超聲波測距器課程設(shè)計

1、<p>　　《微機原理及應(yīng)用》課程設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣。本文對超聲波傳感器測距的可能性進行了理論分析，利用模擬電子、數(shù)字電子、微機接口、超聲波換能器、以及超聲波在介質(zhì)的傳播特性等知識，采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波

2、測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。為了保證超聲波測距傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，采取了相應(yīng)的抗干擾措施。就超聲波的傳播特性，超聲波換能器的工作特性、超聲波發(fā)射、接收、超聲微弱信號放大、波形整形、速度變換、語音提示電路及系統(tǒng)功能軟件等做了詳細說明。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 超聲波 ；傳感器；&

3、#160;測量距離；控制</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要………………………………………………… ……………………2</p><p>　　目 錄……………………………………………… ………………… 3</p><p>　　1.設(shè)計目的……………………………………………

4、…………………4</p><p>　　2.總體方案………………………………………… ……………………4</p><p>　　3.硬件設(shè)計………………………………………… ……………………5</p><p>　　3.1 超聲波測距器硬件電路設(shè)計…………………… ……………… 5</p><p>　　3.2.1 單片機芯片的選擇………………………

5、…………………… ………………6</p><p>　　3.2.2AT89C51定時計數(shù)應(yīng)用電路…………………… ………………6</p><p>　　3.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計…………………… ……………………… 6</p><p>　　3.3.1選擇超聲波發(fā)生器類型…………………… ……………… …6</p><p>　　3.3.2 超聲波發(fā)

6、射電路設(shè)計………………… ……… ………………7</p><p>　　3.4 超聲波接收電路設(shè)計…………………… ……………………… 8</p><p>　　3.5超聲波顯示電路設(shè)計………………………………………………9</p><p>　　4.軟件設(shè)計……………………………………………………………… 9

7、 </p><p>　　4.1波測距器的算法設(shè)計………………… …………………… ……10</p><p>　　4.2系統(tǒng)的主控制程序設(shè)計……………………… …………… ……11</p><p>　　4.3發(fā)生子程序設(shè)計……………………………………………………12</p><p>　　4.4接收中斷程序設(shè)計………………

8、…………………………………13</p><p>　　4.5顯示程序設(shè)計………………………………………………………14</p><p>　　4.6距離計算程序………………………………………………………15</p><p>　　5.結(jié)論………………………………………………………… …………17</p><p>　　參考文獻………………………………

9、………………… ………………18</p><p><b>　　1.設(shè)計目的</b></p><p>　　超聲波測距器，可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。要求測量范圍在0.10～4.00m，測量精度1 cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。</p><p>

10、;<b>　　2.總體方案</b></p><p><b>　　硬件部分</b></p><p>　　主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89C1或其兼容系列來實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和74LS04系列超聲波發(fā)射模塊的控制。單片機通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢

11、測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。</p><p><b>　　軟件部分</b></p><p>　　主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。</p><p><b>　　3.硬

12、件設(shè)計</b></p><p>　　3.1 超聲波測距器硬件電路設(shè)計</p><p>　　超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t,然后求出距離。路程、波速、時間之間的關(guān)系，可用下列簡單的公式表示： </p><p>　　上式中，d為超聲波傳播單邊的路

13、程，s為超聲波來回的路程， c為超聲波波速, t為超聲波來回所用的時間。</p><p>　　當(dāng)聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距的原理。超聲波測距的原理如圖所示。</p><p>　　3.1超聲波測距原理</p><p>　　根據(jù)超聲波測距原理，超聲波測距器需要有超聲波發(fā)生器、超聲波接收器、超聲波傳播的計時器。</p>

14、<p>　　按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，硬件電路由單片機計時及控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路、顯示電路及電源五部分組成。系統(tǒng)原理總框圖見圖。</p><p>　　3.2超聲波測距器的原理總框圖</p><p>　　3.2.1 單片機芯片的選擇</p><p>　　89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh

15、Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器

16、，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p>　　3.2.2AT89C51定時計數(shù)應(yīng)用電路</p><p>　　AT89C51單片機片內(nèi)集成有兩個可編程的定時/計數(shù)器T0和T1[4]。它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外部事件計數(shù)模式。本設(shè)計采用定時計數(shù)器T0，根據(jù)需要，讓其工作于方式1。方式1的計數(shù)位數(shù)是16位，

17、由TL0作為低8位，TH0作為高8位，組成16位加1計數(shù)器。其初值在65 535～0范圍，計數(shù)范圍為1～65 536。具體應(yīng)用見程序設(shè)計部分。</p><p>　　3.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計</p><p>　　3.3.1選擇超聲波發(fā)生器類型</p><p>　　壓電式超聲波換能器利用壓電晶體的諧振來工作，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。超聲波換能器有兩個壓電晶片和一個共振板。

