基于AT89S51單片機的超聲波測距系統(tǒng)

1、畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 設設 計計 基于基于 at89s51 單片機的超聲波測距系統(tǒng)單片機的超聲波測距系統(tǒng) 摘摘 要要 超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優(yōu)點，所以，在利用傳感 器技術和自動控制技術相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應用最普遍的一種， 它廣泛應用于防盜、倒車雷達、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。 本課題詳細介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 atmel 公司的 at89s51 單片 機的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎上，指出了設計測距系統(tǒng)的思 路和所需考慮的問題，給出了以 at89s51 單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù) 字顯示超聲

2、波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。該系統(tǒng)電路設計合理、工作穩(wěn)定、 性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到 工業(yè)實用的要求。 關鍵詞關鍵詞：超聲波 單片機 測距 at89s51 abstractabstract ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology an

3、d automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at 1 present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , building construction site and some industrial scenes extensively。 this subject has introduced

4、principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer at89s51 of atmel company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed

5、out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking at89s51 as the core ,this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speed

6、ing soon , calculating simple , apt to accomplish real-time control ,and can reach industrys practical demand in measuring the precision 。 key words: ultrasonic wave; one-chip computer; range finding; at89s51 2 目目 錄錄 abstractabstract.1 第第 1 1 章章 緒論緒論.3 1.11.1 課題背景，目的和意義課題背景，目的和意義.3 1.21.2 基于單片機的超聲波測

7、距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng).3 1.31.3 課題主要內(nèi)容課題主要內(nèi)容.4 第第 2 2 章章 超聲波測距原理概述超聲波測距原理概述.5 2.12.1 超聲波傳感器超聲波傳感器.6 2.1.1 超聲波發(fā)生器.6 2.1.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理.6 2.1.3 單片機超聲波測距系統(tǒng)構成.7 第第 3 3 章章 設計方案設計方案.8 3.13.1 at89s51at89s51 單片機單片機.8 3.23.2 超聲波測距系統(tǒng)構成超聲波測距系統(tǒng)構成.11 .1 超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系統(tǒng).12 .2 超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射、接收電路.12

8、 .3 顯示電路顯示電路.14 .4 供電電路供電電路.14 .5 報警輸出電路報警輸出電路.15 第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計.16 4.14.1 主程序設計主程序設計.16 4.34.3 超聲波測距程序流程圖超聲波測距程序流程圖.20 4.44.4 超聲波測距程子序流程圖超聲波測距程子序流程圖.21 第第 5 5 章章 調(diào)試及性能分析調(diào)試及性能分析.21 5.15.1 調(diào)試步驟調(diào)試步驟.21 5.25.2 性能分析性能分析.22 參考文獻參考文獻.22 附錄一：基于附錄一：基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系

9、統(tǒng)電原理圖單片機超聲波測距系統(tǒng)電原理圖.24 附錄二附錄二 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)單片機超聲波測距系統(tǒng) pcbpcb 圖圖.25 附錄三附錄三 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)焊接組裝圖單片機超聲波測距系統(tǒng)焊接組裝圖.26 附錄四附錄四 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)單片機超聲波測距系統(tǒng) c c 語言原程序語言原程序.27 附錄五附錄五 元件清單元件清單.41 3 第第 1 1 章章 緒論緒論 1.11.1 課題背景，目的和意義課題背景，目的和意義 傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的主要內(nèi)容之一。信息技術包

10、括計算機技術、通信技 術和傳感器技術，計算機技術相當于人的大腦，通信相當于人的神經(jīng)，而傳感器就相 當于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳 感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應用。利 用單片機控制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，并且 測量精度較高。 超聲波測距系統(tǒng)主要應用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工 地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng) 的原理有著很大的現(xiàn)實意義。對本課題的研究與設計，還能進一步提高自己的電路設 計水平，深入對單片機的理解和應用。

