超声波测距仪的设计

哈哈 尔尔 滨滨 学学 院院 题题 目 目 超声测距仪的仿真设计超声测距仪的仿真设计 系系 部部 电子信息工程电子信息工程 专业专业 班级班级 电气自动化电气自动化 姓姓 名 名 蔡欢蔡欢 学学 号 号 1204310212043102 指指 导导 老老 师 师 雷冬飞雷冬飞 0 摘要 本论文主要阐述了 超声波测距 的原理 以芯片 AT89C52 及超声波传感 器测距模块为主导核心 运用所学软件 Protel DXP 2004 SP2 画出原理图 及 PCB 电路板 利用软件 Protues 进行调试与仿真 完成实物的制作 随着科 学技术的快速发展 超声波将在传感器中的应用越来越广 但就目前技术水平 来说 人们可以具体利用的传感技术还十分有限 因此 这是一个正在蓬勃发 展而又有无限前景的技术及产业领域 展望未来 超声波传感器作为一种新型 的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间 它将朝着更加高定位 高精度的方向发展 以满足日益发展的社会需求 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 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 本文介绍了 AT89C52 单片机的性能和特点 AT89C52 单片机可以简化设计 便于操作和直观读数 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 基于单片机设计的超声波测 距系统具有硬件结构简单 工作可靠 测量误差小等特点 并在分析了超声波 测距原理的基本上 指出了设计测距仪的思路和所需考虑的问题 对超声探测 器与工作方式进行选型 给出了实现超声波测距方案的软 硬件设计系统框图 整个软件采用模块化设计 由主程序 预置子程序 发射子程序 接收子程序 显示子程序等模块组成 并对软硬件进行调试 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 t 然后求出距离 S Ct 2 式中的 C 为超声波波速 关键词 关键词 超声波 测距 AT89C52 传感器 1 一 绪论 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AT89C52 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AT89S52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 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 信息技术主要包括计算机技 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 红外线传感器 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 利用单片机控制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 并且测量精度较高 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 2 课题主要内容 通过上节介绍我们知道 以单片机AT89C52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 2 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 电路的输出端接单片机的外部中断源输入口 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 在单片机的外部中断源输入口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 结 果输出给LED显示 3 二 超声波测距仪的原理及设计方案 1 超声波传感器及测距原理 1 1 超声波传感器 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 习惯上称 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 但一个超声 波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用 超声波传感器是利用压电效应 的原理将电能和超声波相互转化 即在发射超声波的时候 将电能转换成超声 振动发射超声波 而在收到回波的时候 则将超声振动转换成电信号 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的 超声波换能器内部 结构如图 1 所示 它有两个压电晶片和一个晶振板 当它的两极外加脉冲信号 其频率等于压电陶瓷片的固有震荡频率时 压电陶瓷片将会发生共振 并带动 共振板振动产生超声波 这时它就是一个超声波发生器 反之 如果两电极间 未外加电压 当共振板接收到超声波时 将压迫压电晶片做振荡 将机械能转 化成电信号 这时它就成为超声波接收换能器了 超声波发射换能器与接收换 能器其结构上稍有不同 使用时应分清器件上的标志 图 1 