18、當(dāng)它的兩極外加電脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發(fā)生共振，從而帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果在共振板上外加適當(dāng)?shù)臋C械振動，使壓電晶片發(fā)生共振，將在壓電晶片之間產(chǎn)生交變的電信號。這時它就成為了超聲波接收器。</p><p>　　本設(shè)計選用壓電式超聲波換能器TCT40—l0Fl作超聲波發(fā)射器。使用時注意分清器件，因為它與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同。</p><p&g

19、t;　　3.3超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.3.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計</p><p>　　超聲波發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，如圖所示。圖中T為超聲波發(fā)射器，采用TCT40—l0Fl，外型尺寸Φ15 。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R2，R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能

20、器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。</p><p>　　工作時，單片機的定時器T0產(chǎn)生40 KHz方波信號，從P1.3端口輸出，一路經(jīng)過一級反向器后送到超聲波發(fā)射器T的一個電極，另一路經(jīng)過兩極反向器后送到超聲波發(fā)射器T的另一個電極，從而將40 KHz電脈沖信號加到超聲波發(fā)射器T，使T發(fā)射超聲波。</p><p>　　電路采用推挽形式，向超聲波發(fā)射器T提供電脈沖信號，可以提高超聲波的發(fā)射強

21、度。</p><p>　　3.4超聲波發(fā)射電路原理圖</p><p>　　3.4 超聲波接收電路設(shè)計</p><p>　　超聲波接收電路主要由超聲波接收換能器R和超聲波檢測接收模塊構(gòu)成，如圖所示。圖中R為超聲波接收器，采用TCT40—l0Sl，外型尺寸Φ15 。U5是超聲波檢測接收模塊，設(shè)計時選用了紅外線檢波接收專用集成電路芯片CX20106A。選用的原因是CX20

22、106A常用的載波頻率為38KHz，與測距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以將發(fā)射的超聲波之頻率控制為38KHz。</p><p>　　電路中設(shè)置的電容C4，適當(dāng)更改其大小，可以改變接收電路的抗干擾能力；適當(dāng)改變電路中的電容C6，可改變電路的靈敏度。</p><p>　　工作時，接收的超聲波信號經(jīng)R轉(zhuǎn)換為電信號，加到CX20106A的輸入端（1腳），處理后由CX20106A的輸出端（7腳

23、）送達單片機的中斷口INT0，申請CPU處理。</p><p>　　3.5超聲波檢測接收電路</p><p>　　3.5超聲波顯示電路設(shè)計</p><p>　　顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式，本系統(tǒng)采用并行輸出的動態(tài)顯示方式。</p><p><b>　　顯示電路結(jié)構(gòu)</b>&

24、lt;/p><p>　　根據(jù)本超聲波測距器顯示測距數(shù)據(jù)的需要，采用4位LED動態(tài)顯示電路。 其中2位顯示小數(shù)部分，2位顯示整數(shù)部分。顯示信息輸入部分由單片機P0輸出端，連接74LS244相應(yīng)輸入端，驅(qū)動器輸出端經(jīng)限流電阻連接相應(yīng)字段碼端；字位控制部分分別由三極管驅(qū)動，選用PNP型晶體管9012，其基極經(jīng)限流電阻連接單片機的P2口相關(guān)端子，集電極連接數(shù)碼管的共用端，發(fā)射極連接電源。顯示電路如圖所示[5]。</p&

25、gt;<p>　　3.6超聲波測距動態(tài)顯示電路</p><p><b>　　4軟件設(shè)計</b></p><p>　　超聲波測距器的軟件主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序以及顯示子程序組成。</p><p>　　4.1波測距器的算法設(shè)計</p><p>　　從前面距離的計算公式可知，c為聲速，

26、對于超聲波，在常溫20℃時，其數(shù)值為344米/秒；若能準(zhǔn)確測量出超聲波從發(fā)射到返回所用時間，則可以計算出發(fā)射點到被測障礙物之間的距離。</p><p>　　測量距離時，由超聲波測距器的主控制器中定時器記錄時間，設(shè)計中要求超聲波測距時精確計算程序運行時間。</p><p>　　測量超聲波來回所用的時間，當(dāng)送出一個超聲波脈沖后，需要延時約0.1ms，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號，這是為了

27、避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起直射波觸發(fā)。單片機工作時晶振頻率為12MHz，計數(shù)器每計1個數(shù)就是1 μs，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將停止計數(shù)器T0計數(shù)。</p><p>　　計算距離，將計數(shù)器T0中的計數(shù)值T0帶入距離的計算公式計算，即可得被測物體與測距器之間的距離。具體為</p><p>　　計算的結(jié)果，以十進制BCD碼方式送往LED顯示，顯示時間約0.5s，然后再發(fā)超

