基于STC89C51单片机超声波测距系统的设计

基于STC89C51单片机超声波测距系统的设计一、设计任务1.1设计前景超声波技术在日常生活中有着广泛的应用,例如探伤技术、清洗技术、测距技术等等。超声波测距多应用于汽车倒车雷达、建筑工地以及一些工业现场的位置监控如液位、井深的测量等场合。国内的超声波测量主要集中在对0～10m固体和液体的测量,一般测量精度高,回波稳定。由于高精度的超声波测距仪所采用的专业集成电路成本较高,以价格比较低廉的STC89C51单片机为核心设计一款具有低成本、高精度、具有动态显示等优点的超声波测距系统。该系统测量距离0127～4100m,测量精度为1cm。同时给出了其硬件电路和软件设计方法。实际使用表明该仪器工作稳定。1.2超声波测距原理超声波发生器内有一个共振板和两个压电晶片,当它的外加脉冲信号频率等于压电晶片的固有频率时,压电晶片会产生共振,并带动共振板一起振动,这样就产生了超声波。在电路中,发射端输出的脉冲是一系列方波,其宽度称为发射超声波的时间间隔,被测物距离越大,其脉冲宽度就越大,输出脉冲个数与被测物距离成正比。Tmier寄存器对P110口的高、低电平分别进行12Ls的延时,实现从P110口输出周期为24Ls的方波信号。当单片机控制超声波发生器向某一方向发射超声波波束,在发射时刻的同时,单片机内部定时器开始计时。在传播过程中,超声波遇障碍物(被测物)后反射回波,超声波接收器接收到第一个反射波后,定时器停止计时。定时器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过公式换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。由于超声波的声速和温度有关,如果温度变化不是很大,认为声速基本不变。如果测距精度要求很高,那么可以通过温度补偿的方法来加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系：v=33114+0161T其中,T为实际温度;v的单位为m/s。温度/℃-30-100102030100声速/m/s313319325338344349386表1声速与温度的关系测距的公式为:L=v×▽t，其中,L为测量的距离长度;v为超声波在空气中的传播速度;▽t为发射到接收所用时间的一半,由单片机的定时功能实现对超声波信号的准确计时。二、元器件清单电子元器件元器件名称数量（个）IC74LS04474LS2451电阻1kΩ2200kΩ24.7kΩ6排阻CX20106A1电容47013.3uF/25v2330pF1C若干晶振CRYSTAL1扬声器TCT40-161R-40-161显示器LED数码管1温度传感器DS18B201芯片STC89C511三级管PNPVT4三、设计过程3.1硬件设计超声波测距仪硬件部分主要由超声波信号接收电路、超声波发射电路、显示电路、单片机外围电等组成。采用STC89C51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,同时加了MAX232芯片,它和外围电路组成了RS232-TTL电平转换电路,它是串口ISP下载电路,可以通过串口ISP在线下载程序。图1超声波测距仪系统设计框图3.2STC89C51控制器单元STC89C5控制器单元包括STC89C51、振荡电路、复位电路。振荡电路使用12MHz高精度晶振,振荡电容选择30pF小瓷片电容;复位电路使用RC电路,使用普通的电解电容与金属膜电阻即可。STC89C51可以代替AT89C51,其功能更强、速度更快、寿命更长、价格更低,可以完成ISP在线编程功能,可以在程序中修改,断电不丢失,还增加了两级中断优先级。3.3超声波发射电路超声波在空气中传播功率及精度与频率成正比,比较和分析几个常用超声波频率的特点,最终选取频率为40kHz。为了便于超声波的发射与接收,超声波发射探头采用共振频率为40kHz的TCT40-16探头,接收探头采用RCT40-16。超声波发射电路主要由超声波换能器和反相74LS04图2超声波发射电路构成,单片机P110端口输出40kHz间断方波,此时定时器开始计时,信号经两路反相器送到超声波换能器的两个电极,可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联,可以提高驱动能力。电阻R1、R2可以增加超声波换能器的阻尼效果,这样可以缩短振荡时间,提高74LS04输出高电平的驱动能力。3.4超声波接收电路超声波接收电路采用SONY公司的CX20106A集成电路,对接收探头收到的信号进行放大、滤波。它是一款红外线检波接收的专用芯片,有较强的抗干扰性和灵敏度。管脚1是超声波信号输入端,其输入阻抗约为40kΩ;管脚2的C2、R3决定接收换能器的总增益,增大电阻R或者减小C,将使放大倍数下降,负反馈量增大,电容C的改变会影响到频率特性,实际使用中一般不改动,推荐选择参数R=4178,图3超声波接收电路C=313LF;管脚3与GND之间连接检波电容,考虑到检波输出的脉冲宽度变动大,推荐参数313LF;管脚5上的连接电阻R4用以设置带通滤波器的中心频率,阻值越大,中心频率越低,取R=200k8时,中心频率约为42kHz;管脚6与GND之间接入一个积分电容,标准值为30pF,如果该电容取得太大,会使探测距离变短;管脚7是遥控命令输出端,它是集电极开路的输出方式,因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端,该电阻推荐阻值为R5=220kΩ,没有接收信号时该端输出为高电平有信号时则会下降;管脚8接电源正极,4.5～5V。3.5单片机外围电路该系统单片机外围电路如图4所示,有温度补偿电路、串口ISP下载电路。采用3脚PR235封装的数字温度传感器DS18B20对环境温度进行检测,从而对超声波的传播速度进行温度补偿,提高测量精度。两个按键用于控制测量的开始与停止以及距离与温度显示的切换。其特点如下:硬件接口简单,性能稳定,单线接口,仅需一根接口线与MCU连接无需外围元件;由总线提供电源;测温范围为-55～75e;精度为015e;9位温度读数;A/D变换时间为200ms。图4STC89C51及其外围电路3.6显示电路为了节约成本,该系统用4位数码管显示,显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管来显示测距离,采用单片机动态扫描显示。段码用74LS245驱动,位码用PNP三极管VT1、VT2、VT3、VT4驱动。