用51单片机设计超声波测距系统的设计原理和电路(附源程序)

1、. ；. 基于基于5151单片机的超声波测距仪说明书单片机的超声波测距仪说明书 引言引言 超声波测距仪，可使用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工 业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场 合。利用超声波指向性强，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。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。 一、性能要求一、性能要求 该超声波测距仪，要求测量范围在0.08-3.00m，测量精度1cm， 测量时和被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。 二、工作原理及方案论证二、工作原理及方案论证 超声波传感器及其测距原理 超声波是

2、指频率高于20KHz 的机械波。用超声波传感器产生超 声波和接收超声波，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.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。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（timeofflight） 。 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和障碍物之间的距离。 根据要求并综合各方面因素，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

3、动信号用单片机的 定时器完成，超声波测距仪的系统框图如下图所示： 图1 超声波测距仪系统设计框图 三、系统硬件部分、系统硬件部分 硬件部分主要由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组成。 1.单片机系统及显示电路 单片机采用 AT89C52来实现对 CX20106A 红外接收芯片和 TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过 P1.1引脚发射脉 冲控制超声波的发送，然后单片机不停的检测外中断0口 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 传感器和障碍物之间的

4、距离。显示电路采用简单实用的4位共阳 LED 数码管，段码用74LS244驱动，位码用 PNP 三极管驱动。 单片机系统及显示电路如下图所示： . ；. XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/T

5、XD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 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 U1 AT89C52 Q1 9012 Q3 9012 Q4 9012 Q2 9012 1A0 2 1A1 4 1A2 6 1A3 8 2A0 11 2A1 13 2A2 15 2A3 17 1OE 1 2OE 19 1Y0 18 1Y1 16 1Y2 14 1

6、Y3 12 2Y0 9 2Y1 7 2Y2 5 2Y3 3 U2 74LS244 R 510 510 R1 4.7K R2 4.7K R3 4.7K R4 4.7K Vcc C1 3.3u XT1 12M S1 C3 20p R8 10K C2 20p GND 图2 单片机系统及显示电路 2.超声波发射电路 . ；. 利用555时基电路振荡产生40kHz 的超声波信号，使之和换能器 的40kHz 固有频率一致。12V 电源保证555时基具有足够驱动能力。 P1.1为超声波发射控制信号，由单片机控制。发射电路如图3所示： TRIG 2 Q 3 R 4p1.1p1.1 CVolt 5 THR 6

7、DIS 7 VCC 8 GND 1 555 p1.1 3300P C5 0.1 C6 T R51k +12V 5k R6 图3 超声波发射电路原理图 3.超声波检测接收电路 超声波接收电路采用集成电路 CX20106A，这是一款红外线检波 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 和测距超声波频率40KHz 较为接近，可以利用 它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗 干扰能力。适当改变 C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰 能力。 接收电路如图4所示： . ；. 图4 超声波接收电路图 四系统软件部分四系统软件部分 超声波测

8、距程序设计软件部分主要由主程序，超声波发射子程 序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。下面对超声波测距仪 的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介 绍。 1超声波测距仪的算法设计 下图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器 T 在某一时刻 发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被 超声波接收器 R 所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号 所用的时间，就可算出超声波发生器和反射物体的距离。 距离计算公式：d=s/2=(c*t)/2 . ；. *d 为被测物和测距器的距离，s 为声波的来回路程，c 为声速，t 为 声波来回所用的时间 2.主程序 主程序框

9、图如右图所示： 主程序首先对系统环境初始化，设置定 时器 T0工作模式为16位的定时计数器模 式，置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0和 P2清0。然后调用超声波发生子程序 送出一个超声波脉冲，为避免超声波从 发射器直接传送到接收器引起的直接波 触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会 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12MHz 的晶振，机器周期 为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）按下式计算即可测得被测物体和测距 仪之间的距离,设计时取20时的声速为344m/s 则有： d=(C*T0)

10、/2=172T0/10000cm（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 LED,然后再发超声波脉 . ；. 冲重复测量过程。 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 P1.1端口发送超声波发射控制脉冲 信号，同时把计数器 T0打开进行计时。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（INT0引脚 出现低电平)，立即进入中断程序。进入该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

11、成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。 五软硬件调试及性能五软硬件调试及性能 超声波发射和接收采用 15的超声波换能器 TCT40-10F1（T 发 射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心频率为40kHz，保持两换能器中 心轴线平行并相距48cm。 主要性能指标：测距仪能测的范围为0.083.00m，测距仪精度 1cm。 程序清单 以下是用汇编语言编写的超声波测距控制源程序： 采用 AT89S52 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

12、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（40 为最高位） 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，T0 为 16 位定

13、 时器 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

14、 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ；重新开启测距定时器 MOV R2, #64H ； 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 INTT

15、1: 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 DL2: DJNZ R6, DL2 DJNZ R6

16、, DL1 RET *显示程序* ;40H 为最高位，43H 为最低位，先扫描高位 DISPLAY：MOVR1, #40H;G MOVR5,#0F7H;G PLAY:MOVA, R5 . ；. MOVP0, #0FFH MOVP2, A MOVA, R1 MOVDPTR, #TAB MOVC A, A+DPTR MOVP0, A LCALL DLIMS INCR1 MOVA, R5 JNBACC.0, ENDOUT;G RRA MOVR5, A AJMPPLAY ENDOUT;MOVP2, #0FFH MOVP0, #0FFH RET TAB; DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,9