11、 1.21.2 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機編程產(chǎn)生頻率為 40khz 的方波，經(jīng) 過發(fā)射驅(qū)動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經(jīng)反射物 反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機中斷口。 其系統(tǒng)框圖如圖 2-1 所示。 圖 1-1 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)框圖 這種以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和收到 反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片 機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部

12、 4 中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離，結(jié)果輸出給 led 顯示。 利用單片機準確計時，測距精度高，而且單片機控制方便，計算簡單。許多超聲 波測距系統(tǒng)都采用這種設計方法。 1.31.3 課題主要內(nèi)容課題主要內(nèi)容 通過上節(jié)介紹我們知道，以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)設計簡單、方便，而 且測精度能達到工業(yè)要求。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。 通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，超 聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立 即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算 出發(fā)射點距障礙物的距

13、離。 本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。 系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器，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。當收到超聲波的反射波時， 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，單片機檢測到這個負跳變信號后，停止內(nèi)部計時器 記時，讀取時間，計算距離,測量結(jié)果輸出給 led 顯示。 利用本測距系統(tǒng)測量范圍應在 40cm699cm，其誤差 1cm。 5 第第 2 2 章章 超聲波測距原理概述超聲波測距原理概述 超聲波是由機械振動產(chǎn)生的,可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。由于超聲波指向 性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的

14、距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量， 如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲測距是一種非接觸式的檢測 方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。 對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應 能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。 特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的 結(jié)構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高;而且 超聲波傳感器具有結(jié)構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。利用超聲波檢測往往比 較迅速、方便、計算簡單

15、、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用 的要求。 超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。 相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限; 聲波幅值檢測法易受反射波的影響。 本測距系統(tǒng)采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為: 檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的 超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速 相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同 時單片機開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接 收器收到反射波就立即停止計時。再由單機計算出距離，送 led 數(shù) 碼管顯示測量結(jié)果。

16、超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對應值如表 2-1 ，根據(jù)計時器記錄的 時間 t (見圖 2-1)，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離( s ) ，即: s = v t / 2 。 表 2-1 聲速與溫度的關系 溫度()302010 0102030100 聲速(m/s) 313319325323338344349386 6 圖 2-1 超聲波測距時序圖 2.12.1 超聲波傳感器超聲波傳感器 .1 超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講， 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類: 一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn) 生

17、超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等; 機械方式有加爾統(tǒng)笛、液 哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途 也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 .2 壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應的原理，壓電效應有逆效應 和順效應，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應的原理。所 謂壓電逆效應如圖 2-2 所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應變。若 在圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b 所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶 瓷的極化正電荷相

18、斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電 陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖 c 所示那 樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。 7 圖 2-2 壓電逆效應圖 .3 單片機超聲波測距系統(tǒng)構成單片機超聲波測距系統(tǒng)構成 單片機 at89s51 發(fā)出短暫的 40khz 信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射 后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟 動單片機中斷程序，讀出時間 t，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結(jié) 果被送至 led 數(shù)碼管進行顯示。 限制超聲波系統(tǒng)的最大可測距

19、離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、 反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接 接收能力將決定最小可測距離。 開始測量 超聲波信號 開定時器 關定時器 數(shù)據(jù)運算 顯示器 接收檢測電聲換能器 電聲換能器驅(qū)動電路 圖 2-3 超聲波測距系統(tǒng)框圖 8 第第 3 3 章章 設計方案設計方案 按照系統(tǒng)設計的功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、 超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。 單片機主控芯片使用 51 系列 at89s51 單片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也是 在單片機課程設計中經(jīng)常使用到的控制芯片。 發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅(qū)動

20、超聲波發(fā)送。 接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調(diào)試工作小較小。 圖 3-1：系統(tǒng)設計框圖 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)射電路和超聲波接收 電路、報警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機采用 at89s51，系統(tǒng)晶振采用 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 p2.7 端口輸出超聲 波換能器所需的 40khz 的方波信號，p3.5 端口監(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 3 位共陽 led 數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機的 p2 口，位碼 輸出端口分別為單片機的 p3.4、p3.2、p3.3 口,數(shù)碼管位

