的 情况下 一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比 超声波在介质中传播时 介质质点振动的频率很高 因而能量很大 1 2 21 2 2 超声波测距仪超声波测距仪 一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷 例如 液面测 1 量就是一种距离测量 传统的电极法是采用差位分布电极 通过给电或脉冲检测液 面 电极长期浸泡于水中或其它液体中 极易被腐蚀电解 失去灵敏性利用超声波 测量距离可以解决这些问题 因此超声波测量技术在工业控制勘测 机器人定位和 安全防范等领域得到了广泛应用 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 人的研制上也得到了广泛的应用 超声波测距仪广泛应用于汽车倒车 建筑施工工地以及一些工业现场的位置监 控 也可用于如联合收获机割台割幅 液位 井深 管道长度等的实时测量场合 也可用于使移动机器人能自动避障行走 要求测量范围在 0 10 6 00 m 测量精度 误差不超过 5 测量时与被测物体无自接接触 能够清晰稳定地显示测量结果 1 31 3 设计要求设计要求 1 3 11 3 1 内容及任务内容及任务 熟悉掌握单片机与传感器的相关知识 具备基本的模块电路设计能力 例如 温度检测电路 超声波发射及控制电路 超声波接受及信号处理电路 显示电路 以及 RS 232 通信接口等等 具备宏观设计硬件能力 利用所掌握的语言 汇编或 C 语言 实现软件设计 要求硬件布局合理 软件设计精练 1 熟悉单片机与传感器相关知识 2 设计出相关电路模块的硬件 3 超声波测距仪的软件设计 1 3 21 3 2 拟达到的要求或技术指标拟达到的要求或技术指标 1 测量距离范围要求为 6M 2 精度要求误差不超过 5 3 进行温度补偿 4 显示方式为 LED 显示 第第 2 章章 总体设计总体设计 2 1 方案的选择方案的选择 2 1 1 传感器的选择传感器的选择 方案一 2 磁致式传感器 按结构方式不同 磁致式传感器可分为动圈式和磁阻式 磁致 式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组成 超声波的发射原理是 把铁磁材料置于 交变磁场中 产生机械振动 发射出超声波 其接收原理是 当超声波作用在磁致材 料上时 使磁致材料振动 引起内部磁场变化 根据电磁感应原理 使线圈产生相 应的感应电势输出 但由于受外界温度 压力 电磁场的影响及自身结构的限制 在实际操作中产 生了各种误差 方案二 压电式传感器 压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应 目前广 泛使用的压电材料有石英和磷酸二氢胺等 当这些晶体受压力作用发生机械变形时 在其相对的两个侧面上产生异性电荷 这种现象称为 压电效应 磷酸二氢胺属于 人造晶体 能够承受高温和相当高的湿度 所以已经得到了广泛的应用 室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性 以便防止露水 雨水和灰尘 的侵入 压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧 底座固定在盒体的开口端 并且 使用树脂进行覆盖 工作频率就是压电芯片的共振频率 当加到它两端的交流电压 的频率和芯片的共振频率相等时 输出的能量最大 灵敏度也最高 误差产生小 综合上面所叙 系统的设计中选择用压电式超声波传感器 2 1 2 单片机的选择单片机的选择 单片机是微电子技术与计算机技术的结晶 单片微型计算机是随着超大规模集 成电路技术的发展而诞生的 由于它具有体积小 功能强 性价比高等特点 所以 广泛应用于电子仪表 家用电器 节能装置 军事装置 机器人 工业控制等诸多 领域 使产品小型化 智能化 既提高了产品的功能和质量 又降低了成本 简化 了设计 单片机现在成为集成电路大家族的重要成员 单片机不仅用于智能仪器 电器设备 数据采集 自动控制及国防工业等技术领域 而且进入亿万家庭 目前 单片机正朝着兼容性 单片系统化 多功能和低功耗的方向发展 51 系列单片机引 脚与封装如图所示 3 图 2 1 51 系列单片机封装图 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 I O 端 IP0 P1 P2 P3 一个全双功串行通信口等组成 5l 系列单片机提供以下功能 4 kB 存储器 256 BRAM 32 条 I 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 禁止芯片所有的其它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 所以 4 单片机选用 AT89C51 2 2 超声波测距的原理超声波测距的原理 