17、9H,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，A, *距离计算程序(=计算值17/1000cm) 近似 WORK:PUSHACC PUSHPSW PUSHB MOVPSW, #18H MOVR3, 45H MOVR2, 44H MOVR1, #00D MOVR0, #17D LCALL MUL2BY2 MOVR3, #03H MOVR2, #0E8H LCALLDIV4BY2 LCALLDIV4BY2 MOV40H, R4 MOVA, 40H JNZJJ0 MOV40H, #0AH ;最高位为 0，不

18、点亮 JJ0:MOVAR0 MOVR4, A MOVAR1 MOVR5 A MOV R3, #00D MOVR2, #100D LCALLDIV4BY2 MOV41H, R4 . ；. MOVA, 41H JNZJJ1 MOVA, 40H ；此高位为 0，先看最高位是否为不 亮 SUBB A, #0AH JNZJJ1 MOV41H, #0AH ； 最高位不亮，次高位也不亮 JJ1:MOVA, R0 MOVR4, A MOVA, R1 MOVR5, A MOVR3, #00D MOVR2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV42H, R4 MOVA42H JNZJJ2 MOVA, 41

19、H ;次高位为 0，先看次高位是否为不亮 SUBB A, #0AH JNZJJ2 MOV42H, #0AH ；次高位不亮，次高位也不亮 JJ2:MOV43H, R0 POPB POPPSW POPACC RET *两字节无符号数乘法程序 MUL2BY2:CLRA MOVR7, A MOVR6, A MOV R5, A MOVR4, A MOV46H, #10H MULLOOP1:CLRC MOVA, R4 RLCA MOVR4, A MOVA, R5 RLCA MOVR5, A MOVA, R6 RLCA MOVR6, A MOVA, R7 . ；. RLCA MOV R7, A MOV A,

20、 R0 RLC A MOVR0, A MOVA, R1 RLCA MOVR1, A JNCMULLOOP2 MOVA, R4 ADDA, R2 MOVR4, A MOVA, R5 ADDC A, R3 MOVR5, A MOVA, R6 ADDC A, #00H MOVR6, A MOVA, R7 ADDC A, #00H MOVR7, A MULLOOP2:DJNZ46H, MULLOOP1 RET *四字节/两字节无符号数除法程序* DIV4BY2:MOV46H, #20H MOVR0, #00H MOVR1, #00H DIVLOOP1: MOVA, R4 RLCA MOVR4, A M

21、OVA, R5 RLCA MOVR5, A MOVA, R6 RLCA MOVR6, A MOVA, R7 RLCA MOVR7, A MOVA, R0 RLCA MOVR0, A MOVA, R1 RLCA . ；. MOVR1, A CLRC MOVA, R0 SUBB A, R2 MOVB, A MOV A, R1 SUBB A, R3 JCDIVLOOP2 MOVR0, B MOVR1, A DIVLOOP2:CPLC DJNZ46H, DIVLOOP1 MOVA, R4 RLCA MOVR4, A MOVA, R5 RLCA MOVR5, A MOVA, R6 RLCA MOVR6,

22、 A MOVA, R7 RLCA MOVR7, A RET ; END 附 C51 程序 #INCLUDE #DEFINE UCHAR UNSIGNED CHAR #DEFINE UINT UNSIGNED INT #DEFINE ULONG UNSIGNED LONG EXTERN VOID CS_T(VOID); EXTERN VOID DELAY(UINT); EXTERN VOID DISPLAY(UCHAR*); /DATA UCHAR DISPLAY(UCHAR*); DATA UCHAR TESTOK; VOID MAIN (VOID) DATA UCHAR DISPRAM5;

23、DATA UINT I; DATA ULONG TIME; P0=0XFF; P2=0XFF; . ；. TMOD=0X11; IE=0X80; WHILE (1) CS_T(); DELAY(1); TESTOK=0; EX0=1; ET0=1; WHILE(! TESTOK) DISPLAY(DISPRAM); IF (1=TESTOK) TIME=TH0; TIME=(TIME8)| TL0; TIME*=172; TIME/=10000; DISPRAM0=(UCHAR) (TIME%10); TIME/=10; DISPRAM1=(UCHAR) (TIME%10); TIME/=10

24、; DISPRAM2=(UCHAR) (TIME%10); DISPRAM3=(UCHAR) (TIME/10); IF (0=DISPRAM3) DISPRAM3=17; ELSE DISPRAM 0=16; DISPRAM 1=16; DISPRAM 2=16; DISPRAM 3=16; FOR (I=0;I300;I+) DISPLAY(DISPRAM); VOID CS_R(VOID) INTERRUPT 0 TR0=0; ET0=0; EX0=0; TESTOK=1; VOID OVERTIME(VOID) INTERRUPT 1 EX0=0; TR0=0; . ；. ET0=0;

25、 TESTOK=2; NAME CS_T ?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODE PUBLIC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_T CS_T: PUSH ACC MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV A, #4D SETB TR0 CS_T1: CPL p1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ ACC,CS_T1 POP ACC RET ; END NAME DELAY ?PR?_DELAY?DELAY SEGMENT CODE PUBLIC _DELAY RSEG ?PR?_DELAY?DELAY _DELAY: PUSH ACC MOV A,R7