超声波测距仪论文

1、班级 08341学号本科毕业设计论文题 目 超声波测距仪的设计学 院 长安学院专 业 电气工程及其自动化学生姓名 吴青青导师姓名 邹洼牢毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文超声波测距仪的设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本论文和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者： （签字） 时间：指导教师已阅： （签字） 时间：西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学

2、院毕业设计（论文）任务书学生姓名 吴青青 学号 08341035 指导教师 邹洼牢 职称 高工学院 长安学院 专业 电气工程及其自动化题目名称 超声波测距器的设计任务与要求1、了解单片机硬件知识和外围电路2、熟悉单片机的软件编程，熟悉要用到的软件Protel和Keil系列软件。3、了解超声测距原理，划出原理图和PCB板图4、用 LED显示测试距离5、测量范围 0.10 4.00 m 测量精度 1cm开始日期 2012年1月15日 完成日期 2012年5月20日院长（签字） 2012年 月 日注：本任务书一式两份，一份交学院，一份学生自己保存。西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院毕业设

3、计（论文）工作计划学生姓名 吴青青 学 号 08341035指导教师 邹洼牢 职 称 高级工程师学 院 长安学院 专 业 电气工程及其自动化题目名称 超声波测距器的设计一、毕业设计（论文）进度起 止 时 间 工 作 内 容1月15日2月15日 明确设计任务，查找收集资料；2月15日2月25日对资料进行分析、整理；3月11日3月20日画出原理图；3月21日4月1日画出PCB板图；4月1日 4月10日对设计板图按要求进行调试，得出结论；4月10日 4月20日完成毕业论文构架；4月20日 5月20日书写论文；二、主要参考书目（资料）1 胡萍，超声波测距仪的研制 计算机与现代化，2003.102 时德

4、刚，超声波测距的研究 计算机测量与控制，2002.103 华兵，MCS-51 单片机原理应用 武汉华中科技大学出版社，2002 .54 李华，MCU-51 系列单片机实用接口技术 北京航空航天大学出版社，1993. 65 陈光东，单片机微型计算机原理与接口技术(第二版) 武汉华中理工大学出版社，1999.46 徐淑华，程退安，单片机微型机原理及应用哈尔滨工业大学 出版社，1999. 6.7 苏长赞，红外线与超声波遥控 北京人民邮电出版社，1993.78 张谦琳，超声波检测原理和方法 中国科技大学出版社，1993.109 九州，放大电路实用设计手册 辽宁科学技术出版社，2002.510 樊昌元，

5、高精度测距雷达研究 电子测量与仪器学报，2000.1011 苏伟，巩壁建，超声波测距误差分析 传感器技术，2004.三、主要仪器设备及材料示波器万用表计算机设备STC80C51单片机四、教师的指导安排情况（场地安排、指导方式等）定期在实验室（F321）检查毕设进度并加以指导。五、对计划的说明该计划为工作前期计划，各个阶段的具体时间可根据具体情况加以调整。 注：本计划一式两份，一份交学院，一份学生自己保存（计划书双面打印）摘要摘要随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是

6、排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排水疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此好的超声波测距仪就显得非常重要了。本设计采用以AT89C51的单片机为核心的低成本、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。整个电路采用模块化设计，有主程序、预置子程序、发射子程序、接受子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方

7、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、抗干扰能力强、实时性良好，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：AT89C51；超声波；测距ABSTRACTABSTRACTWith the development of science and technology, the improvement of people's standard of living, speeding up the development and construction of the ci

8、ty. urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However, due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction. Therefore, there are oft

9、en good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear

10、the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultraso

11、nic range finder.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. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutin

12、e modules form. SCM comprehensive analysis of the probe 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.The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified,

13、 the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision.Key words: AT89S52 Silent Wave Me

14、asure Distance II目录 i目 录第一章 绪论 . 11.1 课题设计目的及意义 . 11.1.1 设计的目的 . 11.1.2 设计的意义 . 11.2 超声波测距仪的设计思路 . 21.2.1 什么是超声波 . 21.2.2 超声波的特性及特点 . 21.2.3 超声波的应用 . 31.2.4 超声波测距原理 . 31.2.5 声波测距仪原理框图如下 . 31.3 课题设计的任务和要求 . 4第二章 课程的方案设计和论证 . 52.1 系统整体方案的设计 . 52.2 系统整体方案的论证 . 5第三章 系统的硬件结构设计. 73.1 单片机的简介 . 73.1.1 单片机基础

