基于51单片机的超声波测距仪设计

江苏经贸职业技术学院江苏经贸职业技术学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 基于基于 MCS51MCS51 单片机的超声波测距仪设计单片机的超声波测距仪设计 系系 ( (院院) )信息技术学院 专业班级专业班级12 应用电子 学学 号号 1227031128 学生姓名学生姓名万小伟 校内导师校内导师董李江职职 称称老师 企业导师企业导师夏国平职职 称称工程师 企业导师企业导师潘仕美职职 称称研究生 2015 年 5 月 12 日 基于基于 MCS51MCS51 单片机的超声波测距仪设计单片机的超声波测距仪设计 摘要：伴随着社会的发展，人们的生活质量不断地提高，各个的城市不断地在发展， 当然城市的排水系统得到了很大的发展和改进，由于很多的原因和很多的因素，每个城 市的排水系统，现在的城市的发展和建设往往忽略一些重要的项目那就是排水系统。所 以好多的城市经常出现开挖已经建设好的建筑和工程设施来改进排水系统因此他们忽视 到这个问题的严重性。 因此，我的论文设计是采用以 AT89C51 单片机为核心的高精度、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它还有一个重要的指标那就是低成本一种的设计 方法。 通过一系列的实验反馈，这个软件设计的非常的合理、低成本、实时性良好，经过 开发和研究，因此在许多的方面得到很多的发展和有效的解决一些重要的问题比如在汽 车的倒车，建筑的工地上，还有一些重要的工业现场的重要的位置等等。 关键词：超声波 测距仪 AT89C51 The design of ultrasonic range finder based on MCS51 Abstract:With the development of science and technology, the improvement of peoples standard of living, speeding up the development and construction of the city. urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving. control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. At the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. Keywords: Silent Wave Measure Distance AT89S52 目 录 第一章第一章 绪论绪论 .- 1 - 11 课题设计的目的和意义 .- 1 - 1.2 超声波测距仪设计思路 .- 1 - 1.2.1 超声波测距原理及方案论证 .- 1 - 1.2.2 超声波测距仪原理框图 .- 2 - 第二章第二章 课程的方案设计课程的方案设计 .- 3 - 2.1 系统整体方案的设计 .- 3 - 第三章第三章 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 - 3.1 基于 51 系列单片机的功能特点 .- 3 - 3.2 单片机实现测距原理 .- 4 - 3.3 超声波测距原理和结构 .- 5 - 3.4 超声波检测发射电路 .- 5 - 3.5 超声波检测接受电路 .- 5 - 第四章第四章 系统的软硬件的调试和程序图系统的软硬件的调试和程序图 .- 6 - 总总 结结 .- 10 - 致致 谢谢 .- 10 - 参考文献 .- 11 - - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 11 课题设计的目的和意义课题设计的目的和意义 论文设计目的；随着社会的不断地发展，电子测量技术得到了长远的展，超声波的 精准测量得到了科技人员的重视和研究。随着城市的经济的发展，人们开始广泛的使用 电子测量技术，然而以精准著称的超声波走进了人们的生活中，超声波性价比高，功能 强开始得到人们的青睐。20HZ 的声波我们把它称为超声波。超声波和其他的机械波一样 拥有它传播的介质，比如在发生折射及反射现象分界面中的介质里传播，进入介质中传 播和不断发生衰减的现象。由于超声波具有这些特种和现象，因此把超声波用来测量距 离。通过实验我们知道超声波的准确性非常的高下面我会证明的，在现在我们的生活水 平和技术不断的开发，超声波测距技术也是我们不可或缺的一项科技它也融入到我们的 生活中。大多数的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，用于倒车，冷库的测量， 工程的测量，超声测距是一种非接触检测技术，不会受任何的介质和其他的一些物质受 到影响的所以我们可以放心使用，超声波还有一项很重要的性能那就是卫生没有污染， 当然除了卫生还有它非常的耐潮湿和耐高温以及对一些环境非常恶劣的情况下和一些腐 蚀的气体都不会受到任何的影响。