超声波检测通过超声量的测量来进行 其中声速超声量在工业的超声波测量中 应用较广 在声速 C 已测知的媒介中 利用声波传播距离 L 和传播时间 t 的关系式 L Ct 就可测得距离 这是超声波测量位移的基本关系式 实际中 测量位移采用的是脉冲回波法 先激励超声波探头发射超声波 超声波 遇到被测物后反射回来即所说的回波 于是探头接收回波 记录下从超声波发射到 接收的时间 t 由于从发射到接收 超声波所走路程为超声波探头到被测物表面位移 的两倍 因此 可以计算出超声波探头到被测物的位移 L Ct 2 C 为声速 可以看 出 测量位移的关键是要准确的测量处出时间 T 在超声波发射器两端输入 10 个 40KHz 脉冲串 脉冲电信号经过超声波内部振子 振荡出机械波 通过空气 介质 传播到被测面 由被测面反射 被超声波接受器接收 在超声波接收器两端信号是 毫伏级别的正弦波信号 超声波经气体介质转播到接收器的时间 即往返时间 往 返时间与气体介质中的声速相乘 就是声波传输的距离 而所测距离为声波传输距 离的一半 其关系式如公式 2 1 所示 L 1 2 Ct 2 1 式中 L 为待测距离 C 为超声波的声速 t 为往返时间 采用微处理器脉冲计数的方法 可以精确的测出 t 的值 假设微处理器的机器 周期为 T 则 t N T 则探测距离如公式 2 2 所示 L 1 2Ct 1 2CNT 2 2 2 3 总体设计框图总体设计框图 超声波测距系统由超声波发射 回波信号接收 计时测量 数据处理与智能算 法 显示报警等功能模块构成 单片机采用 89C51 微处理器控制发出超声波信号 经功率放大推动超声波发射器发射出去 超声波接收器将接收到的反射超声波送到 放大器进行放大 然后用锁相环电路进行检波 总设计框图如下 5 超声波发射器 超声波接收器 温度传感 器 单片机 控制 显示器 图 2 2 超声波测距系统原理框图 整个系统由微处理器控制 超声波信号在空气中传播至障碍物后发生反射 反 射的回波经空气传播给超声波接收换能器并转换成电信号 经滤波 放大 整形后 输入到微处理器的外部中断 INTO 处产生中断 计数器停止计数 此时计数器记得 的脉冲数 N 即为对应的需要测量时间 由 N 可通过公式求出间距 L L 1 2Ct 1 2CNT 2 3 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3 1 AT89C51 系列单片机的应用系列单片机的应用 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理 器 俗称单片机 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业 标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组 合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 为很多嵌入式控制系 统提供了一种灵活性高且价廉的方案 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 得出时间 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 显示电路进行显示 若测得的距离超出设定范围系统将提示 6 声音报警电路报警 AT89C51 通过外部引脚 P3 3 输出脉冲宽度为 25 us 载波为 40kHz 的超声波 脉冲串 加到射随器的基级 经功率放大推动超声波发射器发射出去 超声波接收 器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大 然后用锁相环电路进行检波 而通 过 P1 0 引脚经反相器来控制超声波的发送 然后单片机不停的检测 INT0 引脚 当 INT0 引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回 计数器所计的数据 就是超声波所经历的时间 通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离 工作 时 微处理器 AT89C51 先把 P1 0 置 0 启动超声波传感器发射超声波 同时启动内 部定时器 T0 开始计时 由于我们采用的超声波传感器是收发一体的 所以在发送完 16 个脉冲后超声波传感器还有余震 为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送 信号 要检测返回信号必须在启动发射信号后 2 38ms 才可以检测 这样就可以抑制 输出得干扰 当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回 微处理器不停的扫描 INT0 引脚 如果 INT0 接收的信号由高电平变为低电平 此时表明信号已经返回 微处 