超聲波數字測距儀設計報告

1、院級大學生科技創(chuàng)新 超聲波數字測距儀 院級級本科生科技創(chuàng)新項目結 題 材 料項 目 名 稱 超聲波數字測距儀 立 項 時 間 2012年5月 完 成 時 間 2013 年5月 項 目 負 責 人 xxx 學 院 與 班 級 自然科學實驗中心 通信1002班 指 導 教 師 xxx 北 京 科 技 大 學 教 務 處i1摘 要隨著工業(yè)、建筑業(yè)、農業(yè)建設的不斷發(fā)展，一些在早期社會，曾被人類廣泛應用的米尺不在滿足人類的要求，于是出現了現在人類所應用的間接測量工具。在測量方面，尤其工業(yè)，據了解，我國一些工業(yè)領域曾經使用過接觸式測量儀，但普遍存在著這樣一些問題，比如觸點的接觸不良，抗粉塵的能力差，誤動作

2、，經常失靈，不可調整，容易被雜物纏繞而誤報等缺點，工作不可靠，影響設備的正常使用。針對以上這些缺點。我們考慮研究一種非接觸測量儀器。 隨著電子技術的發(fā)展，非接觸測量出現了微波雷達測距，激光測距及超聲波測距等。前幾種方法由于技術難度大，成本高，一般僅用于軍事工業(yè)，而超聲波測距由于其科研技術難度相對較低，且成本低廉，適于民用推廣。所以現在我們所見到一些測量儀基本上都是利用超聲波來測距的。 超聲波作為一種檢測技術，采用的是非接觸式測量，這個特點可使測量儀器不受被測介質的影響。這樣就大大解決了在粉塵多情況下，給人類引起的身體接觸傷害，腐蝕性質的被測物對測量儀器腐蝕，觸點接觸不良造成的誤測情況。且對被測

3、的元件無磨損，使測量儀器使用壽命加長，牢固耐用，而且還降低了能量消耗，節(jié)省人力和勞動的強度。從長遠利益看，是多向節(jié)能型研究。 超聲波測距與其它非接觸式的檢測方式方法相比，如電磁的或光學的方法它不受光線，被測對象顏色，電磁干擾等影響。超聲波對于被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應能力。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構信息很容易檢測出來，具有很高的分辯力，因而其準確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結構簡單，體積小，信號處理可靠等特點。 超聲波是一

4、種指向性強，能量消耗慢的波。它在介質中傳播的距離比較遠。因而超聲波經常被用于測量距離，可解決超長度的測量。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性，反射、折射、干涉、衍射、散射等。與物理緊密聯系，應用靈活。并且更適合與高溫，高粉塵，高濕度和高強電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。無論從可靠性還是從精度方面，超聲波測距做得都比較好。利用超聲波檢測即時迅速，方便，計算簡單，又易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。具有廣泛的發(fā)展前景。另外，在控制方面，單片機其卓越的性能，要本設計中得到了很好的體現，尤其在檢測，控制領域中，具有以下特點： 小巧靈活，成本低，易于產品化，它能方

5、便地組裝成各種智能測試，控制設備及各種智能儀器表。 可靠性好，適應范圍廣，單片機芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，能適應各種惡劣的環(huán)境，這是其它原件無法比擬的。 易擴展，很容易構成各種規(guī)模的應用系統，控制功能強，單片機的邏輯控制功能很強，指令系統有各種控制功能所用的指令。 本文論述了采用單片機技術研制成功的用超聲波測距儀的基本原理，測量計算方法簡單，實現方案容易。采用軟件控制，提高了測量精度和整機的可靠性?？稍诔睗窀邷?，多塵等惡劣環(huán)境下工作。并且靈敏度高，可靠性強。而且這個測距系統還可以經過簡單的修改就能實現其它的檢測要求。例如：超聲波測距儀廣泛被應用于汽車的倒車、建筑施工的工地以及一些工業(yè)

6、現場的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、聯合收割機、管道長度等的實時測量場合。根據調查，目前國內一般使用專用集成電路設計超聲波測距系統，但是專用集成電路的成本很高，并且沒有數據顯示，操作使用很不方便。因此本設計采用了以at89s51單片機為核心低成本，高精度，led數字顯示超聲波測距系統的結果的硬件電路設計方法。整個設計對其它所用器件也進行了介紹和對比。綜合了各器件的功能，耐用性，市場價位等多方面因素，選件謹慎、適用。硬件設計方面利用所學的知識和理論聯系實際的方法，本著和大學課本密切聯系的原則來完成設計任務。通過實際測試使用證明，該超聲波測試系統工作穩(wěn)定，測距精度高，性能良好，可廣泛應用到實際中以