15、知识 . 73.1.2 单片机的内部结构 . 83.1.3 单片机的基本工作原理 . 103.1.4 单片机的分类及发展 . 113.1.5 单片机AT89C51的功能特性 . 133.1.6 单片机实现测距原理 . 143.2 超声波发射电路 . 143.3 超声波检测接收电路 . 153.4 超声波测距系统的硬件电路设计 . 错误！未定义书签。第四章 系统软件的设计 . 194.1 超声波测距器的算法设计 . 19ii 目录4.2 主程序流程图 . 214.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 . 224.4 系统的软硬件调试及性能分析 . 234.4.1 系统的软硬件调试 . 234

16、.4.2 性能指标和误差分析 . 24第五章 总结 . 25致 谢 . 27参考文献 . 29第一章 绪论 1第一章 绪论1.1 课题设计目的及意义1.1.1 设计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；研制更适合于浅海

17、工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作坏境。毋庸置疑，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。1.1.2 设计的意义随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵

18、的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。2 超声波测距仪的设计1.2 超声波测距仪的设计思路1.2.1 什么是超声波声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下震动，这种振动状态通过空气媒介向四面八方传播，这便是声波。超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了

19、以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。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。1.2.2 超声波的特性及特点超声波具有如下特性：1、超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2、超声波可传递很强的能量。3、超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4、超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声

20、波具有的特点：1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。2、超声波能在各种不同媒介中传播，且可传播足够远的距离。3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声煤质状态的信息（诊断或对传声煤质产生效应）。（治疗）超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的煤质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。超声波以直线方式传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。另外，超声波第一章 绪论 3在空气中传播速度较

21、慢，为340ms，这就使得超声波使用变得非常简单。1.2.3 超声波的应用超声波测距主要用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人视觉系统设计的精确与否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用作测距传感器，实现定位以及环境建模。超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统（如CCD图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小轿车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了

22、相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，包括毫米雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等。据海外媒体报道，戴姆勒克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车（尤指卡车）使用的电子刹车系统，它利用车载前视雷达感应器探测前方景物，由车载控制器处理这一感知信息而形成虚拟景象，由此来判断当前路况是否需要启动自动刹车装置。1.2.4 超声波测距原理发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被发射返回，由接收器接收，其往返时间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，其速度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

23、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1.2.5 声波测距仪原理框图如下单片机发出 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4 超声波测距仪的设计机中断程序，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。图1.1超声波测距仪原理图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，设计超声波测距器的硬件结构电路。设计一超声波测距仪要求：（1） 设计出超声波测距仪的硬

24、件结构电路。（2） 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， 而实现利用超声波方法测量物体间的距离。（3） 对设计的电路进行分析。（4） 以数字的形式显示测量距离。第二章 课程的方案设计和论证 5第二章 课程的方案设计和论证2.1 系统整体方案的设计我们知道由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能农业生产等自动化的使用要求。超声波发生器可以分为两大类：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。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、

25、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率，和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用 AT89C51 单片机作为控制器，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。超声波测距器系统设计框图如图2.1所示图2.1超声波测距器系统设计框图2.2 系统整体方案的论证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，

26、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6 超声波测距仪的设计的衰减，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。第三章 系统的硬件结构设计 7第三章 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

27、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。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。3.1 单片机的简介51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash ROM技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是

28、基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。当前常用的51系列单片机主要产品有：*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；*Philips、华邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司的许多产品目前，国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。3.1.1 单片机基础知识单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器 （Microcontroller）。单片微型计算机是微型计算

29、机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含8 超声波测距仪的设计有计算机的基本功能部件：CPU（Central Processing Unit，中央处理器），存储器和 IO 接口电路等。 因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。3.1.2 单片机的内部结构单片机内部结构如图3.1所示与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。它是中央处理器（CPU）芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和 IO 接口芯片等通过印刷电路板上总线（地址总线AB、数据总线 DB 和控制总线 CB）连成一体的完整计算机系统。其中，中央

30、处理器（CPU）的字长长，功能强大；ROM 和 RAM 的容量很大；接口的功能也大，IO 这是单片机无法比拟的。因此，单片机在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此而得名。由图 3.1 可见，中央处理器（CPU）是通过内部总线与 ROM，RAM，IO 接口以及定时器计数器相连的，这个结构并不复杂，但并不好理解。为此，在分析单片机工作原理前，先对图3.1 中各部件作一基本介绍是十分必要的。1存储器在单片机内部，ROM 和 RAM 存储器是分开制造的。通常，ROM 存储器容图3.1单片机内部结构第三章 系统的硬件结构设计 9量较大，RAM 存储