图5显示电路3.7软件设计该系统采用模块化设计,由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、温度检测子程序、显示子程序等模块组成。主程序完成初始化后调用发射子程序,由P110口发射脉冲,驱动超声波传感器发射超声波,并关外部中断,计数器T0开始计时。为防止虚假回波的干扰,在延时一段时间后,开中断。当有外部中断信号时,单片机就停止T0的计时,计算出渡越时间t并存储E2PROM中;然后调用测温子程序,采集超声波测距时的环境温度,并换算出准确的声速v,存储到E2PROM中,单片机再调用计算子程序,计算出传感器到目标物体之间的距离,最后把测量果存储并通过数码管电路显示出来,完成一次测量。该系统的主程序采用键控循环工作方式,当按下测量键时,主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序,并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出来。设计中,超声波发射探头和接收探头距离较近,当发射探头发射超声波后,有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收探头上,这部分信号是无用的,会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题,并设定延时时间为1ms,即在发射极发射超声波1ms内,通过软件关闭所有中断,接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬,1ms后立即启动T0,这时接收到的信号才有效,并在接收到回波信号的同时,T0停。此时T0所记录的CPU发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的，因此系统存在测量盲区。图6主程序流程图四、总结通过设计的超声波测距系统具有结构简单、功耗低、易于操作、灵活性高、成本低的特点,还具有操作方便、运行可靠的优点,它有良好的人机界面,能方便地实时显示测距数据。实际制作中加入DSl8820温度检测集成电路会使测量更加精确。采用CX20106A芯片用于检波放大,减少了电路之间的互相干扰,减小了电噪声。该系统可广泛应用于倒车雷达、机器人检测以及物位测量领域。【参考文献】[1]胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10[2]时德刚，刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10[3]华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉华中科技大学出版社，2002.5[4]陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).华中理工大学出版社，1999.4[5]苏长赞.红外线与超声波遥控.人民邮电出版社，1993.7[6]胜全.D18B20数字温度计在微机温度采集系统中的序编制.南京大学出版社，1998.3附录：程序清单#INCLUDEREG2051.H#DEFINEK1P3_4#DEFINECSBOUTP3_5//超声波发送#DEFINECSBINTP3_7//超声波接收#DEFINECSBC=0.034#DEFINEBGP3_3UNSIGNEDCHARCSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER[3],XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;//显示标识UNSIGNEDCHARCONVERT[10]={0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F};//0~9段码UNSIGNEDINTS,T,I,XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BITCL;VOIDCSBCJ();VOIDDELAY(J);//延时函数VOIDSCANLED();//显示函数VOIDTIMETOBUFFER();//显示转换函数VOIDKEYSCAN();VOIDK1CL();VOIDK2CL();VOIDK3CL();VOIDK4CL();VOIDOFFMSD();VOIDMAIN()//主函数{EA=1;//开中断TMOD=0X11;//设定时器0为计数，设定时器1定时ET0=1;//定时器0中断允许ET1=1;//定时器1中断允许TH0=0X00;TL0=0X00;TH1=0X9E;TL1=0X57;CSBDS=0;CSBINT=1;CSBOUT=1;CL=0;ŌPTO=0XFF;JPJS=0;SJ1=45;SJ2=200;SJ3=400;K4CL();TR1=1;WHILE(1){KEYSCAN();IF(JPJS1){CSBCJ();IF(SSJ3){BUFFER[2]=0X76;BUFFER[1]=0X76;BUFFER[0]=0X76;}ELSEIF(SSJ1){BUFFER[2]=0X40;BUFFER[1]=0X40;BUFFER[0]=0X40;}ELSETIMETOBUFFER();}ELSETIMETOBUFFER();//将值转换成LED段码OFFMSD();SCANLED();//显示函数IF(SSJ2)BG=0;BG=1;}}VOIDSCANLED()//显示功能模块{DIGIT=0X04;FOR(I=0;I3;I++)//3位数显示{P3=~DIGIT&OPTO;//依次显示各位数P1=~BUFFER;//显示数据送P1口DELAY(20);//延时处理P1=0XFF;//P1口置高电平（关闭）IF((P3&0X10)==0)//判断3位是否显示完KEY=0;DIGIT=1;//循环右移1位}}VOIDTIMETOBUFFER()//转换段码功能模块{XM0=S/100;XM1=(S-100*XM0)/10;XM2=S-100*XM0-10*XM1;BUFFER[2]=CONVERT[XM2];BUFFER[1]=CONVERT[XM1];BUFFER[0]=CONVERT[XM0];}VOIDDELAY(I){WHILE(--I);}VOIDTIMER1INT(VOID)INTERRUPT3USING2{TH1=0X9E;TL1=0X57;CSBDS++;IF(CSBDS=40){CSBDS=0;CL=1;}}VOIDCSBCJ(){IF(CL=