用51單片機設計超聲波測距系統(tǒng)的設計原理及電路附源程序

1、精品文檔 基于51單片機的超聲波測距儀說明書 引言 超聲波測距儀，可應用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè) 現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。 利用超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因 而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、 計算簡單、易于做到實時控制。 一、性能要求 該超聲波測距儀，要求測量范圍在0.08-3.00m，測量精度1cm， 測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結果。 二、工作原理及方案論證 超聲波傳感器及其測距原理 超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。用超聲波傳感器產(chǎn)生超 聲波和接收超聲波，習

2、慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波 傳感器有發(fā)送器和接收器.超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電 能和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超 聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF( timeofflight )。 首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲 波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 根據(jù)要求并綜合各方面因素，采用 AT89C5單片機作為主控制 器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定 時器完成，超聲波測距儀的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖1超聲波測距儀系統(tǒng)設

3、計框圖 三、系統(tǒng)硬件部分 硬件部分主要由單片機系統(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組成。 1. 單片機系統(tǒng)及顯示電路 單片機采用AT89C52來實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和 TCT40-10系列超聲波轉換模塊的控制。單片機通過 P1.1引腳發(fā)射脈 沖控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測外中斷0口 INTO引腳， 當INTO引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。 計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳 感器與障礙物之間的距離。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三極管驅動。 單片

4、機系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示： X, 51 31 2 殳 X P D p P / :T / WR X T p PP p 2ocy00T*A 8V 420L4/ EO2 EO1 002 62 52 32 Az 3 9 2 41 II5/-NL T4A6NL 3-CM 3丫 IY1 o丫 3rt2 2A2 1m2 Ort2 3rt1 2A1 11 Ort1 2U 20 7QA-OCL I0R 51 33 6CD4DOCL 31 40 53 5QADOCL 4QC-/-OCL 63 70 003 93 3QA0OCL 2L6IX 2CD/IOCL 1datup oqadocl 1L6IX 1U 001

5、 02 圖2單片機系統(tǒng)及顯示電路 2. 超聲波發(fā)射電路 利用555時基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，使之與換能器 的40kHz固有頻率一致。12V電源保證555時基具有足夠驅動能力。 P1.1為超聲波發(fā)射控制信號，由單片機控制。發(fā)射電路如圖3所示: 圖3超聲波發(fā)射電路原理圖 3. 超聲波檢測接收電路 超聲波接收電路采用集成電路 CX20106A這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?？紤]到紅外遙控常用 的載波頻率38KHZ與測距超聲波頻率40KHZ較為接近，可以利用它作 為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能 力。適當改變C4的大小，可改變接

6、受電路的靈敏度和抗干擾能力。 接收電路如圖4所示： 四. 系統(tǒng)軟件部分 超聲波測距程序設計軟件部分主要由主程序，超聲波發(fā)射子程 序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。 下面對超聲波測距儀的 算法，主程序，超聲波發(fā)射子程序和超聲波接受中斷程序逐一介紹。 1.超聲波測距儀的算法設計 下圖示意了超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā) 出的一個超聲波信號，當超聲波遇到被測物體后反射回來， 就被超聲 波接收器R所接受。這樣只要計算出發(fā)生信號到接受返回信號所用的 時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 距離計算公式：d=s/2=(c*t)/2 *d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回路程

7、，c為聲速，t為 精品文檔 聲波來回所用的時間 2.主程序 主程序框圖如右圖所示: 主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時 器TO工作模式為16位的定時計數(shù)器模式， 置位總中斷允許位EA并給顯示端口 P0和 P2青0。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出 一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器 直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需 延遲0.1ms（這也就是測距器會有一個最 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12MHZ勺 晶振，機器周期為1us,當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù) 器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可測得被測 物體與測距儀之間的距離，設

8、計時取20C時的聲速為344m/s則有: d=（C*T0）/2=172T0/10000cm （其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值） 測出距離后結果將以十進制 BCD碼方式LED,然后再發(fā)超聲波脈 沖重復測量過程。 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 P1.1端口發(fā)送超聲波發(fā)射控制脈沖 信號，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外 中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT 0引腳 出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關閉計時器 T0亭止計時，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

9、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。 五. 軟硬件調試及性能 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,保持兩換能器中心 軸線平行并相距4 8cm。 主要性能指標：測距儀能測的范圍為0.083.00m,測距儀精度 1cm。 程序清單 以下是用匯編語言編寫的超聲波測距控制源程序： 采用AT89S52 12MHz晶振 顯示緩沖單元在4 0H43H，使用內存 44H、45H、46H用于計算距離 20H用于標志 VOUT EQU P1.0;脈沖輸出端口 *中斷入口程序*

10、ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP INTTO ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H MOV R7,#0BH *主程序* ;4043H為顯示數(shù)據(jù)存放單元 40為最咼位） CLEARDISP:MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H,#00H MOV TMOD, #21H ;T1為8位自動重裝模式，T0為16位

11、定 時器 MOV TH0, #00H ;65ms初值 MOV TL0, #00H ;40KHz初值 MOV TH1, #0F2H MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超聲波脈沖個數(shù)控制（為賦值的一半） SETB PX0 SETB ET0 STEB EA CLR 00H SETB TR0 ;開啟測距定時器 START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ；收到反射信號時標志位為1 CLR EA LCALL WORK ;計算距離子程序 S

