基于51单片机的超声波测距电路

1南华大学电气工程学院2010年十二月“超声波测距电路”作品简介（论文）作品名称：基于单片机的超声波测距电路姓名：某某班级：自动化？？？班学号：？？？？？？联系电话：？？？？？？2摘要距离，又可称为位移量，是工业五大量度之一。测距广泛用于诸如汽车倒车、物位检测、智能避障等方面。距离的测量对于生产工作是至关重要的。现行的测距方法有很多种，本电路采取了超声波测距方案。由于超声波指向性强、传输距离远，采用超声波测距是一种既方便又快捷的方法。本方案使用了MCS-51单片机作为主控芯片，且采用了集成芯片CX20106A作为超声波接收电路的主要芯片，如此大大简化了外围电路的复杂程度，提高了电路的稳定性。通过测试，本电路基本上可以测得探头到障碍物之间的距离，达到了目的。关键词：超声波测距，MCS-51单片机，CX20106AABSTRACTDistance,whichisalsocalleddisplacementquantity,isoneofthefiveindustrialmeasurements.Thedistancemeasurementiswidelyusedintheareasuchascarbacking,leveldetection,automaticobstacleavoidanceandsoon.Thedistancemeasureisvitaltotheindustrialproduction.Therearemanywaysincurrentdistancemeasurement,thiscircuitadoptesultrasonicrangingscheme.Becauseofultrasonicdirectivityofstrong,longdistancetransmission,usingultrasonicrangingisaconvenientandquickway.ThissolutionsuseMCS-51single-chipmicrocomputerasthemasterchip,andadoptedintegratedchipsCX20106Aasultrasonicreceivingcircuitofthemainchip,thusgreatlysimplifiesthebuffercircuitthecomplexdegree,improvesthestabilityofthecircuit.Throughtesting,thiscircuitcanbasicallymeasurethedistancebetweenthesensorandtheobstacle,thisshallbegood.KEYWORDS:ultrasonic,MCS–51singlechip，CX20106A3目录1、作品名称······························（4）2、方案的比较与选择······················（4）3、电路设计思路及总体结构················（5）4、电路的设计与成型······················（5）4.1供电部分·····························（5）4.2微控制器部分·························（6）4.3超声波发射部分·······················（6）4.4超声波接收部分·······················（7）4.5温度补偿部分·························（8）4.6显示部分·····························（9）4.7整体电路及其PCB图··················（9）5、电路软件的设计··························（10）5.1初始化部分····························（11）5.2超声波发射部分························（12）5.3温度检测部分··························（12）5.4定时及中断部分························（13）5.5液晶显示部分··························（13）5.6主程序································（14）6、总结····································（14）7、参考文献································（15）41、作品名称:基于单片机的超声波测距电路。2、方案的比较与选择：目前基于电子技术测量距离的常用方法主要有雷达测距、激光测距、光电测距和超声测距等。其中由于雷达测距和激光测距的条件较为苛刻且成本高，故不在方案选择的考虑范围之内。下面着重比较光电测距和超声测距两种方案。方案1：采用光电测距。一般来说，光电测距使用红外光电管作为发射接收传感器，如图2.1为红外发光二极管和接收管。图2.1红外发射/接收管红外发射/接收信号滤波、放大信号处理、计算距离显示图2.2系统流程图红外测距反应灵敏，且安全可靠，但测量范围很窄，并且如果要求提高精度的话，需要提高成本。方案2：采用超声波测距。图2.3超声波发射/接收头5超声波发射/接收信号滤波、放大信号处理、计算距离显示图2.4系统流程图采用超声波测距的优缺点如下：优点：超声波对色彩和光照度不敏感，可在黑暗、有粉尘和测量透明物体的环境下使用；超声波对电磁干扰不敏感，可在有电磁干扰等恶劣环境下工作；超声波易于集成化、小型化。缺点：超声波会受温度、气流、材质等影响；超声波测距如欲达到一定精度，需要复杂的外围电路支持。方案的确定：经比较方案1与方案2，可知选用超声波测距不失为一种可行的办法。