超声波传感器结构 超声波传感器里面有一个圆形的薄片 薄片的材料是塑料 在其正面涂了 一层金属薄膜 在其背面有一个铝制的后板 薄片和后板构成了一个电容器 4 当给薄片加上频率为 40kHz 电压为 200VAC pk pk 的方波电压时 薄片以同样 的频率震动 从而产生频率为 40kHz 的超声波 当接收回波时 超声波传感器 内有一个调谐电路 使得只有频率接近 40kHz 的信号才能被接收 而其它频率 的信号则被过滤 超声传感器发送的超声波具有角度为 30 度的波束角 如图 2 所示 图 2 波束角 1 2 超声波测距原理 1 2 1 超声波 超声波是人耳听不见的一种机械波 其频率在 20KHz 以上 波长较短 绕 射小 能够成为射线而具有一定的方向性来传播 超声波频率越高 就越与光 波的某些特性 如反射 扩散等 相似 超声波的这些特性使其在检测技术中 获得广泛的应用 图 3 声波的频率界限 表 4 超声波检测技术应用表 行业具体应用产品和事物 工业金属材料和部分非金属材料的探伤 超声振动切削加工 超声波清 洗零件 超声波焊接 超声波流量计 超声波料位及液位检测 浓 度检测 硬度计 5 通讯定向通讯 医疗超声波成像仪器 超声波血流计 超声波洁牙器等 家用电 器 遥控器 加湿器 防盗报警器 超声波驱虫器 其他盲人防撞装置 汽车倒车测距报警器 维修工程测距 计算用料 1 2 2 超声波测距方法 超声波是一种一定频率范围的声波 它具有在同种媒质中以恒定速率传播 的特性 而在不同媒质的界面 会产生反射现象 利用这一特性 就可以根据 测量反射波与发射波之间的时间间隔 从而达到测量距离的作用 其主要有三 种测量方法 相位检测法 相位检测法虽然精度高 但检测范围有限 声波幅值检测法 声波幅值检测法易受反射波的影响 渡越时间检测法 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF time of flight 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 倍的声源与障碍物之间的距离 即 2 ct D 其中 D 为传感器与被测障碍物之间的距离 c 为声波在介质中的传输速率 在空气中声波传波传输速率为 smTco 273 1c 其中 T 为绝对温度 smc 4 331 0 在测距精度不是很高的情况下 一般认为 c 为常数 340m s 超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器 传感器用一段时间发 射一串超声波束 只有待发送结束后才能启动接收 设发送波束的时间为 D 则在 D 时间内从物体反射回的信号就无法捕捉 另外 超声波传感器有一定的 惯性 发送结束后还留有一定的余振 这种余振经换能器同样产生电压信号 6 扰乱了系统捕捉返回信号的工作 因此 在余振未消失以前 还不能启动系统 进行回波接收 以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围 此 超声波最近可以测量 37cm 表 5 列出了几种不同温度下的声速 在使用时 如果温度变化不大 则可 认为声速是基本不变的 如果测距精度要求很高 则应通过温度补偿的方法加 以校正 表 5 不同温度下超声波声速表 温度 30 20 100102030100 声速 c m s 313 319325323338344349386 2 超声波测距仪的设计方案论证 2 1 超声波测距方式选择 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 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择 超声波传感器是一种采用 压电效应的传感器 常用的材料是压电陶瓷 由于超声波在空气中传播时会有 相当的衰减 衰减的程度与频率的高低成正比 而频率高分辨率也高 故短距 离测量时应选择频率高的传感器 而长距离的测量时应用低频率的传感器 2 2 超声波测距仪综合设计 根据设计要求并综合各方面因素 决定采用 AT89C52 单片机作为主控制器 用动态扫描法实现 LED 数字显示 超声波驱动信号用单片机的定时器完成 超 声波测距器的系统框图设计如图 6 所示 7 超声波接收 超声波发送 单片机控制器 LED 显示 扫描驱动 图 6 超声波测距电路原理框图 2 3 超声波测距仪电源设计 2 3 1 单相桥式整流及滤波电路 本电源采用单相桥式整流电路 它由四个整流二极管和负载组成 属全波 整流电路 因为它的二极管个数比单相半波整流增加了 结果使负载上的电压 与电流都比单相半波整流提高一倍 其它参数没有变化 2 3 2 集成稳压器 输入电源经过 VD1 VD4 桥式整流及平滑电容 C1 滤波后得到非稳定 8 12V 直流电压加到 7805 输入端 C2 为输入稳定电容 当稳压器输入阻抗降低时 防止发生振荡 可采用 0 1 1uF 的陶瓷电容 若平滑电容 C1 离 7805 很近时 此电容可省去 C3 为输出稳定电容 对于降低输出纹波 输出噪声及负载电流 变化的影响有较好的效果 采用 0 1uF 的陶瓷电容 此外 有时还接入保护二 极管电源原理图如图 7 图 7 电源原理图 D2 4007 D1 4007 D4 4007 D3 4007 1 2 P1 C1 470U C3 104 C4 104 Vin 1 GND 2 5V 3 