7、方便觀察測試結果。關鍵詞：超聲波 單片機 測距 at89s51- 1 -院級大學生科技創(chuàng)新 超聲波數字測距儀目 錄摘要1.緒論51.1 課題背景，目的和意義51.2 超聲波測距儀的現狀和發(fā)展5 1.2.1發(fā)展歷史5 1.2.2 研究現狀71.3 基于單片機的超聲波測距系統71.4 課題主要內容82.超聲波測距原理概述92.1超聲波傳感器10 2.1.1 超聲波發(fā)生器10 2.1.2超聲波接受傳感器10 2.1.3顯示單元選擇11 2.1.4 壓電式超聲波發(fā)生器原理11 2.1.5單片機超聲波測距系統構成123.設計方案133.1 at89s51單片機143.2 超聲波測距系統構成17 3.2.

8、1 超聲波測距單片機系統18 3.2.2 超聲波發(fā)射、接收電路18 3.2.3顯示電路20 3.2.4 供電電路20 3.2.5報警輸出電路214.系統軟件設計234.1 主程序設計234.3 超聲波測距程序流程圖264.4 超聲波測距程子序流程圖275.調試及性能分析285.1調試步驟285.2 性能分析28參考文獻29致 謝30附錄一：基于at89s51單片機超聲波測距系統電原理圖31附錄二 基于at89s51單片機超聲波測距系統pcb圖31附錄三 基于at89s51單片機超聲波測距系統焊接組裝圖33附錄四 基于at89s51單片機超聲波測距系統c語言原程序34附錄五 元件清單48- 48

9、 -11.緒論1.1 課題背景，目的和意義傳感器技術是現代信息技術的主要內容之一，信息技術包括計算機技術、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，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。隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產業(yè)領域。展

10、望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。隨著測距儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。超聲波測距系統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的原理有著很大的現實意義。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。1.2 超聲波測距儀的現狀和發(fā)展1.2.1發(fā)展歷史我國，關于超聲的

11、大規(guī)模研究始于1956年。迄今，在超聲的各個領域都開展了研究和應用，其中有少數項目已接近或達到了國際水平。中國測試技術研究所李茂山在超聲波測距原理及實踐技術中詳細地闡述了超聲波的測距原理，并給出了實現超聲波測距的具體框圖，并討論了影響超聲波測距精度的幾種原因。在本文中，他并未提及超聲波測距所需的一些具體電路，只是給出了測距一般所需的電路名稱，沒有提及各種電路間的匹配。1998年，曼內斯德馬泰克(秦皇島)有限公司推出了一種數字式超聲波位移測量儀，李忠杰在數字式超聲波位移測量儀的研究一文中介紹了這種數字式超聲波位移測量儀的結構，工作原理和功能，其數據處理借助于單板機，給出了程序框圖，對儀表的各部分

12、硬件電路做了較詳細的說明，并列出了部分儀表的實測數據，并分析了誤差產生的原因。在此文中，給出了超聲波測距儀在對液壓缸位移進行測量時與其它位移傳感器的優(yōu)勢所在，并給出了單片機的程序框圖。中國科學院上海聲學實驗室的王潤田在雙頻超聲波測距一文中提出了一種雙頻超聲波測距的原理和方法，由于空氣對超聲波的吸收與超聲波的平方成正比，因此，用來測距的超聲波的頻率不能很高，但另一方面頻率越低，波長越長，測長的絕對誤差就越大，測距的范圍加大與測量精度實際上是一對矛盾。王潤田提出，為了在一個較長的范圍內達到測距的精度，在測距時同時發(fā)射兩個頻率的超聲波，頻率較大的測較近的距離，頻率較小的測較長的距離，這樣在較大的范圍

13、內實現較高的測距精度。而國外關于超聲波測距研究的主力是萊卡公司。1996萊卡power型迪士通在日光下也能進行長距離測量。1998萊卡迪士通推出basic型產品。作為第二代的迪士通，它不僅代表了新的技術飛躍，在設計上也躍上新的臺階：多功能底座、電池供電、快速測距等無不體現了萊卡對創(chuàng)新的執(zhí)著。 1998萊卡迪士通推出memo和pro型，增加了數據存儲功能和應用程序。再次引發(fā)測量技術革命。迪士通memo型能存儲1000個測量值，實現智能化的測量，pro型則答應應用相關的程序進行高精密測量，成為萊卡迪士通家族中頂級的手持激光產品。帶內存的pro不光能直接用于測量，也能進行聯機操作。 1999萊卡迪士

