基于51單片機超聲波測距

一 設計要求（1）設計一個以單片機為核心的超聲波測距儀，可以應用于汽車倒車、工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控；（2）測量范圍在0.504.00m，測量精度1cm；（3）測量時與被測物無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結果。二 超聲波測距系統(tǒng)電路總體設計方案本系統(tǒng)硬件部分由AT89S52控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測量電路、聲音報警電路和LCD顯示電路組成。汽車行進時LCD顯示環(huán)境溫度，當?shù)管嚂r，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過AT89S52數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到LCD上，如果距離小于設定值時，報警電路會鳴叫，提醒司機注意車距。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示：圖5 系統(tǒng)設計總框圖由單片機AT89S52編程產(chǎn)生10us以上的高電平，由指定引腳輸出，就可以在指定接收口等待高電平輸出。一旦有高電平輸出，即在模塊中經(jīng)過放大電路，驅動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的處理，指定接收口即變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機中定時器的值。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離，并由單片機控制顯示出來。由時序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產(chǎn)生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。圖6 時序圖三 超聲波發(fā)射和接收電路的設計分立元件構成的發(fā)射和接收電路容易受到外界的干擾，體積和功耗也比較大。而集成電路構成的發(fā)射和接收電路具有調(diào)試簡單，可靠性好，抗干擾能力強，體積小，功耗低的優(yōu)點，所以優(yōu)先采用集成電路來設計收發(fā)電路。31 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩部分，可采用軟件發(fā)生法和硬件方法產(chǎn)生超聲波。在超聲波的發(fā)射電路的設計中，我們采用電路結構簡單的集成電路構成發(fā)射電路： 圖7 由反相器構成的超聲波發(fā)射電路圖7是由反相器74HC04構成的發(fā)射電路，用反相器74HC04構成的電路簡單，調(diào)試容易，易通過軟件控制。單片機輸出的方波經(jīng)過反相器接到發(fā)射器T1的兩極，用圖中的推挽形式將方波信號加到發(fā)射器T1兩端，可以提高發(fā)射器T1的發(fā)射強度。圖中把兩個非門的輸出接到一起的目的是為了提高其吸入電流，電路驅動能力提高。74HC04是一個高速CMOS六反相器，具有對稱的傳輸延遲和轉換時間，而相對于LSTTL邏輯IC，它的功耗減少很多。另外，上拉電阻R1、R2一方面可以提高反相器74HC04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加發(fā)射器T1的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。3. 2 超聲波接收電路圖8是由CX20106構成的接收電路，在實物的制作過程中，我們將用CX20106A這一型號代替。CX20106A是索尼公司生產(chǎn)的彩電專用紅外遙控接收器，是CX20106的改進型，也可用于超聲波測試，有較強的抗干擾性和靈敏度。CX20106A采用單列8腳直插式，超小型封裝，+5V供電。管腳1是超聲波信號輸入端，其輸入阻抗約為40K；管腳2的R1、C4決定接收器R的總增益，增大電阻R1或減小電容C4，將使放大倍數(shù)下降，負反饋量增大，電容C4的改變會影響到頻率特性，實際使用中一般不改動；管腳3與GND之間連接檢波電容C2，考慮到檢波輸出的脈沖寬度變動大，推薦參數(shù)為3.3uF；管腳5上的電阻R2用以設置帶通濾波器的中心頻率，阻值越大，中心頻率越低，取R2=200K時，中心頻率約為42KHZ；管腳6與GND之間接入一個積分電容C3，電容值越大，探測距離越短；管腳7是遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，沒接收信號時，該端輸出為高電平，有信號時則會下降；管腳8接+5V電源。 圖8 CX20106構成的接收電路綜合以上的分析，在由集成電路構成的接收和發(fā)射電路中，發(fā)射電路我們選用由反相器構成的電路，接收電路采用由紅外接收檢波芯片CX20106A構成，主要是考慮到系統(tǒng)的調(diào)試簡單，成本低以及可靠性好。四 單片機主機系統(tǒng)電路4.1 復位電路單片機在RESET端加一個大于20ms正脈沖即可實現(xiàn)復位，上電復位和按鈕組合的復位電路如圖9。在系統(tǒng)上電的瞬間，RST與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個正脈沖。