U1LM7805VCC C2 100u 8 2 4 单片机概述及外围电路 众所周知 近几十年来微型计算机的发展速度是十分迅速的 其发展方向 主要有两个方面 其一是不断推出高性能的通用微型计算机系统 从 20 世纪 80 年代的 286 386 直到今天的 P4 字长已从原来的 8 位扩展到 64 位 CPU 的 处理速度和处理能力大大增强 先进的系统结构 使微机适合组成网络 通用 微型计算机系统主要用于信息管理 科学计算 辅助设计 辅助制造等 其二 是面向控制型应用领域的单片微型计算机的大量生产和广泛应用 如 Intel ZILOG NEC 等公司都生产单片微型计算机 由于单片机具有可靠性高 体积小 价格低 易于产品化等特点 因而在智能仪器仪表 实时工业控制 智能终端 通信设备 导航系统 家用电器等自控领域获得广泛应用 2 4 1 单片机的概念 单片微型计算机简称单片机 它是把组成微型计算机的各种功能部件 中 央处理器 CPU 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM I O 接口电路 定时器 计数器以及串行通信接口等制度在一块集成芯片上 构成一个完整的微型计算 机 单片机主要应用于控制领域 它的结构与指令功能都是按照工业控制要求 设计的 故又称控制器 Micro Controller Unit 在国际上 微控制器 的 叫法更通用些 在我国比较习惯 单片机 这一名称 由于单片机在应用时通常是被控制系统的核心并融入其中 即以嵌入的方 式工作 为了强调 嵌入 的特点 也常常将单片机称为嵌入式微控制器 2 4 2 AT89S52 系统单片机 AT89 系统单片机是 ATMEL 公司的 8 位 Flash 单片机系统 这个系统单片机 的最大特点是在片内含有 FLASH 存储器 而其他方面和 MCS 51 没有太大的区别 该系统有着十分广泛的用途 特别是在便携式 省电和特殊信息保存的仪器和 系统中显得更为有用 AT89C52 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令 系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储 9 单元 功能强大的微型计算机的 AT89C52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高 性价比的解决方案 AT89C52 具有如下特点 40 个引脚 8k Bytes Flash 片内程序存储器 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串 行通信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡 此外 AT89C52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模 式 空闲模式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可 继续工作 掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外 中断激活或硬件复位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 表 8 AT89S52 主要功能特性 兼容 MCS 51 指令系统8k 可反复擦写 1000 次 ISP Flash ROM 32 个双向 I O 口4 5 5 5V 工作电压 3 个 16 位可编程定时 计数器时钟频率 0 33MHz 全双工 UART 串行中断口线256x8bit 内部 RAM 2 个外部中断源低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式3 级加密位 看门狗 WDT 电路软件设置空闲和省电功能 灵活的 ISP 字节和分页编程双数据寄存器指针 图 9 AT89C52 管脚图 2 4 3 P1 P3 口功能 VCC 供电电压 10 GND 接地 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 地址的第八位 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 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下所示 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 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 11 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 2 4 4 控制信号引脚 ALE PROG 地址锁存允许 编程脉冲输入 在访问外部程序存储器和外部数据存储器时 该引脚输出一个地址锁存脉 冲 ALE 其下降沿可降低 8 位地址锁存于片外地址锁存器中 在编程时 向该引脚输入一个编程负脉冲 在正常操作时 该引脚输出恒定频率脉冲信号 ALE 其频率为晶振频率的 1 6 应注意 每访问一次片外 RAM 时 便会丢失一个 ALE 脉冲 PSEN 外部程序存储器读选通 