理器进入中断关闭定时器 再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器 与障碍物之间的距离 3 2 传感器的应用传感器的应用 3 2 1 传感器的定义及作用传感器的定义及作用 传感器是一种以测量为目的 以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的 易于处理的电量信号输出的装置 传感器是摄取信息的关键器件 它与通信技术和 计算机技术构成了信息技术的三大支柱 是现代信息系统和各种装备不可缺少的信 息采集手段 也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法 对提高经济效益 科 学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用 超声波传感器是利用超声波的特性 研制而成的传感器 超声波是一种振动频率高于声波的机械波 有换能芯片在电压 的激励下发生振动产生的 它具有频率高 波长短 绕射现象好 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播等特点 以超声波为检测手段 包括有发射超声波和接收 超声波 并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器 习惯上称为 超声波换能器或超声波探头 3 2 2 压电式传感器压电式传感器 常用的超声波传感器有两种 即压电式超声波传感器 或称压电式超声波探头 和磁致式超声波传感器 本论文采用的是压电式超声波传感器 主要由超声波发射器 7 或称发射探头 和超声波接收器 或称接收探头 两部分组成 它们都是利用压电材料 如石英 压电陶瓷等 的压电效应进行工作的 利用逆压电效应将高频电振动转换 成高频机械振动 产生超声波 以此作为超声波的发射器 而利用正压电效应将接 收的超声振动波转换成电信号 以此作为超声波的接收器 超声波传感器结构图如下 压电芯片 电极 共振板 图 3 1 超声波传感器结构 一般而言 超声波传感器内部结构有两个压电芯片和一个共振板 当它的两级 外加脉冲信号 其频率等于压电芯片故有振荡频率时 压电芯片将会发生共振 并 带动共振板振动 便产生超声波 可选用国产 TC40 167R 系列或 MA40S2S 发送传 感器 MA40S2R 接收传感器 超声波传感器 其主要参数为 以 TC40 167R 为例 标 准频率 40 0 1KHz 灵敏度 dB 68 声压 dB 114 方向角 度 60 静电容量 pf 2500 工 作温度 20 70 有效距离 15M 反射接收有效距离为 4M 7M 技术参数 灵敏度 70dB V ubar 谐振频率 40KHZ 1KHZ UCM T40K1 发射用 38KHZ 1KHZ UCM R40K1 接收用 频 带 宽 2KHZ 0 5KHZ 外形尺寸 16mm 22 5mm 使用环境温 度 20 60 相对湿度 20 5 时达 98 3 2 3 利用传感器发送接收利用传感器发送接收 超声波发送传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成 换 能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并向空中幅射 而接收传感 器由陶瓷振子换能器与放大电路组成 换能器接收超声波产生机械振动 将其变换成 电能量 作为传感器接收器的输出 从而对发送的超声波进行检测 而实际使用中 用 发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器上的陶瓷振子 控制部分主要对 发送器发出的脉冲链频率 占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制 超声 8 波传感器的电源 或称信号源 可用 DC12V 10 或 24V 10 若对发送传感器内谐振频率为 40KHz 的压电陶瓷片 双晶振子 施加 40KHz 高 频电压 则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短 于是发送 40KHz 频率的 超声波 其超声波以疏密形式传播 疏密程度可由控制电路调制 并传给超声波接收器 接收器是利用压电效应的原理 即在压电组件上施加压力 使压电组件发生应变 则产 生一面为 极 另一面为 极的 40KHz 正弦电压 因该高频电压幅值较小 故必 须进行放大 根据超声波传感器等效电路与阻抗特性可知 对发送传感器而言 工作于串联谐振 即 谐振频率 fr 处阻抗 Zr 最低 故能供给最大功率 能用较大振动传感器 而对接收传感器 而言 工作于并联谐振 即谐振频率 f 处阻抗 Z 最高 难供大功率 但阻抗 Z 高就能 得到较大振幅信号 所以 f 处用作传感器其灵敏度高 3 2 4 超声波传感器探测物体的方式超声波传感器探测物体的方式 