基于单片机超声波测距毕业论文.doc

I 成都理工大学成都理工大学 毕业设计（论文）报告毕业设计（论文）报告 题目 基于单片机技术的超声波测距 院 系：核技术及其自动化学院 专业：电气工程及其自动化 学 号 200706050322 姓 名 廖雷 指导教师 李琳琳 起讫日期 Comment 户户户户1: 这一段要精简一 下，摘要主要写的是论文的工作 II 超声波测距仪的设计 The design of a Silent Wave Measure Distance 摘 要 近二、三十年,特别是近十年来，由于电子科学技术及压电陶瓷材料技术的发 展，使得超声检测技术得到了非常迅速的发展。超声波具有的聚束、定向以及反射、 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、反射、衰减、 声阻抗等）来实现对非声学量（如浓度、弹性、密度、硬度、粘度、强度、温度、 流速、液位、流量、厚度、缺陷等）的测定。该系统是以空气中超声波的传播速度 为条件,利用反射超声波测量的待测距离。已经在介绍了单片机性能和特点的基础 上，分析超声波测距的发展及其基本原理，介绍传感器的原理及特性。超声波测距 技术可以选用液体，固体，气体来作为传声媒质，因此有较大的适应性。超声波测 距仪，可以应用在汽车倒车、建筑施工工地及其一些工业现场位置监控，也可用于 如液位、管道长度、井深的测量等场合。 本文的设计是采用以 AT89S52 单片机为核心的、低成本、高精度微型化数字 显示的软件设计和硬件电路方法。整个设计电路采用模块化的设计，由主程序、发 射子程序、预置子程序、显示子程序、接收子程序等模块组成。各发射接收探头的 信号经单片机 AT89S52 综合分析处理，能够实现超声波测距仪的各种功能。 III 在这些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。相关部分附有硬件电路图、程序流程图，经实验证明，这套系统软硬件设计 合理、实时性良好、抗干扰能力强，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒 车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。 关键词：关键词：AT89S52; 超声波；测距超声波；测距 IV Abstract As technology development needs, increasing living standards improve, speed up urban development, urban water supply and drainage system also has a larger development, continuous improvement of their condition. However, reaction time due to historical reasons to live many unforeseen factors, the drainage system is often lag behind urban development, particularly in urban water supply and drainage system. Therefore, the excavation often a good building facilities have been built to transform the phenomenon of the drainage system. Urban sewage has brought trouble to the people, so to clear the box culvert on the city sewage treatment water supply and drainage systems, human comfort is very important. Ultrasonic distance measurement can not only point and continuous ranging, and can facilitate the provision of telemetry and remote control signals required. Ultrasonic distance measurement techniques can use gas, liquid, solid as a sound transmission medium, and thus have greater flexibility. Ultrasonic ranging device, can be applied to car parking, construction sites and the location of some industrial-site monitoring can also be used such as the level, depth, pipe length measurement occasions. This design is the use of the AT89S52 microcontroller as the core, high-precision, low- cost miniaturized ultrasonic range finder digital display software design and hardware methods. The design circuit modular design, the main program, launch routine, preset routines, display routines, receiving subprogram modules. The transmitting and receiving signals by the microcontroller AT89S52 probe comprehensive analysis and processing, to achieve the various functions of ultrasonic range finder. On this basis, the overall design of the system program, and finally achieved through various hardware and software modules. With the relevant parts of the hardware schematics, process flow chart, the experiment proved that this system of hardware and software design is reasonable, good real time anti-interference ability, through system expansion and upgrades, can effectively solve the car parking, construction sites and some the location of industrial site monitoring. Key words:AT89S52; Silent Wave；Measure Distance 1 目录目录 1 1 绪绪 论论 .1 1 1.1 超声波简介 .1 1.2 超声波的产生 .1 1.3 超声波的发展 .2 2.2. 超声波测距仪的总体构想超声波测距仪的总体构想 .2 2 2.1 设计超声波测距仪目的.3 2.1.1设计的目的.3 2.1.2设计的意义.3 2.2 超声波测距仪的设计思路 .4 2.2.1超声波测距原理.4 2.2.2 超声波测距仪原理框图.4 3 3 系统的硬件结构设计系统的硬件结构设计 .5 5 3.1 系统整体方案的设计 .6 3.2 52 系列单片机的功能特点及测距原理.7 3.2.1 52系列单片机的功能特点.7 3.3 超声波测距系统的硬件电路设计 .9 3.3.1单片机系统及显示电路.10 3.3.2显示的输出.10 3.3.3 超声波发射电路.12 3.3.5 超声波检测接收电路.13 4 4 系统软件的设计系统软件的设计 .1313 4.1 超声波测距仪的算法设计 .13 4.2 主程序流程图 .16 4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 .18 4.4 系统的软硬件的调试 .18 4.5 误差来源分析 .19 总总 结结 .1919 致致 谢谢 .2121 参考文献参考文献 .2222 附附 录录 .2323 Comment 户户户户2: 格式要修改，包 括封皮、摘要、目录和章节编号 1 1 绪 论 超声波是指超过人的能听到得声波频率以上(16KHZ)。