低电平有效 当 AT89C52 执行片外程序存储器的指令代码时 PSEN 在每个机器周期内两 次有效 在访问外部数据存储器时 该脚无效 EA VPP 片外程序存储器访问允许 如果 EA 接地 则单片机只执行外部程序存储器的指令 地址为 0000H FFFFH 如果 EA 接 VCC 则单片机执行片内程序存储器的指令 0000H 1FFFH 如果需要 可自动转到执行片外程序存储器中的指令 2000H FFFFH 在 Flash 编程时 该引脚可连接 12V 的编程电源 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 是片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端 XTAL2 是片内振荡器反相放大器的输出端 12 振荡器和 时序 OSC 程序存储器 8KB ROM 数据存储器 256 8BRAM 3 16 位定 时器 计数器 AT89S52 CPU 64KB 总线 扩展控制器 可编程 I O 可编程全双 工串行口 外中断控制 并行 I O 口串行通信 内中断 外时钟源 外部事件计数 图 10 AT89C52 单片机功能方块图 AT89C52 的振荡器有两种组成方式 片内振荡器和片外振荡器 片内振荡 外器接晶体谐振器或陶瓷谐振器 片外振荡器 XTAL1 是外部时钟信号的输入 端 XTAL2 可悬空 由于外部时钟信号经过片内一个 2 分频的触发器才进入片 内时钟电路 因此对外部时钟信号的占空比没有严格要求 但高 低电平的时 间宽度应不小于 20ns 13 三 硬件电路的设计三 硬件电路的设计 超声波测距器的系统框图设计如图 11 所示 主要由单片机及数码管显示电 路 超声波发射电路 超声波接收电路组成 图 11 超声波测距器电路原理框图 1 电源电路 电源电路如图 12 所示 输入交流经 VD1 VD4 桥式整流及平滑电容 C1 滤波 后得到不稳定 8 12V 直流电压 经过稳压模块 7805 后稳定的直流电压 D2 4007 D1 4007 D4 4007 D3 4007 1 2 P1 C1 470U C3 104 C4 104 Vin 1 GND 2 5V 3 U1LM7805VCC C2 100u 图 12 电源原理图 2 单片机系统及显示电路 单片机系统及显示电路如图 15 所示 单片机采用 89S52 或其兼容系列 用 12MHz 高精度的晶振 以获得较稳定的时钟频率 减少测量误差 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 经反相器 后来控制超声波的发送 单片机利用外中断 0 口检测超声波接收电路输出的返 回信号 它不断检测 INT0 引脚的情况 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发 收所经历的时 间 通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离 显示用 4 位数码管 数码管位选信号用 PNP 三极管 8550 驱动 14 Q1 8550 Q2 8550 Q3 8550 Q4 8550 com1com2com3com4 P2 0P2 1P2 2P2 3 R1 1K R2 1K R3 1K R4 1K R51K R61K R71K R81K R91K R101K R111K a b c d e g f R121Kdp P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 com1 com2 com3 com4 A 1H F 2H 3H B 4H E D DP C G DS1 a b c d e g f dpVCC A0 2 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 A6 8 A7 9 B0 18 B1 17 B2 16 B3 15 B4 14 B5 13 B6 12 B7 11 E 19 DIR 1 U2 74HC245VCC 图 15 单片机系统及显示电路 3 超声波发射电路 超声波发射电路原理图如图 16 所示 发射电路主要由反向器 CD4069 和超 声波发生换能器 T 构成 单片机 P1 0 的端口输出 40KHz 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 用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端 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 图 13 数码管的原理图 图 14 数码管的结构图 VCC 15 34 U4B 4069 1110 U4E 4069 12 U4A 4069 98 U4D 4069 1312 U4F 4069 56 U4C 4069 C5 224 C10 224 1 2 T P1 0 图 16 超声波发射电路原理图 4 超声波 检测 接收电路 超声波 检测 接收电路原理图如图 17 所示 集成电路 CX20106A 是一款红 外线检波接收的专用芯片 常用于电视机红外遥控接收器 考虑到红外遥控常 用的载波频率 38KHZ 与测距的超声波频率 40KHZ 较为接近 可以利用它制作超 声波检测接收电路 