31、器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。（1）ROMROM(Read Only Memory，只读存储器)一般为 1 32K 字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内 ROM 中，根据片内 ROM 的结构，单片机又可分为无ROM 型、 ROM型和EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory，可擦除可编程只读存储器）型三类。近年来，又出现EEPROM（Electrically Erasable 2 Programmabl

32、e Read Only Memory，电擦除可编程只读存储器和 Flash 型 ROM 存储器）。无 ROM 型单片机特点是片内不集成 ROM 存储器，故应用程序必须固化到外接的 ROM 存储器芯片中，才能构成有完整功能的单片机应用系统。ROM 型单片机内部，其程序存储器是采用掩膜工艺制成的。程序一旦固化进去便永远不能修改。EPROM 型单片机内部的程序存储器是采用特殊 FAMOS 管构成的，程序一旦写，也可以通过特殊手段加以修改。因此，EPROM 型单片机是深受研制人员欢迎的。（2）RAM通常，单片机片内 RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）容量为 64256

33、字节，最多可达 48K 字节。RAM 主要用来存放实时数据或作为通用寄存器，数据堆栈和数据缓冲器之用。2中央处理器（CPU）中央处理器的内部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部电路原理图来加以分析介绍是根本不可能的。下面简单概述一下几个主要部分的工作原理。（1）运算器运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制下进行。运算器由算术逻辑单元 ALU，累加器 A，通用寄存器 R0，暂存器 TMP 和状态寄存器 PSW 等五部分组成。累加器 A（Accumulator）是一个具有输入输出能力的移位寄存器，由8个触发器组成。TR（Temporary Register，暂存器

34、）也是一个8位寄存器，用于暂存另一操作数。ALU（Arithmetic and Logical Unit，算术逻辑单元）主要由加法器，移位电路和判断电路等组成，用于对累加器A和暂存器 TMP 中两个操作数进行10 超声波测距仪的设计四则运算和逻辑操作。PSW(Program Status Word，程序状态字)也由8位触发器组成，用于存放 ALU 操作过程中形成的状态。（2）控制器控制器是发布操作命令的机构,是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢。控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。指令是一种

35、能供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分。时序部件由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。微操作控制部件可以为 ID（Instruction Decoder，指令译码器）输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可与外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。3内部总线单片机内部总线是 CPU 连接片内各主要部件的纽带，是各类信息传送的公共通道。内部总线主要由三种不同性质的连线组成，它们是地址线、数据线和控制线状态线。地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号，通常由 CPU 发出并被存储器或 IO 接口电路所接收。数据线用

36、来传送CPU 写入存储器或经IO 接口送到输出设备的数据，也可以传送从存储器或输入设备经IO 接口读入的数据。因此，数据线通常是双向信号线。控制状态线有两类：一类是 CPU 发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；另一类是存储器或外设的状态信息，如外设的中断请求，存储器忙和系统复位信号等。4IO 接口和特殊功能部件 IO 接口电路有串行和并行两种。串行IO 用于串行通信，它可以把单片机内部的并行8位数据（8位机）变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给 CPU 处理。并行IO 口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送8位数据（8位机）。3.1.3

37、单片机的基本工作原理单片机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。因此，单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理。为此，第三章 系统的硬件结构设计 11先从指令程序谈起。1单片机的指令系统和程序编制前面已经介绍，指令是一种可以供机器执行的控制代码，故它又称为指令码 （Instruction Code）。指令码由操作码（Operation Code）和地址码（Address Code）构成；操作码用于指示机器执行何种操作；地址码用于指示参加操作的数在哪里。其格式为：指令码的二进制形式既不便于记忆，又不便于书写，故人们通常采用助记符形式来表示，表3.1所列。表

38、3.1汇编指令形式指令的集合或指令的全体称为“指令系统”（Instruction System）。微处理器类型不同，它的指令系统也不一样。所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求排列起来的有序指令的集合。程序的编制称为 “程序设计”。通常，设计人员采用指令的汇编符（即助记符）形式编程，这种程序设计称为 “汇编语言程序设计”。显然,设计人员如果不熟悉机器的指令系统是无法编出优质高效的程序的。3.1.4 单片机的分类及发展1974 年，美国仙童（Fairchild）公司研制出世界上第一台单片微型计算机 F8，该机由两块集成电路芯片组成，结构奇特，具有与众不同的指令系统，深受民用12 超声波测距

39、仪的设计电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此，单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。1单片机的分类 20世纪80年代以来，单片机有了新的发展，导体器件厂商也纷纷推出自己的产品系列。迄今为止，市售单片机产品已达 60 多个系列，600多个品种。按照 CPU 对数据处理位数来分，单片机通常可以分为以下四类。（1）4 位单片机 4 位单片机的控制功能较弱，CPU 一次只能处理4位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。（2）8 位单片机 8 位单片机的控制功能较强，种最为齐全。和4位机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，