21、驅(qū)運用 pnp 三極管 s9012 三 極管驅(qū)動。 3.13.1 at89s51at89s51 單片機單片機 at89s51是美國atmel公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos8位單片機，片內(nèi)含4k bytes 的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲器,器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技 超聲波接收模 塊 超聲波發(fā)射模 塊 單片機控制系統(tǒng) （at89s51） 顯示模塊 鍵盤模塊 供電單元 9 術生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲器既可在線編程（isp） 也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，atmel公司的功能強大， 低價位at89s51單片機可

22、為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領 域。 主要性能參數(shù)：主要性能參數(shù)： 與mcs-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（isp）flash閃速存儲器 1000次擦寫周期 4.05.5v的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0hz33mhz 三級程序加密鎖 1288字節(jié)內(nèi)部ram 32個可編程io口線 2個16位定時計數(shù)器 6個中斷源 全雙工串行uart通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（wdt）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（isp字節(jié)或頁寫模式） 功能特性概述：功能特性概述： at89s51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)f

23、lash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個 io 口線，看門狗（wdt） ，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16 位定時計數(shù)器，一個5 向量兩 級中斷結(jié)構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，at89s51可降至 0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作， 但允許ram，定時計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram 中的 內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 引腳功能說明 vcc：電源電壓 10 gnd：地 p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復用口。作 為輸出口用時，每位能驅(qū)

24、動8個ttl邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù) 總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在f1ash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在 程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 p1口：pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io口，pl的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“l(fā)” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口 拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳 被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil） 。 flash編程和程序校驗期間，pl接收低8位

25、地址。 端口引腳端口引腳 第二功能：第二功能： p1.5 mosi（用于isp編程） p1.6 miso（用于isp編程） p1.7 sck （用于isp編程） p2 口：p2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向io 口，p2 的輸出緩沖級可 驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個ttl邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把 端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個 引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil） 。 在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movxdptr指令） 時，p2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器

26、（如執(zhí)行movxri 指 令）時，p2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中p2寄存器的內(nèi)容） ，在整 個訪問期間不改變。 flash編程或校驗時，p2亦接收高位地址和其它控制信號。 p3 口：p3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i0 口。p3 口輸出緩沖級可驅(qū) 動（吸收或輸出電流）4 個ttl邏輯門電路。對p3口寫入“l(fā)”時，它們被內(nèi)部上拉電 阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流 （iil） 。 p3口除了作為一般的i0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 11 p3口還接收一些用于flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號

27、。 at89s51 中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1 和xtal2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶 瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖5。 外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容cl、c2 接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián) 振蕩電路。對外接電容cl、c2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影 響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用 石英晶體，推薦電容使用30pf10pf，而如使用陶瓷諧振器選擇40pf10f。 用戶也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖5右圖所示。這種情

28、況下，外 部時鐘脈沖接到xtal1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2則懸空。 由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信 號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產(chǎn) 品技術條件的要求。圖3-2為晶體接線圖和外接時鐘線路圖。 石英晶體時：c1，c230pf10pf 外部時鐘驅(qū)動電路外部時鐘驅(qū)動電路 陶瓷濾波器：c1，c240pf10pf 圖3-2 內(nèi)部振蕩電路 3.23.2 超聲波超聲波測距系統(tǒng)構成測距系統(tǒng)構成 本系統(tǒng)由單片機 at89s51 控制，包括單片機系統(tǒng)、發(fā)射電路與接收放大電路和顯 示電路幾部分組成，如圖 3-1

29、所示。硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、 12 超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機采用 at89s51。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 p2.7 端口輸出超聲波換能器 所需的 40khz 的方波信號，p3.5 端口監(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 3 位共陽 led 數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機的 p2 口，位碼輸出端口 分別為單片機的 p3.4、p3.2、p3.3 口,數(shù)碼管位驅(qū)運用 pnp 三極管 s9012 三極管驅(qū)動。 超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片機 p3.5 輸