在超声波探测电路中 发射端输出一系列方波 其宽度等于发射超声波的时间 间隔 被测物距越远 脉冲宽度越大 输出脉冲个数和被测距离成正比 一般采用 超声波往返时间检测法 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 此系统用的是压电式超声波发生器 3 3 超声波发射与接收模块超声波发射与接收模块 超声波发射器两端输入 10 个 40KHz 脉冲串 脉冲电信号经过超声波内部振子 振荡出机械波 通过空气 介质 传播到被测面 由被测面反射 被超声波接收器 接收 在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号 超声波经气体介质转播 到接收器 经滤波 放大 整形 输入到控制微处理器 9 隔 离功率放大 放大过滤整形 中断 NTO 40KHZ信号 图 3 2 超声波发射及接收模块框图 3 4 超声波发射电路与驱动电路超声波发射电路与驱动电路 超声波发射电路由三极管 Q6 Q7 组成正反馈回授振荡器 电路的振荡频率决定 于输入信号及反馈组件的频率 输入信号频率为 40KHz 2KHz 其频率稳定性好 不需要做任何调整 并由 T40 16 作为换能器发出 40kHZ 的超声波信号 电感 L2 与 电容 C2 调谐在 40kHZ 起作谐振作用 本电路适应电压较宽 3 12V 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 8 米 由于超声波在空气中传播时 其能量的衰减程度与传播距离成正比 所以单片 机 P3 3 端口输出的 40kHz 的方波信号一路经一级反向电路后送到超声波换能器的一 个电极 另一路经正反馈回授电路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 此电路直 接由变压器经整流后供应电源 电压为 7 11V 可以保证发射电路稳定工作 而且 可以省略三端稳压器 经济实惠 电压适应范围宽也是此电路一大优势 10 7 11V R20 10K 3 2 1 R18 220K C20 0 1uF R19 5 1K C21 0 1uF 2SC1815 Q6 2SC1815 Q7 D3 1N4148 40KHZ L2 5 1mH 2 3 2 3 1 图 3 3 超声波发射电路图 3 5 超声波接收电路与放大电路超声波接收电路与放大电路 超声波接收器包括超声波接收传感器 信号放大电路及波形变换电路三部分 反射回来超声波被接收传感器接收后 变换成非常微弱的正弦波电信号 因此必须 经过交流放大电路放大 正弦波信号不能直接被微处理器接收 必须进行波形变换 转变为微处理器可以识别的高低电平信号 方波信号 处理器对信号进行采样分析 再进行数据处理 得出测量距离 输出信号送显示模块显示数值 接收电路如图 3 4 电路具体工作过程如下 电路采用三端稳压器 78L05 后输出的 5V 电压 经电 容 C2 滤除交流杂波 得到的电压稳定无杂讯 为接收的信号处理提供良好的基础 超声波被接收器接收后 经滤波 再经放大器 LM358 放大 再经滤波整流 对波形 进行变换 输入到处理器 超声波接收电路超声波在空气中传播时 其能量的衰减与 距离成正比 即距离越近 信号越强 距离越远 信号越弱 通常在 1MV 1V 之间 由于 输入信号的范围较大 对放大电路的增益提出了两个要求 1 放大增益要大 以适应小 信号需要 2 放大增益要能变化 以适应信号变化范围大的需求 但此设计中测量距 离要求比较短 增益不需要做很大范围的变化 可调节 R10 的大小 选择合适的基准 比较电压 使测量更加准确和稳定 11 VDD INOUT GND C1 470U 16V C2 470U 16V C3 0 1U C4 0 1U C8 2 2U C9 0 1U C10 0 1U 0 1U C7 0 1U C5 R1 10K 0 5W10K 0 5W R2 10K 0 5W R4 220K 0 5W R9 220K 0 5W R6 220K 0 5W R7 R3 10K 0 5W 10K 0 5W R5 R8 10K 0 5WIM4004 C6 0 1U R10 20K LM358 LM576 1 2 3 1 2 5 3 7 6 4 8 3 1 276 5 8 4 J2J1 图 3 4 超声波接收电路 3 6 数码显示电路数码显示电路 目前市面上已有的 LED 显示驱动芯片种类繁多 从性价比以及功能实用性的角 度考虑 本次设计取用 74LS244 驱动 其峰值电流可达 40mA 最高串行扫描频率 为 30KHz 显示电路采用简单实用的 8 段共阳 LED 数码管 使用 4 条线串行接口传 送数据 LED 显示方式为动态显示 各显示位段引脚并联在一起 共享一个 74LS244 驱动器 多片级联时可控制更多的 LED 各 LED 数码管 com 端接列驱动 信号输入端 分别驱动各 LED 显示 当测量得到距离小于 6M 