40、而且中断源、并行IO 接口和定时器计数器个数都有不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是8位机中的高性能增强型单片机，除片内增加了 AD 和 DA 转换器以外，还集成有定时器捕捉比较寄存器、监视定时器（Watchdog）、总线控制部件和晶体振荡电路等。这类单片机由于其片内资源丰富且功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。（3）16 位单片机 16 位单片机是在1983年以后发展起来的。这类单片机的特点是：CPU 是16位的，运算速度普遍高于8位机，有的单片机寻址能力高达1MB片内含有AD和DA 转换电路，支持高

41、级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器。（4）32 位单片机 32位单片机景的字长为32位，是单片机顶级产品，具有极高的运算速度。近年来，随着家用电子系统的新发展，32位单片机的市场前景看好。28位单片机的新发展目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是8位单片机已成为当前单片机的主流。8位单片机的新发展具体体现在如下四个方面：（1）CPU 功能增强（2）内部资源增多（3）引脚的多功能化（4）低电压和低功耗第三章 系统的硬件结构设计 133.1.5 单片机AT89C51的功能特性51单片机中典型芯片（AT89C51）采用40引脚双系列直插封（

42、DIP）形式内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM， 2个16b的定时计数器T0和T1，4个8 b的IO端1：IP0，P1，P2，P3，一个全双串行通信口等组成。特别是该系列单片机内的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。该系列单片机引脚封装如图3.2所示图3.2 51系列单片机封装图51系列单片机提供以下功能：4 kB 存储器；256 BRAM；32 条IO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。空闲方式：CPU 停止工作，而让 RAM，定时计数器，串行

43、口和中断系统继续工作。掉电方式，保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。51系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。14 超声波测距仪的设计3.1.6 单片机实现测距原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射回的波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S=Ct2，式中的c为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最

44、小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速c与温度有关。3.2 超声波发射电路超声波发射电路原理图如图 3.3 所示。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R10，R11一方面可以提高反向器 74LS04

45、 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。图3.3 超声波发射电路图第三章 系统的硬件结构设计 15压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如图3.4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。图3.4

46、 超声波换能器结构图3.3 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38 kHz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3.5）。实验证明用CX20106A接收超声波（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。16 超声波测距仪的设计图3.5 超声波检测接收电路图3.4 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可控制超声波自发射至接收往返时间的计时（定时器），单片机选用AT89C5

47、1，经济易用，切片内有4K的ROM，便于编程。其中只画出AT89C51为核心主电路图3.6和驱动显示电路图3.7。接收发射模块前面已经叙述，这里不再重复叙述。第三章 系统的硬件结构设计17图3.6核心主电路18 超声波测距仪的设计图3.7驱动显示电路第四章 系统软件的设计 19第四章 系统软件的设计超声波测距仪的软件设计主要由主程序，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

48、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中断程序逐一介绍。4.1 超声波测距器的算法设计图4.1示意了超声波测距的原理，即超声波测距的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.距离的计算公式为： d=s/2=(c×t)/2 （1） 其中，d 为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。超声波也是一种声波，其声速v与温度有关

49、。表4.1列出了几种不同温度下的超声波声速。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。20 超声波测距仪的设计图4.1 超声波测距原理图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：RECEIVE0：PUSH PSWPUSH

50、ACCCLR EX0 ：关外部中断 0MOV R7，TH0 ；读取时间值MOV R6， TL0CLR CMOV A，R6SUBB A， #0BBH；计算时间差MOV 31H， A ；存储结果MOV A，R7SUBB A， #3CHMOV 30H，ASETB EX0 ；开外部中断 0POP ACCPOP PSWRETI第四章 系统软件的设计 214.2 主程序流程图主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器 T0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 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

51、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 1s所以，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）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。设计时取 20时的声速为 344 m/s 则有：d=(v×t)/2=172T0/10000cm （2） 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

52、，主程序采用C语言编写。图4.2所示为主程序流程图22 超声波测距仪的设计图4.2 主程序流程图 4.3 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，脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波约40kHz的方波）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，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计波信号（即 INT0引脚出现低电平）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 T

53、0 溢出中断将外中断0闭，并将测距成功标志字赋值2，表示此次测距不成功。前方测距电路的第四章 系统软件的设计 23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。图4.3为中断程序图4.3中断程序4.4 系统的软硬件调试及性能分析4.4.1 系统的软硬件调试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 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 C0 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