所以具有好多西优秀的特征比如：少污染，可靠高， 和寿命长等等。因此矿业、电厂、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品、 防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等都得到了很大运用。水，糖，和一些我们常 喝的饮料中大大的改善我们生活的质量的保证。超声波在各种环境中可以有效地控制距 离的准确性还有好的企业直接很好地运用到。因此，因此超声波可以在不同的环境中有 着不同的应用和发展。用超声波检测通常快速便捷、方便、计算简单、很容易实现控制 等，而且在测量精度方面能达各种企业的发展的要求标准，因此超声波开发减轻人们负 担，提高准确性是一项重要的指标，在一些科技馆中我们看到很多的机器人可以准确的 避障碍物行走，就是因为机器人内部中装有超声波的准确测距，从而使得机器人很快的 获知障碍物的距离，方向等一系列的障碍因素。所以超声波在科技中得到了永久的发展 这是一座里程碑。所以超声波上具有的优点在各个行业都有举足轻重的发展，它代表着 人类的进步，发展，探知的一个重要的里程碑。 1.2 超声波测距仪设计思路超声波测距仪设计思路 1.2.1 超声波测距原理及方案论证 超声波传感器好和测距原理:通过科学家的研究结果表明把超过 20HZ 频率的声波称 之为超生波。通过超声波传感器发出来的声波和接受声波，我们称为超声波换能器或超 声波探头。在超声波中我们把它设计为超声波传感器里面拥有发射器和接受器.下面我解 释一下超声波传感器的一些重要的原理：我们利用压电的效应原理将压电效应出来的电 能和超声波传感器发出的超声波完美的相互转化，因此在发射超声波的时候，则将超声 - 2 - 波转化为电能，我们发射超声波的时候在它收回波时，我们就可以把超声波的震动转化 为电信号，这也是人类进步的一个标准。 我在解释一下超声波测距的原理是什么：超声波测距的原理我们一般采用的是叫渡 越时间简称为 TOF，首先我们要先测出我们已经发射超声时所遇到的障碍物往返所用的时 间 t，最后在和超声波所发射的速度相乘即就可以得到障碍物和二倍声源之间的距离。 根据要求和研究和它方面的因素，在超声波测距中我们一般都用叫动态扫描的一种 重要的方法从来成功的实现出 LED 的数字显示的功能，而在超声波测距里的结构我们用 的是 AT89C52 的单片机来实现的。原因是单片机的定时器可以完美的完成超声波的驱动 信号从而形成超声波的测距仪 图 1.2.1 超声波测距仪的系统框 1.2.2 超声波测距仪原理框图 超声波测距原理图 1.2.2 所示。超声波发出 40kHZ 的信号，随后进行放大，在经过 超声波发射器输出；超声波接收器可以汲取到超声波发射的信号，继而通过放大器的放 大效果，在用锁相电路举行检波处置后，最终驱动单片机的中止流程，继而得出这个时 段的时间 t，再由其他软件进行识别，从而得出它的距离送到 LED。 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 图 1.2.2 超声波测距仪原理框图 - 3 - 第二章第二章 课程的方案设计课程的方案设计 2.1 系统整体方案的设计系统整体方案的设计 因为超声波具有指向性强的一个重要的特征，所以在介质中超声波传布的间隔是比 较远的，于是在距离的测量上超声波得到了很大的运用。现在在一些农业生产上都可以 达到自动化的效果，因为他们有效合理的利用超声波测距的一些重要的指标加以实现自 动化的效果比如它设计方便，计算处理简单等等，大大的提高农业生产频率。可以看出 超声波在越来越多的领域上的得到发展和升华。 使用超声波的放射出和承受超是声波测距的理论，按照超声波流传的时间检测超声 波所传布的距离。所以它在很多仪器被运用其中有一种测距仪是将发射波被一些东西反 弹回来后吸收的反射波方式。 第三章第三章 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 基于基于 51 系列单片机的功能特点系列单片机的功能特点 我们知道在 5l 系列单片机中最经典的芯片也就是 AT89C2，它一般选用的是 40 引脚 双列直插拼装形式效果，在它的里面是由 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。 图 3.1 该系列单片机引脚与封装 5l 系列单片机可以供应下列功效：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。 - 4 - 掉电的形式：保留 RAM 的内容，振荡器停振，抑制芯片所有的其余的功效一直到下 一次硬件复位为止。 空闲的形式：CPU 停止工作，而让 RAM、定时计数器、串行口和中止系统不断地进 行工作的形式。 3.2 单片机实现测距原理单片机实现测距原理 我们知道通过单片机发出超声波测距是不断的检测超声波发射后所遇到额碰撞物障 和碍物所折射的回波，因此可以测出发射和回收回波的时间差为 tr，最后可以求出它的 距离为 SCt2，其中的 C 的定义为为超声波波速。 