时 LED1 显示个位 数 LED2 显示分米位 LED3 显示厘米位 LED4 显示毫米位 根据本设计要求 可以达到精确度 0 1mm 所以显示距离能满足大多情况之要求 各数码管显示亮度 可以通过增加驱动电流值来实现 驱动电流一般选择 30mA 左右 显示时间选择 0 5ms 左右 由算法确定 这样能够动静态一起显示 保证显示的准确 同时也能 达到肉眼识别亮度及反映时间要求 12 图 3 5 超声波显示电路 3 73 7 温度测量电路温度测量电路 温度测量采用 DS18B20 一线式数字温度传感器 测量电路非常简洁 如图 6 所示 DS18B20 是美国 DALLS 公司推出的 DS1820 的替代品 具有 9 10 11 及 12 位转换精 度 未编程时默认为 12 位 测量精度一般为 0 5 软件处理后可达 0 1 温度输出以 16 位符号扩展的二进制数形式提供 低位在先 以 0 0625 LSB 形式表达 十六位温 度读数形式 其中高 5 位为扩展位 转换周期与转换精度设定有关 9 位精度时 最大 转换时间为 93 75ms 最大转换时间为 750ms 下图中电阻为上拉电阻 阻值可选 5Kohm 左右 13 GND DQ GND VCC U2 DS1820 116 VCC A 图 3 6 温度测量电路 3 8 电源供应电路电源供应电路 论文设计中采用市电供应电源 工作电压 200Vac 250Vac 方便实用 基本能实 现随时随地进行超声波测量要求 电路中有装置有 3A 保险丝 即能够满足正常仪 器工作电流需求 也能保证电路稳定可靠性 防止短路及不正常操作导致仪器的损 坏 电路中设计了 EMI 防电磁干扰电路 即可以有效的防止外界电路对仪器本身电 磁干扰 造成超声波噪声 又可以防止电路本身产生的电磁干扰对外界市电的干扰 电路中变压器输出电压为 10V 左右 以保证整流后电压在 7 至 11V 范围内 从而保 证 78L05 正常工作 输出稳定的 5V 电压 此电路稍复杂 但稳定性好 信号纯 有效保证超 声波测距仪的精确性 正确性 14 T3A250VAC NORMAL INOUT GND 78L05 7 11V 5V 470U 16V C3 0 1U 50V C27 C26 10U 25V D15 IN4004 IN4004 D14 IN4004 D13 IN4004 D12 R60 470K 0 5W V2 CY4 472 400V 472 400V CY5 1 2 3 GND LINENEUT AC POWER CORD T2 图 3 7 电源电路 3 9 报警电路报警电路 此报警电路设计较简单 即准确可靠 又经济实惠 能够简易实现报警的功能 达到警示目的 电路中采用 TL7404 非门 原理简单 电路准确可靠 从发射及接受 电路中进行信号采样 经 AT89C51 信号处理 作为报警电路输入信号 一端经两次 非门到扬声器正极 另一端经非门得到低电平 接到扬声器负极 电路中只要一个 输入信号便可以驱动扬声器工作 并使用两非门迭加 保证电路工作的稳定可靠性 防止误报警情况 当大于 6M 和小于 0 1M 时会报警 尤其是汽车倒车的应用 图 3 8 报警电路 15 第第 4 章章 误差和数据分析误差和数据分析 4 1 测距计算中温度补偿测距计算中温度补偿 温度补偿是在求取声速过程中一个必要环节 本次设计测距仪采用查表法进行温 度补偿 采用查表法进行温度补偿的目的是为了避开复杂的浮点数运算及 浮点结果 中各字节的提取操作 这样既保证了一定的精度要求 又可以避免浮点运算 在基于微 处理器的系统中通常可将浮点运算改为定点运算 查表法的前提是 必须事先得到温度与声速的二维关系表 表格的密度可以根据精 度的需求和微处理器资源的分配来决定 由于表格中的典型温度点有限而且是离散 分布的 为了提高精度可以采取小区间插值计算法 例如 测得温度为 23 而 表格中与之最接近的特征温度点为 20 和 30 对应的声速分别为 344 和 349 即温度变化为 10 声速变化为 5 也即温度每增加 2 声速增加 1 于是进行最简便 的线性插补得到声速为 345 表格可按照以下公式计算得到 C 331 4 0 61 T 4 1 式中 C 为超声波在空气中的传播速度 T 表示温度 0 时超声波在空气中的 传播速度为 331m s 25 时为 346 65m s 根据以上公式可得到对应的大致表格 温度 声速 m s 折合后的声速对应的十六进数 303138492212CH 20319865421CEH 1032588172271H 03329007232FH 10338917023D2H 2034493332475H 30349946824FCH 403559631259FH 5036197942642H 16 从 DS18B20 数字温度传感器上得到的温度进行取整处理 然后判断所在区间 这 里提供的程序没有进行插值计算 只简单的取温度区间内温度值对应的声速值 距 离计算方便 在表格中的声速值乘以机器周期再乘以 