超聲波測距儀防撞系統(tǒng)

1、超聲波測距儀防撞系統(tǒng) 一、原理介紹 1超聲波測距器的系統(tǒng)框圖 根據設計要求并綜合各方面因素，可以采用STC89C52單片機作為主控制 器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LCD 數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框 圖如下圖所示 1.1超聲波測距原理 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度u在空氣中傳播，在到達被測物體 時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可 算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度 有關，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。 在使用時，如果溫度變 化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則 應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?

2、表1-1超聲波波速與溫度的關系表 溫度C） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 聲速（m / s） 313 319 325 323 338 344 349 386 1.2超聲波測距儀原理框圖如下圖 單片機發(fā)出40kHZ的信號，經放大后通過超聲波發(fā)射器輸出; 超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大， 用鎖相環(huán)電路進 行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行 判別、計算，得出距離數(shù)并送 LCD顯示。 圖1-1超聲波測距儀原理框圖 1.3課題設計的任務和要求 設計一超聲波測距儀，任務： (1) . 了解超聲波測距原理。 (2) .根據超聲波測距原理，設計

3、超聲波測距器的硬件結構電路。 設計一超聲波測距儀，要求： 設計出超聲波測距儀的硬件結構電路。 對設計的電路進行分析能夠產生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與 接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 對設計的電路進行分析。 以數(shù)字的形式顯示測量距離 2系統(tǒng)的硬件結構設計 硬件電路的設計主要包括單片機系統(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。單片機采用 AT89C51 或其兼 容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小 測量誤差。單片機用 P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方 波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。

4、顯示 電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅動， 位碼用PNP三極管8550驅動。 2.1 51 系列單片機的功能特點及測距原理 2.1.1 51 系列單片機的功能特點 51系列單片機中典型芯片（AT89C51）采用40引腳雙列直插封 裝（DIP）形式，內部由CPU 4kB的ROM 256 B的RAM 2個16b的定 時/計數(shù)器 TO和 T1, 4 個 8 b 的工/ O端 I : IP0, P1, P2, P3, 個全雙功串行通信口等組成。 特別是該系列單片機片內的 Flash 可編 程、可擦除只讀存儲器（EPROM）使其在實際中有著十分廣泛的用途， 在便

5、攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 該系列單 片機引腳與封裝如圖 2-1 所示。 P1. 0 40 3 Vcc Pl. 1 q 39 P0. O/ADO P1. 2 38 J P0+ 1/AD1 P1. 3 q 37 P0. 2/AD2 P1.4 3 / 首先拉低脈沖輸入引腳 EA=1;/ 打開總中斷 O TMOD=Ox1O; / 定時器 1，16 位工作方式 while(1) delay(1OO); beep=1; EA=O; / 關總中斷 Trig=1; / 超聲波輸入端 delay_20us(); /延時 20us Trig=O; /產生一個20us的脈沖 while(Ec

6、ho=0); /等待Echo回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標志 EA=1; EX0=1; /打開外部中斷 0 TH1=0; /定時器 1 清零 TL1=0; / 定時器 1 清零 TF1=0; /計數(shù)溢出標志 TR1=1; /啟動定時器 1 delay(20); /等待測量的結果 TR1=0; /關閉定時器 1 EX0=0; /關閉外部中斷 0 3.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，如圖 3-1 (a)(b) (c) 所示 主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射， 外部中斷服務子

7、程序主 要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 （a）主程序疣程圖 （b）定時中勤服務子稈序 （C）外部中斷服芻子稈序 圖37趟聲波測距系統(tǒng)的歎件設計 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器TO工作模式為16位定時計數(shù) 器模式。置位總中斷允許位 EA并給顯示端口 P0和P1清0。然后調用超聲波發(fā) 生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起 的直射波觸發(fā)，需要延時約 0.1 ms （這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測 距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12 MHz 的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1卩s,當主程序檢測到接收成功

8、的標志位后， 將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算，即可得被測物 體與測距儀之間的距離，設計時取 20T時的聲速為344 m/s則有： d=（c x t）/2=172T 0/1000mm 其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。 測出距離后結果將以十進制 BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后 再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程 序米用C語言編 寫。 3.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.0端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號 （頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12“左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計

9、時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 0檢測返回超聲波信號，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。進入中斷后就立即 關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還 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 關閉，并將測距成 功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口，同時單片機 P1.3 和 P1.4 接到 I

10、C3A 的輸入端，中斷源的識別由程 序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。部分源程序如下： 3系統(tǒng)硬件電路設計 31 單片機系統(tǒng)及顯示電路 單片機采用 STC89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶 振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 P10 端口 輸出超聲波轉化器所需的 40KHz 方波信號，利用外中斷 0 口檢測超 聲波接收電路輸出的返回信號。 超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15 的超聲波換能器 TCT40-10F1（T 發(fā)射）和 TCT40-10S1（R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距48c

11、m,其余元件無特殊 要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來， 則可提高抗干擾能力。 根據測 量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得 合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調試好后， 便可將程序編譯好下載到單片機試運 行。根據實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的 間隔時間， 以適應不同距離的測量需要。 根據所設計的電路參數(shù)和程序， 測距儀 能測的范圍為0.075.5m,測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調試完后應對測量 誤差和重復一致性進行多次實驗分析， 不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要 求。 、擴展思路 將基于 51

12、單片機的流水燈系統(tǒng)連接到測距儀上，使其在危險距 離開始閃爍報警。超出安全距離將不與工作。 總結 由于時間和其它客觀上的原因， 此次設計沒有做出實物。 但是對設計有一個 很好的理論基礎。 設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產生超聲波， 實現(xiàn)超聲 波的發(fā)送與接收， 從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 以數(shù)字的形式顯 示測量距離。 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受， 根據超聲波傳播的時間來計 算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射， 另一端接收的直接波方式， 適用于身高計； 一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收 的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方

13、式。 超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(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。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接 收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用 74LS244驅動，位碼用PNP三極管8550驅動。 超聲波發(fā)射電路主要由反相器 74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成，單片機 P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一 個電極，另一

14、路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極， 用這種推換形 式將方波信號加到超聲波換能器的兩端， 可以提高超聲波的發(fā)射強度。 輸出端采 兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻R1O R11 一方面可以提高反向 器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果， 縮短其自由振蕩時間。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超 聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。 當它的兩極外加脈沖信號， 其頻 率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時， 壓電晶片會發(fā)生共振， 并帶動共振板振動產 生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當 共振板

15、接收到超聲波時， 將壓迫壓電晶片作振動， 將機械能轉換為電信號， 這時 它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不 同，使用時應分清器件上的標志。 超聲波檢測接收電路主要是由集成電路 CX20106組成，它是一款紅外線檢波 接收的專用芯片， 常用于電視機紅外遙控接收器。 考慮到紅外遙控常用的載波頻 率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收 電路。實驗證明用CX20106接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很好的靈敏 度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和 抗干擾能力。 超聲波測距儀的軟件設計

16、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組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編 語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間， 而超聲波測距儀的 程序既有較復雜的計算（計算距離時） ，又要求精細計算程序運行時間（超聲波 測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主 程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，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。進入中斷后就立即關閉計時器 T0停止計 時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當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

17、中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值 2以表示 此次測距不成功。前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優(yōu)先級最高， 左、右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口，同時單片機 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先 級為先右后左。 超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波 信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。 這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間， 就可算出超聲 波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0,利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到 超聲波反射波時，接收電