近一、二十年,特别是近 十年来，由于电子科学技术及压电陶瓷材料的快速发展，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。 1.1 超声波简介超声波简介 人类能听到的声波频率为 2020000Hz。当声波的振动频率大于 20KHz 或者小 于 20Hz 的时候，我们就听不见了这种声波了。因此，我们将频率高于 20000HZ 的 声波称为“超声波” 。现在人们通常用于医学诊断的超声波的频率为 15 兆 HZ。 现代理论研究表明,在声波的振幅相同的条件下,物体振动的能量与振动频率成 正比,超声波在媒介中传播时,介质的质点振动频率越高,因而能量就越大.在我国北 方天气干燥的冬季,如果把超声波通入水中,剧烈的振动就会使罐中的水破碎成很多 小雾滴,再使用小风扇把雾滴吹入室内,这样就可以增加室内空气湿度.这就是超声 波加湿器的原理.又如咽喉炎、气管炎等疾病,是很难利用血流使药物到达患病者的 部位.利用加湿器的原理,可以先把药液雾化,让患病者吸入,能够有效的提高疗效. 除此之外，利用超声波发出的巨大的能量还可以将人体内的结石做剧烈的受迫振动 而破碎，以此来减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，像 现在的彩超、B 超、碎石（例如胆结石、肾结石祛眼袋 之类的）等。 1.2 超声波的产生超声波的产生 声波是物体机械振动时的状态（或能量）的传播形式。所谓振动就是指物质的 2 质点在其平衡位置附近进行的往返运动。例如，鼓面经过敲击后，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。超声和可闻声波本质上是一样 的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常是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（即每秒振动 1 次为 1Hz，1 兆 Hz=106Hz）. 超声波在媒质中的反射、衍射、折射、散射等传播规律，与可闻声波的规律并 没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几毫米，甚至千分之几毫米。与 可闻声波比较，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，这一特性就越显著。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。 频率高于 2104HZ 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。 1.3 超声波的发展超声波的发展 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 超生波和接收超声波。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，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。测量距离的方法有很多种，短距离的可以用 尺，远距离的有激光测距等，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 340 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以 用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且 在测量精度方面也能达到要求。 2. 超声波测距仪的总体构想 Comment 户户户户3: 自己把关，文章 里有没有直接拷贝粘贴的段落？己的 语言有请务必用自重新叙述一次。 3 2.1 设计超声波测距仪目的设计超声波测距仪目的 2.1.1 设计的设计的目的目的 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目 前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，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，超声波测距仪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，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满 足水中武器实施全隐蔽攻击的需要。 无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集 成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能 发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪 将发挥更大的作用。 2.1.2 设计的意义设计的意义 近二、三十年,特别是近十年来，由于电子科学技术及压电陶瓷材料技术的发 展，使得超声检测技术得到了非常迅速的发展。超声波具有的聚束、定向以及反射、 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、反射、衰减、 声阻抗等）来实现对非声学量（如浓度、弹性、密度、硬度、粘度、强度、温度、 流速、液位、流量、厚度、缺陷等）的测定。该系统是以空气中超声波的传播速度 为条件,利用反射超声波测量的待测距离。已经在介绍了单片机性能和特点的基础 上，分析超声波测距的发展及其基本原理，介绍传感器的原理及特性。超声波测距 技术可以选用液体，固体，气体来作为传声媒质，因此有较大的适应性。超声波测 距仪，可以应用在汽车倒车、建筑施工工地及其一些工业现场位置监控，也可用于 Comment 户户户户4: 行距有问题 4 如液位、管道长度、井深的测量等场合。 2.2 超声波测距仪的设计思路超声波测距仪的设计思路 2.2.1 超声波测距原理超声波测距原理 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 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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 331.45 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0MHZ 晶振，所以此系统的测量 精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以 用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且 在测量精度方面也能达到要求。 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。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 1-1 超声波波速与温度的关系表 温度（）-30-20-100102030100 声速 （ms） 313319325323338344349386 2.2.2 超声波测距仪原理框图超声波测距仪原理框图 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，用锁相环电路进行检波处理后，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。 Comment 户户户户5: 什么的时序图？ 5 图 1-1 超声波测距仪原理框图 3 系统的硬件结构设计 由单片机 AT89S52 编程产生 40kHz 的方波，由 P3.6 口输出，再经过放大电路， 驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声 波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单 片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障 碍物的距离,并由单片机控制显示出来。 该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和 LED 显示器组成。 传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出 端与显示电路输入端相连接。其时序图如图 1-2 所示。 