100 得到折合后的声速值 4 2 测距计算中误差分析测距计算中误差分析 2 907 s 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 1cm 的误差 使用的 12MHz 晶体作时 钟基准的 89C51 单限制超声波测距仪器最大可测距离存在 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 由于当环境温度发生变化时超声 波的传播速度也随之改变 这将会引起测距误差 利用温度传感器 DS18B20 测量空 气温度再送主控器中的 A D 转换器进行温度补偿 即可消除该项误差 改善接收器 LC 带通滤波器效果 可以增加信号保真度和系统精度 反射信号的额外 增益级对 增加探测范围和提高精度也有帮助根据超声波测距公式 L C T 2 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 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 s tT1 MOV A 1AH SUBB A 18H MOV R3 A MOV A 1BH SUBB A 19H MOV R2 A MOV R1 00H MOV R0 00H SJMP CULT T2LESST1 CLR C T2 T1 MOV A 18H SUBB A 1AH MOV R3 A MOV A 19H SUBB A 1BH MOV R2 A MOV R1 00H MOV R0 00H 43 CULT T1 T2 2 T 2 T 203058H us MOV A 18H ADD A 1AH MOV R7 A MOV A 19H ADDC A 1BH MOV R6 A MOV A 00H ADDC A 00H MOV R5 A MOV R4 00H MOV A R7 ADD A 58H MOV R7 A MOV A R6 ADDC A 30H MOV R6 A MOV A R5 ADDC A 20H MOV R5 A MOV A 00H ADDC A 00H MOV R4 A T1 T2 2 T T1 T2 CALL MYDIV MOV R3 07H MOV R2 06H MOV R1 05H MOV R0 04H SOUND SPEED 10 4 IS 33E140 M PER SECOND MOV R7 40H MOV R6 0E1H MOV R5 33H MOV R4 00H CULCULATE V CALL MYDIV 44 MOV 1EH 01H CALL CUTFIGURE RET END MEASSURESPEED 秒表子程序 MEASEURSECOND JNB CANCEL CANMEASEURSECOND CLR CANCEL RET CANMEASEURSECOND MOV R7 01H CALL WAITKEYRELEASE CJNE R3 00H STARTTIMER CALL RESETMEMORY PRESS FUNCTION KEY FOR A LONG TIME TO CLEAR MEMORYTIMERNORESET RET STARTTIMER SET SHOWTIME CLR A MOV 48H A MOV 49H A MOV 4AH A MOV 4BH A MOV 4FH 48H MOV 1FH 00H MOV 1EH 03H 标志参数 MOV 1DH 00H MOV TMOD 10H T1 模式 1 T 10 000Us TH1 0D8H TL1 0F0H MOV TH1 0D8H MOV TL1 0F0H MOV IE 88H 开 CPU 中断 MOV TCON 01000000B 启用 T1 SECWAIT 等待停止处理 45 CALL SHOWLED MOV A 1FH CJNE A 1DH AIDGOTO AJMP SECHERE AIDGOTO INC 1DH INC 4BH MOV A 4BH CJNE A 0AH SECHERE MOV 4BH 00H INC 4AH MOV A 4AH CJNE A 0AH SECHERE MOV 4AH 00H INC 49H MOV A 49H CJNE A 0AH SECHERE MOV 49H 00H INC 48H MOV A 48H CJNE A 0AH SECHERE CALL SHOWERRO CLR EA 关闭中断 RET SECHERE MOV A 48H CALL CHANGE MOV LEDDATAPORT A SETB LEDCHOICEPORT 4 MOV A 49H CALL CHANGE ANL A 07FH MOV LEDDATAPORT A CLR LEDCHOICEPORT 4 SETB LEDCHOICEPORT 5 MOV A 4AH 46 CALL CHANGE MOV LEDDATAPORT A