只要該脈沖足夠寬就可以實現(xiàn)復位。當人按下按鈕SW1時，使電容C1通過R1迅速放電，待SW1彈起后，C1再次充電，實現(xiàn)手動復位。圖9 復位電路4.2 時鐘電路 當使用單片機的內(nèi)部時鐘電路時，單片機的XTAL1和XTAL2用來接石英晶體和微調(diào)電容，如圖10所示。 圖10 時鐘電路4.3 按鍵電路我們通過P1.0來啟動測量，程序中通過查詢P1.0的電平來檢測是否按鍵被按下，在軟件中通過軟件延時來消除按鍵的機械抖動。 圖11 按鍵電路4.4 蜂鳴器電路本次設計通過一只蜂鳴器來提示用戶按鍵按下了，現(xiàn)在單片機開始了測距。蜂鳴器是一塊壓電晶片，在其兩端加上3-5V的直流電壓，就能產(chǎn)生3KHz的蜂鳴聲，電路如圖12。通過單片機軟件產(chǎn)生3KHz的信號從P3.7口送到三極管9013的基極，控制著電壓加到蜂鳴器上，驅動蜂鳴器發(fā)出聲音。圖12 蜂鳴器電路4.5 溫度測量電路由于超聲波的傳播速度c會受溫度、濕度、壓強等的影響，其中溫度的影響尤為嚴重。因此在測量精度要求高的場合，應通過溫度補償對超聲波的傳播速度進行校正，以減小誤差。圖13 溫度檢測電路本系統(tǒng)采用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器進行溫度測量，它所測量的溫度值用9位二進制數(shù)直接表示，這些值通過DS18B20的數(shù)據(jù)總線直接輸入CPU，無需A/D轉換，而且讀寫指令、溫度轉換指令都是通過數(shù)據(jù)總線傳入DS18B20，無需外部電源。DS18B20數(shù)字溫度傳感器與AD590、LM35等溫度傳感器相比，具有相當?shù)臏y溫范圍和精度，溫度測量精確、不受外界干擾等優(yōu)點。4.6 LCD顯示電路 本設計采用LCD液晶顯示屏來顯示距離和溫度，具有體積小、功耗低、界面美觀大方等優(yōu)點，這里使用YB1602液晶屏，它具有16個引腳，其正面左起為第一腳，如圖14所示： 圖14 LCD1602實物第一腳VSS：接地。第二腳VDD：+5V電源。第三腳VEE：對比度調(diào)整端。使用時通過接一個10K的電阻來調(diào)節(jié)。第四腳RS:寄存器選擇信號線，H為數(shù)據(jù)選擇，L為指令選擇。第五腳RW:讀寫信號線。第六腳E ：使能端，當E由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r執(zhí)行命令。第7-14腳：8位數(shù)據(jù)線D0-D7。第十五腳BLA:背光電源正極輸入端。第十六腳BLK:背光電源負極輸入端。 圖15 LCD顯示電路4.7 電源電路 電源電路采用普通可調(diào)電源供電，該電源不含穩(wěn)壓器，所以在設計中需要用穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓。我們選用LM7805來獲得穩(wěn)定的+5V直流電壓。輸入電壓（21V）經(jīng)過7805的穩(wěn)壓輸出+5V的電壓，圖中的D2為保護7805，防止電源極性接反損壞7805，濾波電容采用100uF電解和104瓷片電容并聯(lián)使用，電磁兼容的實踐證明，兩個差100倍的電容并聯(lián)使用效果很好。本設計電源電路如下： 圖16 電源電路五.系統(tǒng)軟件設計5.1 系統(tǒng)程序的結構(1)DS18B20溫度傳感器接口模塊，分為初始化程序、寫入命令以及讀取子程序等部分；(2)基于YB1602的顯示模塊，分為初始化子程序、寫入子程序以及顯示子程序；(3)溫度補償與距離計算模塊，分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序、溫度補償子程序等。本次設計使用C語言編寫程序，C語言相比匯編有許多的優(yōu)勢，編譯器使用KeilVersion2進行程序編譯，Keil功能強大使用方便。在編譯完成后，通過Proteus軟件進行仿真，對設計進行驗證和優(yōu)化。如圖17所示描述了各個模塊的關系： 圖17 系統(tǒng)軟件方框圖5.2 系統(tǒng)主程序本設計主程序的思想如下：(1)溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為mm；(2)溫度每隔900ms采樣一次，DS18B20在12位精度下轉換周期為750ms ,故900ms滿足該速度要求；超聲波每隔60ms發(fā)送一次。(3)按鍵SW2為測量啟動鍵；(4)系統(tǒng)采用AT89S52的內(nèi)時鐘：12MHz，每記一次數(shù)為1us； 圖18 主程序流程圖5.3 40KHz超聲波發(fā)送子程序超聲波每過60ms發(fā)送一次，通過定時器T0中斷發(fā)送超聲波，超聲波發(fā)送后延時一段時間后返回，防止余波被接收頭接收誤判，流程圖如下： 圖19 超聲波發(fā)送子程序流程圖5.4 DS18B20溫度采集程序DS18B20的工作流程是,初始化ROM操作指令存儲器操作指令數(shù)據(jù)傳輸。其工作時序包括：初始化時序、寫時序和讀時序。 圖20 溫度采集程序流程圖5.5 距離計算子程序距離計算中，實行了溫度補償和角度補償。流程圖如下： 圖21 距離計算子程序流程圖5.6 數(shù)據(jù)轉換子程序經(jīng)過程序求出的數(shù)據(jù)原碼無法直接用于顯示，必須轉換為LCD所接受的BCD碼的形式。 圖22 數(shù)據(jù)轉換子程序流程圖 5.7 LCD顯示子程序 LCD液晶顯示程序分為液晶初始化、讀忙、寫指令和寫數(shù)據(jù)操作，液晶顯示器是