为了限制这个系统的最大可测距离一般存在 4 个重要的因素：超声波的幅度、反射 的质地、反射以及入射声波之间的夹角和接收换能器的灵敏度。为了增加超声波所测量 的覆盖范围以及减小测量误差度，所以一般可以采用多个超声波换能器分别作为多路超 声波发射和接收的设计方法。它的测量一般和温度有关。 图 3.2 几种温度速度 因为有测距时它的温度连续不断的变化可以看出，在通过温度传感器自动探测环境 温度下可以知道，肯定要计算距离时候的波速 C，以及比较精确地算出该环境下超声波通 过的路程，为了提升它的测量精确度。一般在波速确定后的时候，从而测得超声波往返 的时间 r，即而可以得出距离 5。 图 3.2.1 系统原理框 在单片机发出短暂的 40kHz 信号的时候，继而通过放大后通过超声波换能器输出； 在反射后的超声波通过超声波换能器作为系统的输入，在锁相环对此信号锁定，由于产 生锁定信号启动单片机中断程序，从而得出时间 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提示声 音报警电路报警。 - 5 - 3.3 超声波超声波测距原理和结构测距原理和结构 在任何一方向发射超声波的时候，同时开始计时在发射时刻的时候，可以知道超声 波在空气中不断的传播和发射，在途中碰到一些的障碍物就立即返回来，超声波接收器 立即停止计时。在空气中超声波的传播速度一般为 340m/s，根据记录的时间 t，则可以 计算出发射点距障碍物的距离(s)，公式为：s=340t/2 。 我们知道超声波易于定向方向性好、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。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。 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。 3.4 超声波检测发射电路超声波检测发射电路 利用 555 时基电路振荡产生超声波信号它的频率是 40HZ，使它的频率与换能器的 40kHz 固有频率一样 555 时基具有足够驱动能力是 12V 的电压。由单片机控制。 图 3.4 超声波发射电路原理图 3.5 超声波检测接受电路超声波检测接受电路 采用集成电路 CX20106A 是超声波接收电路，我们经常用的电视机红外遥控接收器。 是利用一款红外线检波接收超声波的专业芯片。设计者考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距超声波频率40KHz 比较的相近所以利用它我们把它作为超声波检测电路。通 过实验证明它具有较强的干扰能力和很高的灵活性。因此适当改变 C4的大小，就可以改 变接受电路的抗干扰能力以及灵敏度。 TRIG 2 Q 3 R 4p1.1p1.1 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 555 p1.1 3300P C5 0.1 C6 T R51k +12V 5k R6 - 6 - 第四章第四章 系统的软硬件的调试系统的软硬件的调试和程序图和程序图 超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器 TCT40-10F1 和 TCT40-10S1，40HZ 是它 的主要频率，从而保持在两换能器中心轴线平行并相距 48cm。 测距仪能测的范围为 0.083.00m，测距仪精度 1cm。是它的主要性能指标 下面是我写的一些程序的清单是用汇编语言编写的超声波测距控制源程序：先采用 AT89S52 单片机和 12z 晶振显示缓冲单元在，使用内存 44H、45H、46H 用于计算距离 20H 用于标志。 VOUT EQU P1.0; /脉冲输出端口 *中断入口程序* 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 *主程序* START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H; /4043H 为显示数据存放单元 MOV R7,#0BH CLEARDISP:MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H; /T1 为 8 位自动重装模式 MOV TH0, #00H; /65ms 初值 MOV TL0, #00H; /40KHz 初值 MOV TH1, #0F2H MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H； /超声波脉冲个数控制（为赋值的 一半） SETB PX0 SETB ET0 STEB EA CLR 00H SETB TR0 ;开启测距定时器 START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1; /收到反射信号时标志位为 1 CLR EA LCALL