CLR LEDCHOICEPORT 5 SETB LEDCHOICEPORT 6 MOV A 4BH CALL CHANGE MOV LEDDATAPORT A CLR LEDCHOICEPORT 6 SETB LEDCHOICEPORT 7 MOV P3 0FFH MOV A P3 ANL A KEYFUNCTION CJNE A 00H SECWAIT CLR EA 关闭 CPU 中断 MOV TCON 00H 关闭 T0 MOV 1EH 03H CALL CUTFIGURE WATTING FOR RELEASE KEY SECWATTING CALL SHOWLED MOV P3 0FFH MOV A P3 CJNE A 0FFH SECWATTING RET END MEASEURSECOND 将整数转换为要显示的 BCD 码 R4 R5 R6 R7 表示的大型整数转换为非压缩的 BCD 码 传来参数 1EH 1 form measure speed mode 2 from measure length mode 3 form measure second FUNCTION LED 显示格式 XX XX 单位 为长度时 m 为速度时 m s CUTFIGURE MOV 10H 0FH POINT TO MEMORY TO CUT FIGURE 47 CUTNUM START TO CUT NUMBER CLR A MOV R3 0AH MOV R2 A MOV R1 A DJNZ R2 MOVEDATA AJMP CUTFLOW CUTNOTFLOW 不溢出 调整存储个数和指向当前数组指 针 INC 4DH MOV A 4CH ADD A 04H MOV 4CH A CUTFLOW MOV R2 04H 要传送四个 BCD 码 MOV R1 4CH 4CH 指向当前工作的数组名地址 MOV A 1EH CJNE A 03H NOTFROMSEC MOV R0 48H 原 BCD 码串 AJMP NOTADJUST NOTFROMSEC MOV R0 08H 原 BCD 码串 MOV A 1EH CJNE A 01 NOTADJUST INC R0 INC R0 NOTADJUST MOV A R0 MOV R1 A INC R0 INC R1 DJNZ R2 NOTADJUST 设置当前 LED 要显示的信息位置 MOV A 4CH MOV 4FH A RET END CUTFIGURE 48 定时器 计数器的应用的子程序 使用 T0 向 WAVEPORT 的端口输出方波 F 41 7KHz 使用 T1 记录时间 R0 测量时间的标志字符 0FFH 表示距离溢出 0FH 表示距离有效 00H 表示测量准备 好状态 SETTIME 设置 T0 T1 子程序 并启用 MOV TMOD 12H T0 模式 2 T1 模式 1 MOV TH0 0F4H MOV TL0 0FFH MOV TH1 00H MOV TL1 00H MOV R0 00H 测量时间标志位清零 Ready 状态 MOV R1 01FH 设置发送脉冲的个数 MOV IE 10001110B 开 CPU 中断 10000010B MOV TCON 01010100B 启用 T0 T1 RET END SETTIME IT0P T0 中断服务程序 脉冲电平变反 CJNE R1 00H TWAVE RETI TWAVE DEC R1 CPL WAVEPORT RETI END IT0P IT1P T1 中断服务程序 测量距离溢出 MOV A 1EH CJNEA 03H NOTFORMSECOND MOV 1EH 03H 标志参数 INC 1FH FORM SECOND MODE T 10 000uS TH1 0D8H TL1 0F0H 49 MOV TH1 0D8H MOV TL1 0F8H RETI NOTFORMSECOND CLR EA 关闭 CPU 中断请求 MOV TCON 00H 关闭 T0 T1 MOV R0 0FFH 设置测量时间标志字符为溢出状态 RETI END IT1P INT1P INT1 外部中断请求服务程序 避开盲区后 停止测量 盲区 DELAYMIN DELAYMAX CLR EA MOV A TH1 采集 T1 时间 CLR C SUBB A DELAYMIN JC INTOK 未到达盲区 MOV A TH1 重新采集 T1 时间 CLR C SUBB A DELAYMAX JNC INTOK 已经过盲区 正处于盲区 继续开 CPU 中断进行测量 MOV P3 0FFH SETB EA AJMP ERROR INTOK MOV P3 0FFH MOV R0 0FH 设置测量时间标志字符为测量距离有效状态 CLR EA MOV TCON 00H 关闭 T0 T1 ERROR RETI END INT1 LED 数码管驱动子程序 50 使用扫描式显示法 4FH 为指向要显示的 LED 信息 进行