图 1-2 时序图 单片机在 T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一 负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即 6 可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。 3.1 系统整体方案的设计系统整体方案的设计 超声传感器是一种是将把超声能转变同频率的其他形式的能或其他形式的能转 变为所需频率的超声能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即流体动力型与 电声型。电声型主要有：1 压电传感器；2 静电传感器； 3 磁致伸缩传感器。流体 动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声 传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同。 传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振 动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起 的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为 超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要 的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。 在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，在压电陶瓷晶片上加有 频率为 f0 交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒 介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生 机械变形，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大 小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，这种机械 变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同 的电信号。 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等 组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波 检测装置的重要组成部分。压电材料分为压电陶瓷和晶体两类。属于晶体的如石英， 铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：对这种材 料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场；相反，把这种 材料置于电场之中，它就产生一定的应变；所以，只要对这种材料加以交变电场， 它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感 7 器。 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；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。 3.2 52 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 3.2.1 52 系列单片机的功能特点系列单片机的功能特点 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可 编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程， 亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决 方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬 件复位为止。 P P0 0 口口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 Comment 户户户户6: 哪里有表 2？ 8 8 个 TTL 逻 辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部 程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下， P0 不具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程 序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 P P1 1 口口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲 器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉 高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部 电阻的原因，将输出电流（ IIL） 。 此外，P1.0 和 P1.1 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（ P1.0/T2）和定时 器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） 。 在 flash 编程和校验时， P1 口接收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能： P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） 定时器 2 寄存器：寄存器 T2CON 和 T2MOD 包含定时器 2 的控制位和状态位 （如表 2 和表 3 所示），寄存器对 RCAP2H 和 RCAP2L 是定时器 2 的捕捉/自动重 载寄存器。 中断寄存器：各中断允许位在 IE 寄存器中，六个中断源的两个优先级也可 在 IE 中设置。 表 2 T2CON：定时器/计数器 2 控制寄存器 T2CON 地址为 0C8H 复位值：0000 0000B 位可寻址 Comment 户户户户7: 此图明显是复制 的，请自己修改 9 3.3 超声波测距系统的硬件电路设计超声波测距系统的硬件电路设计 本系统的特点是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，单片机选用 AT89S52，经济易用，且片内有 4K 的 ROM，支持在线下 载功能，便于编程。电路原理图如图 2-4 所示。 电路原理图：电路原理图： Comment 户户户户8: 用自己的电路原 理图。 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 JTAG1 SCK MISO MOSI RST VCC D2D1 D4D3 1 2 P1 C1 C3C4 Vin 1 GND 2 +5V 3 U1VCC C2 P1_0 (TIM2) 1 P1_1 (TIM2EX) 2 P1_2 3 P1_3 4 P1_4 5 P1_5 (MOSI) 6 P1_6 (MISO) 7 P1_7 (SCK) 8 RESET 9 P3_0 (RXD) 10 P3_1 (TXD) 11 P3_2 (INT0) 12 P3_3 (INT1) 13 P3_4 (TIM0) 14 P3_5 (TIM1) 15 P3_6 ( WR ) 16 P3_7 ( RD ) 17 X2 (OUT) 18 X1 (IN) 19 GND 20 P2_0 (A8) 21 P2_1 (A9) 22 P2_2 (A10) 23 P2_3 (A11) 24 P2_4 (A12) 25 P2_5 (A13) 26 P2_6 (A14) 27 P2_7 (A15) 28 PSEN 29 ALE / PROG 30 VPP / EA 31 P0_7 (AD7) 32 P0_6 (AD6) 33 P0_5 (AD5) 34 P0_4 (AD4) 35 P0_3 (AD3) 36 P0_2 (AD2) 37 P0_1 (AD1) 38 P0_0 (AD0) 39 VCC 40 U3 12 Y1 CY1 CY2 RST VCC VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PR1 