超聲波測(cè)距儀防撞系統(tǒng)

1、超聲波測(cè)距儀防撞系統(tǒng) 一、原理介紹 1超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用STC89C52單片機(jī)作為主控制 器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LCD 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框 圖如下圖所示 1.1超聲波測(cè)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(dá)被測(cè)物體 時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由s=vt/2即可 算出被測(cè)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(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。 在使用時(shí)，如果溫度變 化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則 應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?

2、表1-1超聲波波速與溫度的關(guān)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(cè)距儀原理框圖如下圖 單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)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(hào)經(jīng)放大器放大， 用鎖相環(huán)電路進(jìn) 行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行 判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 LCD顯示。 圖1-1超聲波測(cè)距儀原理框圖 1.3課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，任務(wù)： (1) . 了解超聲波測(cè)距原理。 (2) .根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)

3、超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。 設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，要求： 設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與 接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。 對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。 以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離 2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā) 射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)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(shí)鐘頻率，減小 測(cè)量誤差。單片機(jī)用 P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方 波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。

4、顯示 電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)， 位碼用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)。 2.1 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理 2.1.1 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn) 51系列單片機(jī)中典型芯片（AT89C51）采用40引腳雙列直插封 裝（DIP）形式，內(nèi)部由CPU 4kB的ROM 256 B的RAM 2個(gè)16b的定 時(shí)/計(jì)數(shù)器 TO和 T1, 4 個(gè) 8 b 的工/ O端 I : IP0, P1, P2, P3, 個(gè)全雙功串行通信口等組成。 特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編 程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（EPROM）使其在實(shí)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(jī)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(kāi)總中斷 O TMOD=Ox1O; / 定時(shí)器 1，16 位工作方式 while(1) delay(1OO); beep=1; EA=O; / 關(guān)總中斷 Trig=1; / 超聲波輸入端 delay_20us(); /延時(shí) 20us Trig=O; /產(chǎn)生一個(gè)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(cè)量成功標(biāo)志 EA=1; EX0=1; /打開(kāi)外部中斷 0 TH1=0; /定時(shí)器 1 清零 TL1=0; / 定時(shí)器 1 清零 TF1=0; /計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志 TR1=1; /啟動(dòng)定時(shí)器 1 delay(20); /等待測(cè)量的結(jié)果 TR1=0; /關(guān)閉定時(shí)器 1 EX0=0; /關(guān)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(wù)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(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射， 外部中斷服務(wù)子

7、程序主 要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。 （a）主程序疣程圖 （b）定時(shí)中勤服務(wù)子稈序 （C）外部中斷服芻子稈序 圖37趟聲波測(cè)距系統(tǒng)的歎件設(shè)計(jì) 主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器TO工作模式為16位定時(shí)計(jì)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(diào)用超聲波發(fā) 生子程序送出一個(gè)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(shí)約 0.1 ms （這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè) 距離的原因）后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12 MHz 的晶 振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1卩s,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功

8、的標(biāo)志位后， 將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式（2）計(jì)算，即可得被測(cè)物 體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20T時(shí)的聲速為344 m/s則有： d=（c x t）/2=172T 0/1000mm 其中，T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)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(fù)測(cè)量過(guò)程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程 序米用C語(yǔ)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(guò) P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào) （頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12“左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)

9、時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語(yǔ)言編程。 超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷 0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超 聲波信號(hào)（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即 關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還 未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成 功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測(cè)距不成功。 前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī) INT0 端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過(guò)與門 IC3A 的輸出接單片機(jī) INT1 端口，同時(shí)單片機(jī) P1.3 和 P1.4 接到 I

10、C3A 的輸入端，中斷源的識(shí)別由程 序查詢來(lái)處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。部分源程序如下： 3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 31 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 單片機(jī)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(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 P10 端口 輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的 40KHz 方波信號(hào)，利用外中斷 0 口檢測(cè)超 聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。 超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)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(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48c

11、m,其余元件無(wú)特殊 要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)， 則可提高抗干擾能力。 根據(jù)測(cè) 量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)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(diào)試好后， 便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn) 行。根據(jù)實(shí)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(cè)量的 間隔時(shí)間， 以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。 根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序， 測(cè)距儀 能測(cè)的范圍為0.075.5m,測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量 誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析， 不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要 求。 、擴(kuò)展思路 將基于 51

12、單片機(jī)的流水燈系統(tǒng)連接到測(cè)距儀上，使其在危險(xiǎn)距 離開(kāi)始閃爍報(bào)警。超出安全距離將不與工作。 總結(jié) 由于時(shí)間和其它客觀上的原因， 此次設(shè)計(jì)沒(méi)有做出實(shí)物。 但是對(duì)設(shè)計(jì)有一個(gè) 很好的理論基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波， 實(shí)現(xiàn)超聲 波的發(fā)送與接收， 從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。 以數(shù)字的形式顯 示測(cè)量距離。 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受， 根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì) 算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)； 一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收 的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方

13、式。 超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、 超聲波發(fā)射 電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)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(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0 口監(jiān)測(cè)超聲波接 收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用 74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)。 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(gòu)成，單片機(jī) P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一 個(gè)電極，另一

14、路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極， 用這種推換形 式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端， 可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。 輸出端采 兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(shí)間。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。 超 聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)， 其頻 率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)， 壓電晶片會(huì)發(fā)生共振， 并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn) 生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)未外加電壓，當(dāng) 共振板

15、接收到超聲波時(shí)， 將壓迫壓電晶片作振動(dòng)， 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 這時(shí) 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(jié)構(gòu)上稍有不 同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲波檢測(cè)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(jī)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(cè)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(cè)接收 電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106接收超聲波（無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平），具有很好的靈敏 度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)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(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)

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(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編 語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間， 而超聲波測(cè)距儀的 程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)） ，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波 測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。主超聲波測(cè)距儀主 程序利用外中斷 0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0停止計(jì) 時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信 號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外

17、中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2以表示 此次測(cè)距不成功。前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高， 左、右測(cè)距電路的輸出通過(guò)與門 IC3A 的輸出接單片機(jī) INT1 端口，同時(shí)單片機(jī) P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來(lái)處理，中斷優(yōu)先 級(jí)為先右后左。 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波 信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。 這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間， 就可算出超聲 波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0,利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到 超聲波反射波時(shí)，接收電