30、入一 個低電平脈沖。單片機控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內(nèi)部計時 器 t0 計時，當檢測到 p3.5 由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止?nèi)部計時器計時。單片 機將測得的時間與聲速相乘再除以 2 即可得到測量值，最后經(jīng) 3 位數(shù)碼管將測得的結(jié) 果顯示出來。 .1 超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系統(tǒng) 超聲波測距單片機系統(tǒng)主要由：at89s51 單片機、晶振、復位電路、電源濾波部 份構成。由 k1，k2 組成測距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設定超聲波測距報警值。如圖3- 3。 圖 3-3：超聲波測距單片機系統(tǒng) 13 .2 超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射、接收

31、電路 超聲波發(fā)射如圖 3-4，接收電路如圖 3-5。超聲波發(fā)射電路由電阻 r1、三極管 bg1、超聲波脈沖變壓器 b 及超聲波發(fā)送頭 t40 構成，超聲波脈沖變壓器，在這里的作 用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩產(chǎn)端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測 量距離。接收電路由 bg1、bg2 組成的兩組三級管放大電路構成；超聲波的檢波電路、 比較整形電路由 c7、d1、d2 及 bg3 組成。 40khz 的方波由 at89s51 單片機的 p2.7 輸出，經(jīng) bg1 推動超聲波脈沖變壓器，在 脈沖變壓器次級形成 60vpp 的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射 超聲波。發(fā)送出的超聲

32、波，遇到障礙物后，產(chǎn)生回波，反射回來的回波由超聲波接收 頭接收到。由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路 放大，整形，最后輸出一負跳變，輸入單片機的 p3 腳。 圖 3-4：超聲波測距發(fā)送單元 該測距電路的 40khz 方波信號由單片機 at89s51 的 p2.7 發(fā)出。方波的周期為 1/40ms，即 25s，半周期為 12.5s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便 可產(chǎn)生 40khz 方波。由于單片機系統(tǒng)的晶振為 12m 晶振，因而單片機的時間分辨率是 1s，所以只能產(chǎn)生半周期為 12s 或 13s 的方波信號，頻率分別為 41.67khz 和 38.46

33、khz。本系統(tǒng)在編程時選用了后者，讓單片機產(chǎn)生約 38.46khz 的方波。 14 圖圖 3-53-5：超聲波測距接收單元：超聲波測距接收單元 由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收電路需要將其進行放大。接收電 路如圖 3-5 所示。接收到的信號加到 bg1、bg2 組成的兩級放大器上進行放大。每級放 大器的放大倍數(shù)為 70 倍。放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號，即把多個脈沖 波解調(diào)成多個大脈沖波。這里使用的是 i n 4148 檢波二極管，輸出的直流信號即兩二 極管之間電容電壓。該接收電路結(jié)構簡單，性能較好，制作難度小。 .3 顯示電路顯示電路 本系統(tǒng)采用三位一體

34、l e d 數(shù)碼管顯示所測距離值，如圖 3-6。數(shù)碼管采用動態(tài) 掃描顯示，段碼輸出端口為單片機的 p2 口，位碼輸出端口分別為單片機的 p3.4、p3.2、p3.3 口,數(shù)碼管位驅(qū)運用 pnp 三極管 s9012 三極管驅(qū)動。 15 圖圖3-63-6：顯示單元圖：顯示單元圖 .4 供電電路供電電路 本測距系統(tǒng)由于采用的是 led 數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時，系統(tǒng)工作電流 約為 30-45ma，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計的可靠正常工作，系統(tǒng)的供電方式主要交流 ac6-9 伏， 同時為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮了第二種方式，即由 usb 口供電，調(diào)試時直接由 電腦 usb 口供電。6 伏交

