超声波测距仪防撞系统

1、超声波测距仪防撞系统 一、原理介绍 1超声波测距器的系统框图 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用STC89C52单片机作为主控制 器，用动态扫描法实现LCD 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 图如下图所示 1.1超声波测距原理 发射器发出的超声波以速度u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。

2、表1-1超声波波速与温度的关系表 温度C） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速（m / s） 313 319 325 323 338 344 349 386 1.2超声波测距仪原理框图如下图 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 LCD显示。 图1-1超声波测距仪原理框图 1.3课题设计的任务和要求 设计一超声波测距仪，任务： (1) . 了解超声波测距原理。 (2) .根据超声波测距原理，设计

3、超声波测距器的硬件结构电路。 设计一超声波测距仪，要求： 设计出超声波测距仪的硬件结构电路。 对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与 接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。 对设计的电路进行分析。 以数字的形式显示测量距离 2系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括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。单片机采用 AT89C51 或其兼 容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小 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 口监测超声波接收电路输出的返回信号。

4、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8550驱动。 2.1 51 系列单片机的功能特点及测距原理 2.1.1 51 系列单片机的功能特点 51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 的工/ O端 I : IP0, P1, P2, P3, 个全双功串行通信口等组成。 特别是该系列单片机片内的 Flash 可编 程、可擦除只读存储器（EPROM）使其在实际中有着十分广泛的用途， 在便

5、携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。 该系列单 片机引脚与封装如图 2-1 所示。 P1. 0 40 3 Vcc Pl. 1 q 39 P0. O/ADO P1. 2 38 J P0+ 1/AD1 P1. 3 q 37 P0. 2/AD2 P1.4 3 / 首先拉低脉冲输入引脚 EA=1;/ 打开总中断 O TMOD=Ox1O; / 定时器 1，16 位工作方式 while(1) delay(1OO); beep=1; EA=O; / 关总中断 Trig=1; / 超声波输入端 delay_20us(); /延时 20us Trig=O; /产生一个20us的脉冲 while(Ec

6、ho=0); /等待Echo回波引脚变高电平 succeed_flag=0; /清测量成功标志 EA=1; EX0=1; /打开外部中断 0 TH1=0; /定时器 1 清零 TL1=0; / 定时器 1 清零 TF1=0; /计数溢出标志 TR1=1; /启动定时器 1 delay(20); /等待测量的结果 TR1=0; /关闭定时器 1 EX0=0; /关闭外部中断 0 3.2 主程序流程图 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图 3-1 (a)(b) (c) 所示 主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射， 外部中断服务子

7、程序主 要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。 （a）主程序疣程图 （b）定时中勤服务子稈序 （C）外部中斷服芻子稈序 图37趟声波测距系统的歎件设计 主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器TO工作模式为16位定时计数 器模式。置位总中断允许位 EA并给显示端口 P0和P1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 0.1 ms （这也就是超声波测距仪会有一个最小可测 距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12 MHz 的晶 振，计数器每计一个数就是1卩s,当主程序检测到接收成功

8、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（2）计算，即可得被测物 体与测距仪之间的距离，设计时取 20T时的声速为344 m/s则有： d=（c x t）/2=172T 0/1000mm 其中，T0为计数器T0的计算值。 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 序米用C语言编 写。 3.3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 P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号 （频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12“左右，同时把计数器T0打开进行计

9、时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。 超声波测距仪主程序利用外中断 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，并将测距成 功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 I

10、C3A 的输入端，中断源的识别由程 序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下： 3系统硬件电路设计 31 单片机系统及显示电路 单片机采用 STC89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶 振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用 P10 端口 输出超声波转化器所需的 40KHz 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。 超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中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，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48c

11、m,其余元件无特殊 要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来， 则可提高抗干扰能力。 根据测 量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小，以获得 合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后， 便可将程序编译好下载到单片机试运 行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的 间隔时间， 以适应不同距离的测量需要。 根据所设计的电路参数和程序， 测距仪 能测的范围为0.075.5m,测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量 误差和重复一致性进行多次实验分析， 不断优化系统使其达到实际使用的测量要 求。 、扩展思路 将基于 51

12、单片机的流水灯系统连接到测距仪上，使其在危险距 离开始闪烁报警。超出安全距离将不与工作。 总结 由于时间和其它客观上的原因， 此次设计没有做出实物。 但是对设计有一个 很好的理论基础。 设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波， 实现超声 波的发送与接收， 从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。 以数字的形式显 示测量距离。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受， 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

13、式。 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括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。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。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 口监测超声波接 收电路输出的返回信号。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8550驱动。 超声波发射电路主要由反相器 74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机 P1.0端口输出的40kHz的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

14、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。 输出端采 两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O 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， 缩短其自由振荡时间。 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 超 声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。 当它的两极外加脉冲信号， 其频 率等于压电晶片的固有振荡频率时， 压电晶片会发生共振， 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，如果两电极问未外加电压，当 共振板

15、接收到超声波时， 将压迫压电晶片作振动， 将机械能转换为电信号， 这时 它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不 同，使用时应分清器件上的标志。 超声波检测接收电路主要是由集成电路 CX20106组成，它是一款红外线检波 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38 kHz与测距的超声波频率40 kHz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CX20106接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏 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。 超声波测距仪的软件设计

16、主要由主程序、 超声波发生子程序、 超声波接收中 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且容易精细计算程序运行的时间， 而超声波测距仪的 程序既有较复杂的计算（计算距离时） ，又要求精细计算程序运行时间（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。主超声波测距仪主 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

17、中断0关闭，并将测距成功标志字赋值 2以表示 此次测距不成功。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高， 左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先 级为先右后左。 超声波测距的算法设计原理为超声波发生器 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， 就可算出超声 波发生器与反射物体的距离。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