实验证明用 CX20106A 接收超声波 无信号时输出高电平 具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力 适当更改电容 C4 的大小 可以改变 接收电路的灵敏度和抗干扰能力 1 2 R 1 2 3 4 5 6 7 8 U5 CX20106A R13 4 7R15 22K R14 200K C7 330P C6 563 C9 1UF C8 3 3UF C11 47UF P32 图 17 超声波 检测 接收电路原理图 5 超声波测距的算法 超声波测距的原理如图 18 所示 即超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超 16 声波信号 当这个超声波信号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 就可以计算出超声波发生器与反射物体的距离 图 18 超声波测距的示意图 距离的计算公式 d s 2 c t 2 3 1 其中 d 为被测物与测距器的距离 s 为声波的来回路程 c 为声波速度 t 为声波来回所用的时间 由于超声波也是一种声波 其声速 c 与温度有关 在 使用时 如果温度变化不大 则可认为声速是基本不变的 如果测距精度要求 很高 则应通过温度补偿的方法加以校正 17 四 四 软件设计软件设计 1 1 主程序主程序 主程序首先是对系统环境初始化 设定定时器 0 工作模式为 位定时计 数器模式 置位总中断允许位 并给显示端口 0 和 2 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 1ms 这也就是超声波测距器会有一个最 小测距离的原因 后 才打开外中断 0 接收返回的超声波信号 由于采用的是 12MHz 的晶振 计算器每计一个数就是 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 按式 4 1 计算 即 可得被测物体与测距器之间的距离 设计时取 20 时的声速为 344m s 则有 D c t 2 172T0 10000cm 4 1 其中 T0 为计数器 T0 的计数值 测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式送往 LED 显示约 0 5s 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算出距离 主程序采 用 C 语言编写 图 19 为主程序流程图 开始 系统初始化 显示结果 0 5s 发射超声波脉冲 计算距离 等待反射超声波 图 19 主程序流程图 18 系统程序流程图如图 20 所示 图 20 超声波测距程序流程图 工作时 微处理器 AT89C52 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 2 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 频率约为 40kHz 的方波 脉冲宽度为 12us 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 但要求程序运行时间准确 所以采用汇编语 言编程 超声波测距器主程序利用外中断 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 进入该中断程序后 19 立即关闭计时器 T0 停止计时 并将测距成功标志字赋值 1 如果当计时器溢出是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 以表示本次测距不成功 20 五 元器件清单及实物图 1 超声波测距仪元件清单 参数名称代号数量参数名称代号 数 量 470UC111KR1 R2 R3 R4 R16 R17 6 100uC214 7R131 104C3 C42220KR141 224C5 C10222KR151 223C614 7KR181 330PC71 轻触按键RST S1 S2 S3 S45 3 3UFC81蜂鸣器 有源 SP11 1UFC91超声波接收管R1 47UFC111 超声波发射管T1 10uFC121LM7805U11 30pCY1 CY2274LS245U21 4007D1 D2 D3 D4489C52U31 0 36 数码管 DS11 CD4069 74LS04U41 360 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 8CX20106AU51 10K 排阻 PR1112M 晶体振荡器Y11 8550 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 5 DC 电源插座 1 1P11 下载座JTAG11PCB 电路板1 IC 座 DIP14 1 IC 座 DIP40 1 IC 座 DIP20 1 21 2 实物图 22 六 安装与调试 1 安装 焊接元件到电路板上 按照先低后高 先小后大 先卧式后立式的顺序 正确插入元件 其高低 极性要符合规定 先从最低元件安装 应先安装 焊接跳线机及电阻 用电阻多余的脚做 跳线 电阻引脚不分正负 焊接时间最好控制在 2 3 秒 安装 焊接瓷片电容 瓷片电容部分正负极 