35、流是經(jīng)過整流二極管 d1-d4 整流成脈動直流后，經(jīng)慮波電容 c1 慮波后形成直流電，為保證單片機系統(tǒng)的可電，供電路中由 5 伏的三端稱壓集成電 路進行穩(wěn)壓后輸出 5 伏的真流電供整個系統(tǒng)用電，為進一步提高電源質(zhì)量，5 伏的直流 電再次經(jīng)過 c3、c4 濾波。 16 圖圖3-73-7：供電單元電路圖：供電單元電路圖 .5 報警輸出電路報警輸出電路 為提高測測距系統(tǒng)的實用性，本測距系統(tǒng)的報警輸出提供開關量信號 及聲響信號兩種方式。 方式一：報警信號由單片機 p3.1 端口輸出，繼電器輸出，可驅(qū)動較大 的負載，電路由電阻 r6、三極管 bg9、繼電器 jdq 組成，當測量值低于 事

36、先設定的報警值時，繼電器吸合，測量值高于設定的報警值時，繼電器 斷開。 方式二：報警信號由單片機 p0.2 口輸出，提供聲響報警信號，電路由 電阻 r7、三極管 bg8、蜂鳴器 by 組成，當測量值低于事先設定的報警 值時，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴.”報警聲響信號，測量值高于設定的報 警值時，停止發(fā)出報警聲響。報警輸出電路如圖 3-8。 17 圖3-8 報警輸出電路 第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 4.14.1 主程序設計主程序設計 超聲波測距的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯 示子程序組成。超聲波測距的程序既有較復雜的計算（計算距離時） ，又要求精細計算

37、 程序運行時間（超聲波測距時） ，所以控制程序可采用 c 語言編程。 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設定時器 0 為計數(shù)，設定時器 1 定時。置位總 中斷允許位 ea。進行程序主程序后，進行定時測距判斷，當測距標志位 ec=1 時，測量 一次，程序設計中，超聲波測距頻度是 4-5 次/秒。測距間隔中，整個程序主要進行循 環(huán)顯示測量結(jié)果。當調(diào)用超聲波測距子程序后，首先由單片機產(chǎn)生 4 個頻率為 38.46khz 超聲波脈沖，加載的超聲波發(fā)送頭上。超聲波頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟 動內(nèi)部計時器 t0 進行計時，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波 觸發(fā)，這時，單片機需要延時約 1.5

38、 -2ms 時間（這也就是超聲波測距儀會有一個最小 可測距離的原因，稱之為盲區(qū)值）后，才啟動對單片機 p3.5 腳的電平判斷程序。當檢 測到 p3.5 腳的電平由高轉(zhuǎn)為低電平時，立即停止 t0 計時。由于采用單片機采用的是 18 12 mhz 的晶振，計時器每計一個數(shù)就是 1s，當超聲波測距子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）按式（2）計算，即可得 被測物體與測距儀之間的距離。 設計時取 15時的聲速為 340 m/s 則有： d=(ct)/2=172t0/10000cm 其中， t0 為計數(shù)器 t0 的計算值。 測出距離后結(jié)果將以十進制 bcd

39、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。 4.2 超聲波測距子程序 void wdzh() tr0=0; th1=0 x00; tl1=0 x00; csbint=1; sx=0; delay(1700); csbfs(); csbout=1; tr1=1; i=yzsj; while(i-) i=0; while(csbint)/判斷接收回路是否收到超聲波的回波 i+; if(i=3300) csbint=0; 19 tr1=0; s=th1; s=s*256+tl1; tr0=1; csbint=1; jsz=s*csbc;/計算測量結(jié)果 jsz=jsz/2;

40、 產(chǎn)生超聲波的子程序： 為了方便程序移置及準確產(chǎn)生超聲波信號，本測距的超聲波產(chǎn)生程序是用匯編語 言編寫的進退聲波產(chǎn)生程序。產(chǎn)生的超聲波個數(shù)為 ucsbfs segment code rseg ucsbfs public csbfs csbfs:mov r6,#8h ;超聲波發(fā)射的完整波形個數(shù)：共計四個 here:cpl p2.7 ;輸出 40khz 方波 nop nop nop nop nop nop nop nop nop djnz r6,here ret end 20 4.34.3 超聲波測距程序流程圖超聲波測距程序流程圖 y y n =n 0 =0 =1 開始 初始化 測量標志 啟動定時