WORK； /计算距离子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ； /重新开启测距定时器 MOV R2, #64H ； - 7 - /测量间隔控制（约 4*100=400ms） LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP START 1 *中断程序* ;T0 中断，65ms 中断一次 INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0; /启动计时器 T0，用以计算超声波 来回时间 SETB TR1; /开启发超声波用定时器 T1 OUT: RETI ;T1 中断，发超声波用 INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1； /超声波发送完毕，关 T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0； /开启接收回波中断 RETIOUT: RETI ;外中断 0，收到回波时进入 PINT0: CLR TR0；关计数器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H, TL0 ； /将计数值移入处理单元 MOV 45H, TH0 SETB 00H；接收成 功标志 RETI *延时程序* DL1MS: MOV R6, #14H DL1: MOV R7, #19H DJNZ R6, DL1 RET *显示程序* DISPLAY：MOV R1, #40H;G MOV R5,#0F7H;G PLAY:MOV A, R5 MOV P0, #0FFH MOV P2, A MOV A, R1 MOV DPTR, #TAB MOVCA, A+DPTR MOVP0, A LCALL DLIMS INCR1 MOVA, R5 JNBACC.0, ENDOUT;G RRA MOVR5, A AJMPPLAY ENDOUT; MOVP2, #0FFH MOV P0, #0FFH RET TAB; DB 0C0H,0F9H,0A4H, 0B0H,99H,92H,82H,0F8H, 80H,90H,0FFH,88H,0BFH ；共阳数码管 0 ,1, 2,3,4,5,6,7,8,9/不亮 - 8 - *超声波距离的计算程序的公式 (=计算值17/1000cm) 一般的 WORK: PUSHACC 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 LCALLDIV4BY2 LCALLDIV4BY2 MOV 40H, R4 MOV A, 40H JNZ JJ0 MOV 40H, #0AH; /最高位为 0，不点亮 JJ0:MOV AR0 MOV R4, A MOV AR1 MOV R5 A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALLDIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A, 41H JNZ JJ1 MOV A, 40H； /这个高位为 0， 最先看看最高位是不是不亮 SUBBA, #0AH JNZ JJ1 MOV 41H, #0AH； /最高位不亮，次高位也不亮 JJ1: MOVA, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A42H JNZ JJ2 MOV A, 41H; /这个次高位为 0，最先看看次 高位是不是不亮 SUBBA, #0AH JNZ JJ2 MOV 42H, #0AH； /次高位不亮，次高位也不亮 JJ2:MOV 43H, R0 POP B POP PSW POP ACC RET *两字节无符号数乘法程序 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 - 9 - 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 MOV R1, A JNC MULLOOP2 MOV A, 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 *四字节/两字节无符号数除法程序 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 R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A CLR C MOV A, R0 SUBBA, R2 MOV B, A MOV A, R1 SUBBA, R3 JCDIVLOOP2 MOV R0, B MOV R1, A DIVLOOP2: CPL C DJNZ46H, DIVLOOP1 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