12、ETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新開啟測距定時器 MOV R2, #64H ； 測量間隔控制（約4*100=400ms） LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP START 1 中斷程序 INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 來回時間 SETB TR1 OUT: RETI ;T0中斷，65ms中斷一次 ；啟動計時器T0,用以計算超聲波 ；開啟發(fā)超聲波用定時器T1 ;T1中斷，發(fā)超聲波用 INTT1: CPL VOUT DJN

13、Z R4,RETIOUT CLR TR1 ;超聲波發(fā)送完畢，關T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;開啟接收回波中斷 RETIOUT: RETI ;外中斷0, 收到回波時進入 PINT0: CLR TR0 ;關計數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H,TL0 ;將計數(shù)值移入處理單元 MOV 45H, TH0 SETB 00H ;接收成功標志 RETI *延時程序 DL1MS: MOV R6, #14H DL1: MOV R7, #19H DL2: DJNZ R6, DL2 DJNZ R6, DL1 RET *顯示程序 ;4

14、0H為最高位，43H為最低位，先掃描高位 DISPLAY : MOV R1, #40H;G MOV R5,#0F7H;G PLAY: MOV A, R5 MOV P0, #0FFH MOV P2, A MOV A, R1 MOV DPTR, #TAB MOVC A, A+DPTR MOV P0, A LCALL DLIMS INCR1 MOV A, R5 JNB ACC.0, ENDOUT;G RRA MOV R5, A AJMP PLAY ENDOUT; MOV P2, #0FFH MOV P0, #0FFH RET TAB; DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,8

15、2H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH ;共陽數(shù)碼管 0 ,1,2,3,4,5,6,7,8,9不亮，A, *距離計算程序（二計算值X 17/1000cn）近似 WORK: PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18H MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #17D LCALL MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV MOV JNZ MOV 40H, R4 A, 40H JJ0 40H, #0AH ;

16、取咼位為0,不點亮 JJ0: MOV A R0 MOV R4, A MOV A R1 MOV R5 A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A, 41H JNZ JJ1 MOV A, 40H ;此咼位為0,先看取咼位疋否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ1 MOV 41H, #0AH ; 最咼位不亮，次咼位也不亮 JJ1: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4

17、MOV A 42H JNZ JJ2 MOV A, 41H ;次咼位為0,先看次咼位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ2 MOV 42H, #0AH ;次咼位不亮，次咼位也不亮 JJ2: MOV 43H, R0 POP B POP PSW POP ACC RET *兩字節(jié)無符號數(shù)乘法程序 MUL2BY2:CLR MOV A R7, A MOV R6, A MOV R5, A MOV R4, A MOV 46H, #10H MULLOOP1:CLR C MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC

18、 A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A JNC MULLOOP2 MOV A, R4 ADD A, R2 MOV R4, A MOV A, R5 ADDC A, R3 MOV R5, A MOV A, R6 ADDC A, #00H MOV R6, A MOV A, R7 ADDC A, #00H MOV R7, A MULLOOP2:DJNZ 46H, MULLOOP1 RET 四字節(jié)/兩字節(jié)無符號數(shù)除法程序 DIV4BY2: MOV 46H,#20H

19、 MOV R0, #00H MOV R1, #00H DIVL00P1: DIVL00P2: MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A CLR C MOV A, R0 SUBB A, R2 MOV B, A MOV A, R1 SUBB A, R3 JC DIVLOOP2 MOV R0, B MOV R1, A CPL C DJ

20、NZ 46H, DIVLOOP1 MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A RET END 附C51程序 #INCLUDE #DEFINE UCHAR UNSIGNED CHAR #DEFINE UINT UNSIGNED INT #DEFINE ULONG UNSIGNED LONG EXTERN VOID CS_T(VOID); EXTERN VOID DELAY(UINT); EXTERN VOID DISPLAY(UCHA

21、R*); /DATA UCHAR DISPLAY(UCHAR*); DATA UCHAR TESTOK; VOID MAIN (VOID) DATA UCHAR DISPRAM5; DATA UINT I; DATA ULONG TIME; P0=0XFF; P2=0XFF; TMOD=0X11; IE=0X80; WHILE (1) CS_T(); DELAY(1); TESTOK=0; EX0=1; ET0=1; WHILE(! TESTOK) DISPLAY(DISPRAM); IF (1=TESTOK) TIME=TH0; TIME=(TIME8)| TL0; TIME*=172; T

22、IME/=10000; DISPRAMO=(UCHAR) (TIME%10); TIME/=10; DISPRAM1=(UCHAR) (TIME%10); TIME/=10; DISPRAM2=(UCHAR) (TIME%10); DISPRAM3=(UCHAR) (TIME/10); IF (0=DISPRAM3) DISPRAM3=17; ELSE DISPRAM 0=16; DISPRAM 1=16; DISPRAM 2=16; DISPRAM 3=16; FOR (l=0;l300;l+) DISPLAY(DISPRAM); VOID CS_R(VOID) INTERRUPT 0 TR

23、0=0; ET0=0; EX0=0; TESTOK=1; VOID OVERTIME(VOID) INTERRUPT 1 EX0=0; TR0=0; ET0=0; TESTOK=2; NAME CS_T ?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODE PUBLIC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_T CS_T: PUSH ACC MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV A, #4D SETB TR0 CS_T1: CPL p1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ POP RET ACC,CS_T1 ACC J END NAME DELAY ?PR?_DELAY?DELAYSEGMENT CODE PUBLIC _DELAY RSEG ?PR?_DELAY?DELAY _DELAY: PUSH ACC MOV A,R7 JZ DELA1 INC R6 DELA1: MOVR5,#50D