超声波测距的方法主要有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测法的测量精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受环境反射波的影响；渡越时间检测法工作原理简单、直观，在硬件控制和软件设计方面容易实现。本电路采用渡越时间检测法，其原理为通过检测超声波的发射和接收之间的渡越时间t，通过公式s=vt计算出障碍距离，其中v为超声波在空气中的传播速度。3、电路设计思路及总体结构：分析本电路的方案，总体为下面几个部分：供电部分图3.1结构框图根据总体结构可知，本电路的工作流程为：超声波发射——超声波接收——检测时差——计算出距离——显示如此就能细分每个环节的工作了。下面将就每个部分进行详细解析。4、电路的设计与成型：根据总体结构，电路可分解为以下部分，在此进行详细分析。4.1供电部分：供电部分为整个电路提供可靠的电源。图4.1.1为电源电路部分。MCU显示部分温度补偿部分超声波发射部分超声波接收部分6图4.1.1电源电路电源电路部分依旧使用78系列稳压芯片作为稳压芯片。由于本电路只需要使用到5V电压，故此方案简单方便且合用。4.2微控制器部分：本电路采用了STC89C52作为主控电路，图4.2.1为微控制器电路。图4.2.1微控制器电路STC89C52为STC公司的一款通用单片机，其操作简便，功能强大，适用于简单的控制系统的数据处理和动作控制方面。4.3超声波发射部分：超声波发射部分需要用单片机产生一个频率为40kHz左右的方波来带动发射头的压电晶片来起振，从而发射出超声波。图4.3.1超声波换能器图4.3.2压电式超声波传感器结构7如图4.3.3为超声波发射部分的电路：图4.3.3超声波发射电路由于单片机端口输出功率不够，所以经单片机产生的40kHz方波脉冲信号T分成两路，一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极。再加上两个上拉电阻TR1和TR2，可有效提高74LS04的带负载能力。4.4超声波接收部分：超声波接收部分的任务是接收到返回的超声波信号并对其进行滤波、放大、整形。由于用分立元件搭建超声波接收电路的效果很差，而且电路元件的参数不容易用常用元件达到，故超声波接收电路采用了索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。CX20106的内部结构如图4.4.1所示：图4.4.1CX20106内部结构CX20l06A是日本索尼公司生产的红外接收芯片，也适用于超声波接收。其采用单列8脚直插式，小型封装，+5V供电，使用方便，功能强大。超声波接收电路如图4.4.2所示。8图4.4.2超声波接收电路超声波接收电路工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率38kHz相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平。将此低电平信号输出给单片机的外部中断0，即可产生一个中断信号。4.5温度补偿部分：由常识可知，声波在空气中的传播速度首温度的影响。如果在计算距离时忽略这个影响，会造成不小的误差，尤其在对距离测量有精度要求时，温度因素更加不可忽略了。所以本电路特地加上了温度补偿环节。如图4.5.1为温度测量电路。图4.5.1温度测量电路9本电路采用了DALLAS公司生产的集成温度传感器DS18B20作为测温电路芯片，它具有结构小巧、操作简便且功耗小的优点，被广泛用在各种温度测量的场合。4.6显示部分：本电路采用12864液晶显示器作为显示部分，其突出优点就是可以显示汉字等字符，且与单片机的借口简单，操作方便。如图4.6.1为显示部分的电路图。图4.6.1显示部分电路图4.7整体电路及其PCB图：整体电路（不包含单片机部分）的电路图如图4.7.1所示。图4.7.1整体电路如图，接口P1用来与单片机交流。PCB图如图4.7.2所示。10图4.7.2PCB印制板图5、电路软件的设计：开始单片机初始化判断是否有回波发射脉冲显示计算距离接收脉冲NY图5.1软件流程图11由图可知，软件部分包括初始化部分、超声波发射部分、定时及中断部分、温度检测部分和液晶显示部分。下面分别对这几部分进行列举：5.1初始化部分：初始化部分完成对温度检测部分、液晶显示部分和定时中断部分的初始化，其函数分别如下：温度检测初始化函数：voidinit_18B20(void){reset_18B20();//总线复位wbyte_18B20(0xcc);//忽略检查ROM匹配操作wbyte_18B20(0x4e);//设置写模式（写暂存器）wbyte_18B20(0x1f);//写温度计配置寄存器}12864液晶初始化函数：voidinit_12864(){delay_ms_12864(40);//大于40MS的延时程序psb=1;//设置为8BIT并口工作模式delay_12864(1);//延时res=0;//复位delay_12864(1);//延时res=1;//复位置高delay_12864(10);worder_12864(0x30);//功能设定delay_12864(37);////大于37uS的延时程序worder_12864(0x08);//显示状态开/关delay_12864(100);//大于100uS的延时程序worder_12864(0x10);//游标或显示移位控制delay_12864(100);//大于100uS的延时程序worder_12864(0x0c);//显示状态,D=1,显示开delay_12864(100);//大于100uS的延时程序worder_12864(0x01);//清除显示delay_12864(10);//大于10mS的延时程序worder_12864(0x06);//EnryModeSet,光标从右向左加1位移动delay_12864(100);//大于100uS的延时程序}定时中断初始化程序：voidint_ini