14、通第三代classic產品誕生。萊卡測量系統的手持激光測距儀取得了新的技術突破。classic3取代basic，仍舊沿襲著手持測距技術世界領先的地位。它保留了basic型諸如可靠、易于使用、精度高等使之成為行業(yè)首選產品的知名性能，又取得了要害性的進步：體積更小、重量更輕、測距更快和價格更優(yōu)。耐用、防水的classic3堪稱30m到100m乃至更遠距離測量應用的理想工具。2001創(chuàng)新不斷，萊卡測量系統又創(chuàng)立了新的技術標準，率先在手持激光測距儀上采用字母數字單片機畢業(yè)論文式混合鍵盤。新一代迪士通成為迪士通發(fā)展歷程上新的里程碑。它包括四類產品：萊卡迪士通lite、迪士通classic4、迪士通pro

15、4和迪士通pro4a。 2002測量從未如此簡單！萊卡測量系統推向市場的第五代迪士通產品中，新增了兩款獨特的型號，萊卡迪士通lite5和classci5。一鍵按發(fā)使測量變得前所未及的簡單便捷，在0.2m到200m之間，單次測量時間用不到1秒！用lite 5，每項工作如測距、計算面積或體積都能用已明確定義的按鍵容易實現。classic5則以輕觸式的鍵盤和為方便長距離測量而內置的望遠鏡給人留下深刻印象。事實上，作為多年的市場領先者，萊卡測量系統深得信賴。1.2.2 研究現狀隨著電子技術的發(fā)展出現了微波雷達測距、激光測距及超聲波測距。前2種方法由于技術難度大成本高一般僅用于軍事工業(yè)而超聲波測距則由于

16、其技術難度相對較低且成本低廉適于民用推廣。這項技術也可用于工業(yè)測量領域。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波常常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。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，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。隨著自動測量和微機技術的發(fā)展，超聲波測距的理論已經成熟，超聲波測距的應用也非常廣泛。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，它不受光芒、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

17、下有一定的適應能力。因此在液位測量、機單片機畢業(yè)論文械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特殊是應用于空氣測距，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構信息很輕易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其正確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設計也是利用超聲波來測量距離。1.3 基于單片機的超聲波測距系統基于單片機的超聲波測距系統，是利用單片機編程產生頻率為40khz的方波，經過發(fā)射驅動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經接收電路放大、整形，控制單片機中斷口。其

18、系統框圖如圖2-1所示。圖1-1 基于單片機的超聲波測距系統框圖這種以單片機為核心的超聲波測距系統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，接收電路輸出端產生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離，結果輸出給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都采用這種設計方法。1.4 課題主要內容通過上節(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就是用單片機控制的。超聲

19、波是指頻率高于20khz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習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，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。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)射點距障礙物的距離。本系統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。系統定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動

20、單片機內部的定時器，利用定時器的計數功能記錄超聲波發(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，接收電路輸出端產生一個負跳變，單片機檢測到這個負跳變信號后，停止內部計時器記時，讀取時間，計算距離,測量結果輸出給led顯示。利用本測距系統測量范圍應在40cm1000cm，其誤差1cm。本系統成本低廉，功能實用。2.超聲波測距原理概述超聲波是由機械振動產生的,可在不同介質中以不同的速度傳播。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。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

21、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、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;

22、 聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本測距系統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，經氣體介質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，就是聲波傳輸的距離。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 碼管顯示測量結果。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

23、溫度的關系溫度()3020100102030100聲速(m/s)313319325323338344349386圖2-1 超聲波測距時序圖2.1超聲波傳感器2.1.1 超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w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生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等; 機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、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。2.1.2超聲波接受傳感器超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電

24、晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。因此超聲波接受傳感器應該應用集成電路cx20106a，cx2010

25、6a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與測距的超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖2-3)。實驗證明用cx20106a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cs的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上2.1.3顯示單元選擇顯示單元是計算機系統開發(fā)時使用的主要設備之一，它可將計算機的運算結果、中間結果、存儲器地址以及存儲器、寄存器中的內容顯示出來，從而實現人機對話。可以做顯示器的有：led,lcd,crt等。crt就是常見的顯像管

26、式的顯示器。優(yōu)點是顏色視覺效果好，視角寬，可靠性高，便宜；缺點是體積大耗電多，有微量的x射線輻射。led就是發(fā)光二極管。led一般適合做大屏幕的顯示設備，最突出的有點那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如顯色性、對比度等都不如crt顯示器。但是考慮到本設計需要顯示測量距離，補償溫度以及危險，保持 ，安全等警告信號。所以選擇采用128*64液晶模塊。2.1.4 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