28、聲波脈沖重復(fù)測量過程。</p><p>　　4.2系統(tǒng)的主控制程序設(shè)計</p><p>　　主程序包括對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式，調(diào)用超聲波發(fā)生子程序，等待反射超聲波，計算距離，顯示距離；重復(fù)。主程序流程圖如圖。</p><p><b>　　4.1主程序流程圖</b></p><p>　　※※※※※※主程序

29、※※※※※※</p><p>　　START: MOV SP, #4FH</p><p>　　MOV R0, #40H ;40H～43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40H為最高位）</p><p>　　MOV R7, #0BH</p><p>　　CLEARDISP: MOV @R0, #00H

30、</p><p>　　INC R0</p><p>　　DJNZ R7, CLEARDISP</p><p>　　MOV 20H, #00H</p><p>　　MOV TMOD, #21H ；T1為8位自動重裝模式，T0為16位定時器</p><p>　　MOV TH0

31、, #00H ;65ms初值</p><p>　　MOV TL0, #00H</p><p>　　MOV TH1, #0F2H ;40kHz初值</p><p>　　MOV TL1, #0F2H</p><p>　　MOV P0, #0FFH</p><p>　

32、　MOV P1, #0FFH</p><p>　　MOV P2, #0FFH</p><p>　　MOV P3, #0FFH</p><p>　　MOV R4, #04H ;超聲波脈沖個數(shù)控制（為賦值的一半）</p><p>　　SETB PX0</p><p&

33、gt;　　SETB ET0</p><p>　　SETB EA</p><p>　　SETB TR0 ；開啟測試定時器</p><p>　　START1: LCALL DISPLAY</p><p>　　JNB 00H, START1 ;收到反射信號時標(biāo)志位為1

34、</p><p>　　CLR EA</p><p>　　LCALL WORK</p><p>　　SETB EA</p><p>　　CLR 00H</p><p>　　SETB TR0 ;重新開啟測試定時器</p><p>　　MOV

35、 R2, #64H ;測量間隙控制（約4ms×100=400ms）</p><p>　　LOOP: LCALL DISPLAY</p><p>　　DJNZ R2,LOOP</p><p>　　SJMP START1</p><p>　　4.3發(fā)生子程序設(shè)計</p>

36、<p>　　超聲波發(fā)生子程序，主要功能是單片機控制，通過P1.3端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號，頻率為約40kHz的方波，其脈沖寬度為12μs左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。</p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　LJMP START</p><p>　　ORG 0003H</p><

37、p>　　LJMP PINT0</p><p>　　ORG 000BH</p><p>　　LJMP INTT0</p><p>　　ORG 0013H</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　ORG 001BH</

38、p><p>　　LJMP INTT1</p><p>　　ORG 0023H</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　ORG 002BH</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　

39、　4.4接收中斷程序設(shè)計</p><p>　　超聲波接收中斷程序，主要功能是單片機控制，檢測外中斷0返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示本次測距不成功。</p><p

40、>　　；T0中斷，65ms中斷一次</p><p>　　INTT0: CLR EA</p><p>　　CLR TR0</p><p>　　MOV TH0,#00H</p><p>　　MOV TL0,#00H</p><p>　　SETB

41、 ET1</p><p>　　SETB EA</p><p>　　SETB TR0 ;啟動計數(shù)器T0，用以計算超聲來回時間</p><p>　　SETB TR1 ；開啟發(fā)超聲波用定時器T1</p><p>　　OUT: RETI</p><

42、p>　?。籘1中斷，發(fā)超聲波用</p><p>　　INTT1: CPL VOUT</p><p>　　DJNZ R4,RETOUT</p><p>　　CLR TR1 ;超聲波發(fā)完畢，關(guān)T1</p><p>　　CLR ET1</p&

43、gt;<p>　　MOV R4,#04H</p><p>　　SETB EX0 ;開啟接收回波中斷</p><p>　　RETIOUT: RETI</p><p>　　;外中斷0，收到回波時進入</p><p>　　PINT0: CLR TR0

44、 ;關(guān)計數(shù)器</p><p>　　CLR TR1</p><p>　　CLR ET1</p><p>　　CLR EA</p><p>　　CLR EX0</p><p>　　MOV 44H,TL0 ;將計數(shù)值移入

45、處理單元</p><p>　　MOV 45H,TH0</p><p>　　SETB 00H ;接收成功標(biāo)志</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值

46、2，以表示本次測距不成功。</p><p><b>　　4.5顯示程序設(shè)計</b></p><p>　?。?0H為最高位，43H為最低位，先掃描高位</p><p>　　DISPLAY: MOV R1,#40H;G</p><p>　　MOV R5,#0E7H;G</p