安装 焊接轻触开关 安装 焊接三极管 三极管的外形基本一样 注意分青 且方向要和电 路板上的方向一致 安装 焊接 12MHZ 晶振 晶振没有正负极 安装 焊接电解电容 装的时候要躺着安装 立着会影响发光二极管的 显示不整齐 安装 焊接 20 脚 IC 插座 从用一小缺口或小圆点标记的地方以逆时 针数依次为 1 20 脚 安装时要注意缺口和电路上的缺口相一致 20 只引脚都 插到位后 先用手指按住 固定对角两只引脚 防止插入的引脚掉出来 再把 板放到桌面上把剩下的引脚焊好 焊好后不要急于插入单片机芯片 因为还有 其他元件焊接 防止电烙铁带静电击坏单片机芯片 安装 焊接蜂鸣器 安装 焊接 LED LED 和普通二极管一样 有正负极之分 不能装错 安装 焊接数码管 认识数码管内部结构 2 测试与调试 2 1 功能按键说明 k1 开始 暂停 按键 k2 设置 加 按键 23 k3 设置 减 按键 k4 设置开始 确认 按键 说明 K4 设置开始 确认 按键只有在测距暂停或者默认显示 5 00 的 时候按下才有效 其他情况按下无效 k2 设置 加 按键 只有在 K4 按下 设置开始时 数码管第一位显示 F 时 按下才有效 其他情况按下无效 k3 设置 减 按键 只有在 K4 按下 设置开始时 数码管第一位显示 F 时 按下才有效 其他情况按下无效 2 2 功能及操作说明 程序上电默认显示 5 00 表示测试默认测试距离是 5 米 按下 K1 开始 暂停 按键开始测试距离 开始测试后 数码管最高位灭 后三位显 示测距距离 程序上电默认显示 5 00 按下 k4 设置开始 确认 按键 设置开 始 数码管第一位显示 F 若按 K2 设置 加 按键 可测试距离加 0 5 米 若按下 k3 设置 减 按键 可测试距离减 0 5 米 再按下 k4 设置开始 确认 按键 设置确认 数码管第一位显示 再按一下 k1 测距开始 在正在测试距离时 按下 k1 开始 暂停 按键 测距暂停 数码显示 目前可测距离的最大值 按下 k4 设置开始 确认 按键 设置开始 数码管 第一位显示 F 若按 K2 设置 加 按键 可测试距离加 0 5 米 若按下 k3 设置 减 按键 可测试距离减 0 5 米 再按下 k4 设置开始 确认 按键 设置确认 数码管第一位显示 再按一下 k1 测距开始 当实测距离大于可测距离的最大值时 蜂鸣器报警 24 结束语 本论文借助于模数电技术和单片机技术的结合 解决了超声波测距的一些 难题 本毕业设计以 AT89C52为核心 灵活的运用超声波换能集成电路作为超 声波的接收电路 在讨论了超声波测距原理 硬件电路实现和软件设计方法基 础上 完成了超声波测距的设计要求 从课题选择 方案论证到具体设计 我 查阅了大量的资料 对一些疑难的问题 我得到了刘晓春老师和同学的帮助 在三年的学习和生活期间 也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀 我受 益匪浅 在此向老师们表示深深的感谢和崇高的敬意 软件 Protues 以及 Protel 的实际应用 不仅巩固了我们的专业知识 更扩 展了我们的思维 理论与实践的相结合 让我们真正了解并且认识了计数器的 设计仿真以及它的工作原理 充分调动了我们的积极性和学习热情 也让我明 白了细节的重要性 在设计的过程中 虽然出现了诸多的问题 有的地方我们 甚至直接不会 但每一步我们都会认真 仔细的去做 更会进行多次的检查 因为任何一步不正确或者不会 都将会影响着结果 更会让我们的努力白费 不积跬步何以至千里 本设计能够顺利的完成 也归功于各位任课老师的 认真负责 使我能够很好的掌握和运用专业知识 并在设计中得以体现 正是 有了他们的悉心帮助和支持 才使我的毕业论文工作顺利完成 在此向全体老 师表示由衷的谢意 感谢他们三年来的辛勤栽培 25 谢辞 本设计在老师的亲切关怀和悉心指导以及同学们的帮助下完成的 感谢老 师在此次毕业设计过程中给予我的悉心指导与各方面的帮助 她给了我许多非 常有益的建议和意见 使我在思路上得到了很大的开阔 从中认识到了自己存 在的不足 并且学到了很多非常宝贵的知识 她严谨的治学态度和踏实的工作 作风也给我留下了非常深刻的印象 我不仅学到了研究的方法 更令我明白了 一个很重要的道理 做学问应以科学严谨的态度 脚踏实地一步一个脚印地认 真去做 切不可好高鹜远急躁冒进 这些都使我受益匪浅 也极大的激励了我 使我能在紧张的时间里完成我的毕业设计并达到设计的要求 同时还要感谢给我们提供优越学习条件和优良仪器的各位任课老师 同时 也要感谢系里其它同学和我的朋友以及我同组的伙伴在设计中给我提供的帮助 和支持 最后感谢各位老师对我论文的悉心审阅与批评指正 26 参考文献 1 陈贵银 祝福电子工业出版社 单片机原理及接口技术 电子工业出版 社 出版年 2011 年 1 月 2 胡宴如 模拟电子技术 第三版 高等教育出版社 出版年 2008 年 6 月 3 杨志忠 数字电子技术 第三版 高等教育出版社 出版年 2008 年 6 月 4 韩广兴 韩雪涛等 电子产品装配技术与技能实训教程 电子工业出版 社 出版年 2006 年 5 月 5 郭勇 Protel DXP 2004 SP2 印制电路板设计教程 机械工业出版社 出版年 2009 年 4 月 6 李大寨 实用电子技术 科学出版社 出版年 2008 年 4 月 7 王卫平 陈栗宋 电子产品制造工艺 高等教育出版社 出版年 