基于51单片机超声波测距器设计-Read

1、基于51单片机超声波测距器设计、设计要求设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车、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。要求测量范围在010-3. 00m，测量精度1cm,测量时与被测物体无 直接接触，能够清 晰稳定地显示测量结果。、设计思路超声波传感器及其测距原理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

2、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T0F(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 12.0M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

3、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。超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一 类 是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压 电式超声波换能器来实现。根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51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如下图所示：超声波测距器系统设计框图三、系统组成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。采用AT89S51

4、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P1.0引脚经反相器来 控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INTO引脚，当INTO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。软件部分主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子 程序等部分。四、系统硬件电路设计1. 单片机系统及显示电路单片机采用89S51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P1.0端口输出超声波 转化器所需的40K

5、Hz方波信号，利用外中断0 口检测超声波接受电路输出 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三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图所示19F单片机及显示电路原理图超声波发射电路原理图2. 超声波发射电路原理图参考期刊如图所示:压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内 部 结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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，这时它就是一超声波发生器；如没加电压， 当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换

6、为电信 号，这时它就成为超声波 接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结 构稍有不同。3. 超声波检测接受电路参考红外转化接收期刊的电路采用集成电路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与测距超声波频率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。超声波测距软件设计主要由主程序，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。下面对超声波测距器的算法，主程序，超 声波发射 子程序和超声波接

7、受中断程序逐一介绍。1超声波测距器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，就被超声波接收就可器R所接 受。这样只要计算岀发生信号到接受返回信号所用的时间,算出超声波发生器与反射物体的距离。距离计算公式:d=s/2=(c*t)/2不同温度下的超声波声速表2主程序主程序首先对系统环境初始化，设置定时器TO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

8、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lus,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 与测距仪之间的距离，设计时取20C时的声速为344 m/s则有：d二（C*TO） /2 =172T0/10000cm （其中T0为计数器T0的计数值）测岀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。主程序框图如下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（INTO引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入

9、该中断后 就立即关闭计时器TO停止计时，并将测距成功标志字赋值lo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TO溢岀中断将外中断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。返回超声波测距仪的制作和调试，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48cm,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C4 的大小，以获得合适的接 收灵敏度和抗

10、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0.0755m,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。后续工作需实验后才能验证根据参考电路和集成的电路器件测距范围有限10m以内为好*d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声 速，t为声波来回所用的时间声速c与温度有关，如温度变化不大，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。声速确定 后，只要测 得超声波往返时间，即可求得距离。在系统加入温度传感器来 监测环境温度，可 进行温度被偿。