47、><p>　　PLAY: MOV A,R5</p><p>　　MOV P0,#0FEH</p><p>　　MOV P2,A</p><p>　　MOV @R1</p><p>　　MOV DPTR,#TAB

48、</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p>　　MOV P0,A</p><p>　　LCALL DL1MS</p><p>　　INC R1</p><p>　　MOV A,R5</p>

49、<p>　　JNB ACC.0,ENDOUT;G</p><p>　　RR A</p><p>　　MOV R5,A</p><p>　　AJMP PLAY</p><p>　　ENDOUT: MOV P2,#0FEH&l

50、t;/p><p>　　MOV P0,#0FEH</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,</p><p>　　0FEH,88H,0BFH&

51、lt;/p><p>　　;共陽段碼表 “0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，</p><p>　　“不亮”，“A”，“-”</p><p><b>　　4.6距離計算程序</b></p><p>　　PUSH ACC</p>

52、;<p>　　PUSH PSW</p><p>　　PUSH B</p><p>　　MOV PSW, #18h</p><p>　　MOV R3, 45H</p><p>　　MOV R2, 44H</p><p

53、>　　MOV R1, #00D</p><p>　　MOV R0, #17D</p><p>　　LCALL MUL2BY2</p><p>　　MOV R3, #03H</p><p>　　MOV R2, #0E8H</p>

54、<p>　　LCALL DIV4BY2</p><p>　　LCALL DIV4Y2</p><p>　　MOV 400H, R4</p><p>　　MOV A, 40H</p><p>　　JNZ JJ0</p><p

55、>　　MOV 40H,#0AH ;最高位為0，不點亮</p><p>　　JJ0: MOV A, R0</p><p>　　MOV R4, A</p><p>　　MOV A, R1</p><p>　　MOV R

56、5, A</p><p>　　MOV R3, #00D</p><p>　　MOV R2, #100D</p><p>　　LCALL DIV4BY2</p><p>　　MOV 41H, R4</p><p>　　MOV

57、 A, 41H</p><p>　　JNZ JJ1</p><p>　　MOV A, 40H ;次高位為0，先看最高位是否為不亮</p><p>　　SUBB A, #0AH</p><p>　　JNZ JJ1</p><p>

58、　　MOV 41H, #0AH ;最高位不亮，次高位也不亮</p><p>　　JJ1: M0V A, R0</p><p>　　MOV R4, A</p><p>　　MOV A, R1</p><p>　　MOV

59、 R5, A</p><p>　　MOV R3, #00D</p><p>　　MOV R2, #10D</p><p>　　LCALL DIV4BY2</p><p>　　MOV 42H, R4</p><p>　　MOV

60、 A, 42H</p><p>　　JNZ JJ2</p><p>　　MOV A, 41H ;次次高位為0，先看次高位是否為不亮</p><p>　　SUBB A, #0AH</p><p>　　JNZ JJ2</p><

61、p>　　MOV 42H, #0AH ;次高位不亮，次次高位也不亮</p><p>　　JJ2: MOV 43H, R0</p><p>　　POP B</p><p>　　POP PSW</p><p>　　POP

62、 ACC</p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計采用AT89C51單片機作為計時及主控制器、用TCT40—l0Fl作超聲波發(fā)射器、用TCT40—l0Sl和CX20106A構(gòu)成超聲波檢測接收電路。將相關(guān)控制編程，寫入單片機，實現(xiàn)了以單片機控制的超

63、聲波測距器。</p><p>　　本超聲波測距器采用硬件電路和軟件控制相結(jié)合，電路結(jié)構(gòu)簡單，低成本，操作方便，工作穩(wěn)定，測量精度高，可達0.01米。</p><p>　　可用于日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中距離的測量及位置監(jiān)控。例如管道長度、油井深度、液面高度，建筑施工各點定位等。</p><p>　　本超聲波測距器只具有測量顯示功能，沒有反饋與控制功能。其設(shè)計思想可以應(yīng)用

64、于智能安全系統(tǒng)。例如，在車輛智能自動安全系統(tǒng)中, 檢測車輛左、右動、靜態(tài)障礙物，并顯示距離，至危險區(qū)域后與智能模糊控制器通信以采取最佳避讓措施等</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 余成波．傳感器與自動檢測技術(shù)[M]．北京．高等教育出版社，2004：124</p><p>　　[2] 李全利．單片計原理及接

65、口技術(shù)[M]．北京．高等教育出版社，2004：23</p><p>　　[3] 張毅剛．單片機原理及應(yīng)用[M]． 北京．高等教育出版社，2004：31 </p><p>　　[4] 周航慈．單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)[M]． 北京．北京航空航天大學(xué)出版，200２：11</p><p>　　[5] 陳明熒．8051單片機課程實訓(xùn)教材[M]． 北京．清華大學(xué)出版社，2004