基于51单片机的超声波测距仪

机电信息工程学院单片机系统课程设计报告完成日期：2008年03月19日系别：电子工程系专业：通信工程班级：051班设计题目：超声波测距学生姓名：王权于建坤指导教师：董玉华李厚杰杨亚宁李婷i目录一、设计任务和性能指标...............................................................1二、设计方案....................................................................................1三、系统硬件设计............................................................................3四、系统软件设计............................................................................5五、调试及性能分析........................................................................8六、心得体会..................................................................................10参考文献..........................................................................................11附录1系统硬件电路图..................................................................12附录2程序清单..............................................................................13大连民族学院2005级通信工程专业微机系统课程设计报告1一、设计任务和性能指标1.1设计任务设计一个超声波测距器，可应用在汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置测控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求用AltiumDesigner6画出系统的电路原理图（要求以最少组件，实现系统设计所要求的功能），印刷电路板（要求布局合理，线路清晰），绘出程序流程图，并给出程序清单（要求思路清晰，尽量简洁，主程序和子程序分开，使程序有较强的可读性）。1.2性能指标1、测量范围10—80cm；2、测量精度1cm；3、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；4、测量范围扩展为10cm—4m，提高测量精度。二、设计方案超声波测距仪是利用超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。超声波测距主要应用于倒车雷达、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。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。超声波指向性强,穿透能力强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。但由于超声波传感器的成本较高,所以一般运用于专业领域,民用产品中运用较少。考虑到一般情况下对测距的要求较低,可在一定程度上牺牲其精确度和测距范围,从而降低成本,使其运用范围大大扩展。超声波测距系统主要由声波发射电路、回波接收电路以及信号采集电路、温度补偿电路等组成。2.1硬件方案选择（1）超声波发射电路总体上讲，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，大连民族学院2005级通信工程专业微机系统课程设计报告2一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部主要由两个压电晶片和一个共振板组成。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，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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器了。这种压电式超声波传感器是利用内藏的压电晶体的压电效应。压电晶体在外电场作用下会产生机械变形，或者使压电晶体变形也会产生电压，前者称为逆压电效应，后者称为正压电效应。利用压电晶体的逆压电效应，电路的高频电压会转换为高频机械振动，以产生超声波，作为超声波发生探头，利用压电晶体的正压电效应可将接收的超声波振动转换成电信号，作为超声波接收探头。（2）超声波接收电路超声波接收电路的作用是对接收的超声波信号进行放大，并将放大后的信号处理成系统可以处理的电平信号。（3）温度补偿电路超声波是一种声波，其声速c与温度有关。如果测距精度要求很高时，则应通过温度补偿的方法加以校正。温度测量可以使用数字温度传感器DS18B20。（4）超声波测距器的算法设计超声波测距的原理即超声波发生器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发射回来，就被超声波接收器所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到返回信号所用的时间，就可以算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：22tcsd其中d为被测物体与测距器的距离，s为声波来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。（5）系统硬件框图如图1所示。单片机最小系统超声波接收电路超声波发送电路温度检测电路显示电路图1系统硬件框图大连民族学院2005级通信工程专业微机系统课程设计报告32.2超声波测距器的软件系统软件主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成，如图2所示。图2系统程序结构框图超声波测距器主程序利用外部中断检测返回超声波信号，一旦接收到返回的超声波信号，立即进入中断程序。三、系统硬件设计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STC89C55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INT0引脚，当INT0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。图3超声波测距原理框图接收检测超声波接收器计时器定时器显示器超声波发射器控制接收检测超声波接收器计时器定时器显示器超声波发射器控制读取温度、时间，计算距离系统初始化启动温度转换发送超声波脉冲开始等待接收回波显示结果读取温度、时间，计算距离系统初始化启动温度转换发送超声波脉冲开始等待接收回波显示结果大连民族学院2005级通信工程专业微机系统课程设计报告43.1单片机系统及显示电路单片机采用STC89C55。采用11.0592MHz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40KHz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LCD1602液晶显示电路，用P0做为数据口。单片机系统及显示电路如图4所示。图4单片机及显示电路原理图3.2超声波发射电路超声波发射电路原理图如图5所示。图5超声波发射电路原理图压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构图6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大连民族学院2005级通信工程专业微机系统课程设计报告5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收转换器其结构稍有不同。3.3超声波检测接收电路超声波检测接收电路采用集成电路CX20106A，如图7所示，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，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。图7超声波接收电路图四、系统软件设计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、温度补偿及显示子程序和距离测量及显示子程序组成。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收中断程序逐一介绍。4.1超声波测距器的算法设计图6超声波转换原理图大连民族学院2005级通信工程专业微机系统课程设计报告6下图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器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，就被超声波接收器所接受。这样只要计算出发生信号到接受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。距离计算公式：22tcsd其中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。程序框图如图8所示。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。这里可以用DS18B20测量环境温度，根据不同的环境温度确定声速提高测距的稳定性。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。不同温度下的超声波声速表温度(摄氏度)-30-20-100102030100声速(m/s)3133193253233383443493864.2主程序主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0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11.0592MHz的晶振，机器周期为1us,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,以20℃时的声速为344m/s为例，则有：d=(C*T0)/2=172*T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值）读取温度、时间，计算距离系统初始化启动温度转换发送超声波脉冲开始等待接收回波显示结果读取温度、时间，计算距离系统初始化启动温度转换发送超声波脉冲开始等待接收回波显示结果距离计算子程序返回查表确定当前温度下的速度值距离=计数值*速度/20000（单位：cm）判断是否需要高位灭零距离计算子程序返回查表确定当前温度下的速度值距离=计数值*速度/20000（单位：cm）判断是否需要高位灭零图8距离计算子程序图9主程序框图大连民族学院2005级通信工程专业微机系统课程设计报告7测出距离后结果将以十进制BCD码方式显示,然后再发超声波脉冲重复测量过程。主程序框图如图9所示。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5个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。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