41、器 超聲波測距 距離上限值 距離盲區(qū)值 = 顯示值= c c c 顯示值= - - - 測量段碼轉(zhuǎn)換 顯示 設定段碼轉(zhuǎn)換 距離報警值 = 報警輸出 =n 21 4.44.4 超聲波測距程子序流程圖超聲波測距程子序流程圖 第第 5 5 章章 調(diào)試及性能分析調(diào)試及性能分析 5.15.1 調(diào)試步驟調(diào)試步驟 我們的步驟是先焊接各個模塊，焊接完每個模塊以后，再進行模塊的單獨測試， 以確保在整個系統(tǒng)焊接完能正常的工作，原件安裝完畢后，將寫好程序的at89s51 y 標志=1? 發(fā)送超聲波 延時避開盲區(qū) 收到回波否？ 預設時間？ 啟動計時器 t0 停止計時 計算測量值 超聲波測距 結(jié)束 n n y y n

42、22 機裝到測距板上，通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復移動，看數(shù)碼管 的顯示結(jié)果會不會變化，在測量范圍內(nèi)能否正常顯示。如果一直顯示“- - -” ， 則需將下限值增大。本測距板 1s 測量 4-5 次，超聲波發(fā)送功率較大時，測量 距離遠，則相應的下限值（盲區(qū)）應設置為高值。試驗板中的聲速沒有進行溫度 補償，聲速值為 340m/s，該值為 15時的超聲波值。 5.25.2 性能分析性能分析 從實物測試的總體來說本測距板基本上達到了要求，理想上超聲波測距能達到 500 到 700 厘左右，而我們所能實現(xiàn)的最大距離只有 699 厘，測量結(jié)果受環(huán)境溫度影響。 分析原因如下： 1. 超聲波發(fā)射部份由

43、電阻 r1、三極管 bg1、超聲波脈沖變壓器 b 及超聲波發(fā)送頭 t40 構成，以提高超聲波的發(fā)射功率，從面提高測量距離。這種方式，加大的超聲波了 送頭的余振時間，造成超聲波測距盲區(qū)值較大（本系統(tǒng)盲區(qū)值為 40 厘米） 。 2.本測距板沒有設計溫度補償對測量結(jié)果進行修正。但在硬件的 pcb 上預留的位 置。 參考文獻參考文獻 1趙建領 薛園園 51單片機開發(fā)與應用技術詳解 北京:電子工業(yè)出版社,2009 2 沈紅衛(wèi). 基于單片機智能系統(tǒng)設計與實現(xiàn). 北京:電子工業(yè)出版社,2005 3 楊國田 白 焰 董 玲 51單片機實用c語言程序設計 中國電力出版社 2009 4 李群芳,黃建. 單片機微型

44、計算機與接口技術. 北京:電子工業(yè)出版社,2001 5 樓然苗、李光飛. 51系列單片機設計實例. 北京:北京航空航天大學出版社,2003 6 王守中 51單片機開發(fā)入門與典型實例. 北京：人民郵電出版社，2009 23 首先感謝我的導師老師，老師淵博的專業(yè)知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、 精益求精的工作作風、平易近人的人格魅力對我影響深遠；在老師的耐心指導、 幫助下，我才能順利完成畢業(yè)設計。老師指導了我的設計的結(jié)構、思路、同時 提供了一些專業(yè)知識的幫助,從電路的設計到調(diào)試整個過程中，我都從老師那里 學會了很多專業(yè)方面的知識。 還要感謝老師，在我的畢業(yè)設計中給單片機燒錄程序，為我提供單片機編 程器以及對

45、我的細心指導，衷心感謝他們。 感謝在畢設中幫助過我的所有同學和師兄師姐們。 最后感謝我的家人、朋友對我的支持。 24 附錄一：基于附錄一：基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)電原理圖單片機超聲波測距系統(tǒng)電原理圖 25 附錄二附錄二 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)單片機超聲波測距系統(tǒng) pcbpcb 圖圖 26 附錄三附錄三 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)焊接組裝圖單片機超聲波測距系統(tǒng)焊接組裝圖 27 附錄四附錄四 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)單片機超聲波測距系統(tǒng) c c 語言原程序語言