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 VCC C12 RST Q1Q2Q3Q4 com1com2com3com4 P2.0P2.1P2.2P2.3 1 2 3 J2 P30 GND VCC S1 S2 S3 S4 R16 R1R2R3R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R18 a b c d e g f R12dp 34 U4B 1110 U4E 12 U4A 98 U4D 1312 U4F 56 U4C C5 C10 1 2 T 1 2 R 1 2 3 4 5 6 7 8 U5 R13 R15R14C7 C6 C9 C8 C11 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 SCK MISO MOSI P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P2.7 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 P2.6 P2.5 P2.4 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 RST P36 P34 P35 com1 com2 com3 com4 P32 P1.0 Q5P31 SP1 VCC R17 A 1H F 2H 3H B 4H E D DP C G DS1 a b c d e g f dpVCC P37 VCC 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 VCC VCC 图 4-4 超声波测距电路原理图 硬件电路可分为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。 3.3.1 单片机系统及显示电路单片机系统及显示电路 本系统采用 AT89S52 来实现对超声波传感器的控制。单片机通过 P1.0 引脚经 反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停地检测 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。 超声波测距的硬 件示意图如图 3 所示： 单片机采用 89S52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，已获得较稳定 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，利用外中断 0 口检测超声波接收电路输出的返回信号。 Comment 户户户户9: 图片编号的具体 方法要参照群里共享的指导文件 Comment 户户户户10: 格式不对 11 3.3.2 显示的输显示的输出出 显示的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到 CRT 显示器等，都可以与微 机连接。其中单片机应用系统最常用的显示是发光二极管数码显示器（简称 LED 显 示器）。液晶显示器简 LCD。LED 显示器价廉，配置灵活，与单片接口方便，LCD 可 显示图形，但接口较复杂成本也较高。 该电路使用 7 段 LED 构成字型“8”，另外还有一个发光二极管显示符号及小 数点。这种显示器分共阳极和共阴极两种。这里采用共阳极 LED 显示块的发光二极 管阳极共接，如下图 1 所示，当某个发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管 亮。它的管脚配置如下图 2 所示。 实际上要显示各种数字和字符，只需在各段二极管的阴极上加不同的电平，就 可以得到不同的代码。这些用来控制 LED 显示的不同电平代码称为字段码（也称段 选码）。如下表为七段 LED 的段选码。 表 3-1 七段 LED 的段选码 显示字符共阳极段选码 dp gfedcba 显示字符共阳极段选码 dp gfedcba 0 C0H A 88H 1 F9H B 83H 2 A4H C C6H 3 B0H D A1H 4 99H E 86H 5 92H F 8EH 图 1 图 2 VCC 12 6 82H P 8CH 7 F8H y 91H 8 80H 8. 00H 9 90H “灭” FFH 本系统显示电路采用简单实用的 4 位共阳 LED 数码管，位码用 PNP 三极管 8550 驱动。单片机系统显示电路如图 3 所示。 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 3 单片机系统及显示电路 3.3.3 超声波发射电路超声波发射电路 超声波发射电路原理图如图 4 所示。发射电路主要有反向器 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 13 强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻 R10，R11 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，缩短其自由震荡的时间。 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 4 超声波发射电路原理图 3.3.5 超声波检测接收电路超声波检测接收电路 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（如图 5）。实验证明用 CX20106A 接受 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。 14 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 5 超声波检测接收电路原理图 4 系统软件的设计 超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接受中断 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并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序 既有较复杂的计算（计算距离时），有要求精确计算程序运行时间（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。下面对超声波测距器的算法 、主程序、超声波发生子程序和超声波接收断程序逐一介绍。 4.1 超声波测距仪的算法设计超声波测距仪的算法设计 图 6 示意了超声波测距的原理，即超声波发生器 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。 15 图 6 超声波测距的示意图 距离的计算公式： d=s/2=(c*t)/2 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，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： TMOD=0X01; /T0 计数，方式 1 TH0=0; /计数初值 TL0=0; /计数初值 IT0=1; /INT0 负脉冲触发 EA=1; /开总中断 EX0=1; /开外部 INT0 中断 AGAIN=1; WHILE(1) UCHAR X; IF(ON=0) /启动键处理 DELAY1MS(5); /按键消抖 IF(ON=0) ONOFF=1; /启动 T R 16 WHILE(ON); /等待按键释放 IF(OFF=0) /停止键处理 DELAY1MS(5); /按键消抖 IF(OFF=0) ONOFF=0; /停止 WHILE(OFF); /等待按键释放 IF(ONOFF) OUT=0; /产生方波,输出低电平 DELAYS(); /延时 产生几个微秒的低电平,让模拟反射的单片 机能正确接收信号 OUT=1; /恢复高电平,停止模拟发射 TH0=0; TL0=0; AGAIN=0; TR0=1; /T0 开始计数 FOR(X=0;X20;X+) DISPLAY(); /数码管显示 IF(AGAIN=0) BWEI=SHWEI=GWEI=0; ELSE 17 BWEI=SHWEI=GWEI=10; VOID INT0(VOID) INTERRUPT 0 USING 1 /INTO 中断服务程序 FLOAT COUNT; ULONG NUM; TR0=0 ; /停止计数 COUNT=(TH0*256+TL0)/2; NUM= (COUNT/10000)*344; /计算超声波来回距离 /