2005 年 9 月 27 附录一 超声波测距仪电路 PCB 板图 超声波测距仪 PCB 图正视图 超声波测距仪 PCB 图敷铜板 28 附录二 超声波测距仪的源程序 VOUT EQU P1 0 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI START MOV SP 4FH MOV R0 40H MOV R7 0BH CLEARDISP MOV R0 00H INC R0 DJNZ R7 CLEARDISP MOV 20H 00H MOV TMOD 21H MOV TH0 00H MOV TL0 00H MOV TH1 0F2H MOV TL1 0F2H MOV P0 0FFH MOV P1 0FFH MOV P2 0FFH MOV P3 0FFH MOV R4 04H SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0 START1 LCALL DISPLAY JNB 00H START1 SETB EA 29 CLR00H LCALL WORK SETB TR0 MOV R2 64H LOOP LCALL DISPLAY DJNZ R2 LOOP SJMP START1 INTT0 CLR EA CLR TR0 MOV TH0 00H MOV TL0 00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 SETB TR1 OUT RETI INTT1 CPL VOUT DJNZ R4 RETIOUT CLR TR1 CLR ET1 MOV R4 04H SETB EX0 RETIOUT RETI PINT0 CLR TR0 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H TL0 MOV 45H TH0 SETB 00H RETI DISPLAY MOV R1 40H MOV R5 0F7H PLAY MOV A R5 MOV P0 0FFH MOV P2 A MOV A R1 MOV DPTR TAB MOVC A A DPTR MOV P0 A LCALL DL1MS INC R1 MOV A R5 30 JNB ACC 0 ENDOUT RR A MOV R5 A AJMP PLAY ENDOUT MOV P2 0FFH MOV P0 0FFH RET TAB DB 0C0H 0F9H 0A4H 0B0H 99H 92H 82H 0F8H 80H 90H 0FFH 88H 0BFH DL1MS MOV R6 14H DL1 MOV R7 19H DL2 DJNZ R7 DL2 DJNZ R6 DL1 RET WORK PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW 18H MOV R3 45H MOV R2 44H MOV R1 00D MOV R0 17D LCALL MUL2BY2 MOV R3 03H MOV R2 0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV 40H R4 MOV A 40H JNZ JJ0 MOV 40H 0AH JJ0 MOV A R0 MOV R4 A MOV A R1 MOV R5 A MOV R3 00D MOV R2 100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H R4 MOV A 41H JNZ JJ1 MOV A 40H SUBB A 0AH JNZ JJ1 31 MOV 41H 0AH JJ1 MOV A R0 MOV R4 A MOV A R1 MOV R5 A MOV R3 00D MOV R2 10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H R4 MOV A 42H JNZ JJ2 MOV A 41H SUBB A 0AH JNZ JJ2 MOV 42H 0AH JJ2 MOV 43H R0 POP B POP PSW POP ACC RET MUL2BY2 CLR A MOV R7 A MOV R6 A MOV R5 A MOV R4 A MOV 46H 10H MULLOOP1 CLR C MOV A R4 RLC A MOV R4 A MOV A R5 RLC A MOV R5 A MOV A R6 RLC A MOV R6 A MOV A R7 RLC A MOV R7 A MOV A R0 RLC A MOV R0 A MOV A R1 RLC A 32 MOV R1 A JNC MULLOOP2 MOVA R4 ADD A R2 MOV R4 A MOV A R5 ADDCA R3 MOV R5 A MOV A R6 ADDCA 00H MOV R6 A MOV A R7 ADDCA 00H MOV R7 A MULLOOP2 DJNZ46H MULLOOP1 RET DIV4BY2 MOV 46H 20H MOV R0 00H MOV R1 00H DIVLOOP1 MOV A R4 RLC A MOV R4 A MOV A R5 RLC A MOV R5 A MOV A R6 RLC A MOV