46、原程序 / / at89s51超聲波測距系統(tǒng) / / 賈 源 / / 2011年4月 / / qq：1211716 / / http:/ / / / / 晶振：12m / / 系統(tǒng)盲區(qū)值：40厘米 / / 測量上限：699厘米 / / #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define k1 p3_7 /k1功能鍵 #define k2 p3_6 /k2數(shù)值調(diào)整鍵 #define bjh p3_1 /定值輸出 #define sx p0_2 /報警值輸出（聲音） #define csbo

47、ut p2_7 /超聲波發(fā)送 #define csbint p3_5 /超聲波接收 28 uchar ec,cls;cs;xl,mq,xm0,xm1,xm2,sec20,sec,sec1,buffer3,bitcounter,temp,number8=1,2,3, 4,5,6,7,8; uchar temp1,convert10=0 x81,0 xed,0 xa2,0 xa8,0 xcc,0 x98,0 x90,0 xad,0 x80,0 x88;/09 段碼 uint zzz,dz,zzbl,i,jsz,yzsj,kk,s,ss; static uchar bdata ke,kw; /可位尋

48、址的狀態(tài)寄存器 float csbc,wdz; sbit led1 = p34;/數(shù)碼管位驅(qū)動 sbit led2 = p32;/數(shù)碼管位驅(qū)動 sbit led3 = p33;/數(shù)碼管位驅(qū)動 sbit k11=ke0; sbit k12=ke1; sbit k22=ke2; sbit k21=ke3; sbit b=ke4; sbit c=ke5; sbit d=ke6; sbit e=ke7; sbit w=kw0; sbit zj1=kw1; sbit zj2=kw2; void delay(i);/延時函數(shù) void scanled();/顯示函數(shù) void timetobuffer()

49、;/顯示轉(zhuǎn)換函數(shù) 29 void time(); void jpcl(); void jy(); void wdzh(); void bgcl(); void jpzcx(); void mqjs(); void csbfs(); void csbsc(); void clcs(); void offmsd(); void main() ea=1; /開中斷 tmod=0 x11; /設定時器0為計數(shù)，設定時器1定時 et0=1; /定時器0中斷允許 th0=0 xd8; tl0=0 xf0;/設定時值為20000us（20ms） tr0=1; csbout=1; d=0; tr1=0; te

50、mp1=15; zzz=699; mq=40; dz=100; cls=5; 30 xl=temp1; csbsc(); mqjs(); /盲區(qū)設定 k12=1; k1=1; k2=1; k22=1; bjh=1; d=1; sx=0; clcs(); /測量次數(shù) while(1) if (ec=1) ec=0; wdzh(); /調(diào)用超聲波測量 bgcl(); /調(diào)用報警處理程序 timetobuffer();/調(diào)用轉(zhuǎn)換段碼功能模塊 offmsd(); /調(diào)用顯示轉(zhuǎn)換程序 scanled(); /調(diào)用顯示函數(shù) if(jszzzz) buffer0=0 x93; buffer1=0 x93;

51、buffer2=0 x93; else if (jsz=cs) / 50 * 10 ms = 0.5 s sec20=0; ec+; e=e; if (ec3) ec=0; sec1+; if (sec1100) sec1=0; sec+; /秒計時 if (sec=3) sec=0; 34 void jpcl() /按鍵處理程序 k11=k1; if (!k12 k12=k11; k11=k1; k21=k2; if (b=1) sx=0; while(b) buffer0=0 x84; buffer1=0 x84; buffer2=0 x84; sec=0; c=0; while(!c) if (sec=2) c=1; scanled(); 35 c=0; zzbl=jsz; jsz=dz; timetobuffer(); jpzcx(); dz=kk; if (dz699) dz=200; if (dz6) xm0=0; if (e=1) buffer2=0 xff; e