27、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。2.1.5單片機超聲波測距系統構成單片機at89s51發(fā)出短暫的40khz信號，經放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經超聲波換能器作為系統的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產生鎖定信號啟動單片機中斷程序，讀出時間t，再由系統軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結果被送至led數碼管進行顯示。限制超聲波系統的

28、最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的質地、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據運算顯示器接收檢測電聲換能器電聲換能器驅動電路圖2-3 超聲波測距系統框圖3.設計方案按照系統設計的功能的要求，初步確定設計系統由單片機主控模塊、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常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調試

29、工作小較小。超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊單片機控制系統（at89s51）顯示模塊鍵盤模塊供電單元圖3-1：系統設計框圖硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、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,數碼管位驅運用pnp三極管s901

30、2三極管驅動。3.1 at89s51單片機at89s51是美國atmel公司生產的低功耗，高性能cmos8位單片機，片內含4k bytes的可系統編程的flash只讀程序存儲器,器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統及引腳。它集flash程序存儲器既可在線編程（isp）也可用傳統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：與mcs-51產品指令系統完全兼容4k字節(jié)在系統編程（isp）flash閃速存儲器1000次擦寫周期4.05.

31、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)內部ram32個可編程io口線2個16位定時計數器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看門狗（wdt）及雙數據指針掉電標識和快速編程特性靈活的在系統編程（isp字節(jié)或頁寫模式）圖2.1-1 at89s51的外形圖功能特性概述：at89s51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)flash 閃速存儲器，128字節(jié)內部ram，32個io 口線，看門狗（wdt），兩個數據指針，兩個16 位定時計數器，一個5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，at89s51可降至

32、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，定時計數器，串行通信口及中斷系統繼續(xù)工作。掉電方式保存ram 中的內容，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，也即地址數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動8個ttl邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。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

33、驗時，要求外接上拉電阻。p1口：pl 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向io口，pl的輸出緩沖級可驅動（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位地址。端口引腳 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 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向io 口，p2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個ttl邏輯門電路。對

34、端口寫“1”，通過內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位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時，p2口送出高8位地址數據。在訪問8 位地址的外部數據存儲器（如執(zhí)行movxri 指令）時，p2 口線上的內容（也即特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中p2寄存器的內容），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 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向i0 口。p3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個ttl邏輯

35、門電路。對p3口寫入“l(fā)”時，它們被內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：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。at89s51 中有一個用于構成內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振蕩電路。對外接電容cl、c2 雖然沒有十

36、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。這種情況下，外部時鐘脈沖接到xtal1端，即內部時鐘發(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 外部時鐘驅動電路陶瓷

37、濾波器：c1，c240pf10pf圖3-2 內部振蕩電路 3.2 超聲波測距系統構成本系統由單片機at89s51控制，包括單片機系統、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 所示。硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、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、p

38、3.3口,數碼管位驅運用pnp三極管s9012三極管驅動。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經過接收電路處理后，向單片機p3.5輸入一個低電平脈沖。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?，立即停止內部計時器計時。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3位數碼管將測得的結果顯示出來。3.2.1 超聲波測距單片機系統超聲波測距單片機系統主要由：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3.2.2

39、 超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(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，驅動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。發(fā)送出的超聲波，遇到障礙物后，產生回波，反射回來的回波

40、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，便可產生40khz方波。由于單片機系統的晶振為12m晶振，因而單片機的時間分辨率是1s，所以只能產生半周期為12s或13s的方波信號，頻率分別為41.67khz和38.46khz。本系統在編程時選用了后者，讓單片機產生約38.46khz的方波。圖3-5：超聲波測距接收單元

41、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為70倍。放大的信號通過檢波電路得到解調后的信號，即把多個脈沖波解調成多個大脈沖波。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。該接收電路結構簡單，性能較好，制作難度小。3.2.3顯示電路本系統采用三位一體l e d 數碼管顯示所測距離值，如圖3-6。數碼管采用動態(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,數碼管位驅運用pnp三極管s9012

42、三極管驅動。圖3-6：顯示單元圖3.2.4 供電電路本測距系統由于采用的是led數碼管用為顯示方式，正常工作時，系統工作電流約為30-45ma，為保證系統統計的可靠正常工作，系統的供電方式主要交流ac6-9伏，同時為調試系統方便，供電方式考慮了第二種方式，即由usb口供電，調試時直接由電腦usb口供電。6伏交流是經過整流二極管d1-d4整流成脈動直流后，經慮波電容c1慮波后形成直流電，為保證單片機系統的可電，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用電，為進一步提高電源質量，5伏的直流電再次經過c3、c4濾波。圖3-7：供電單元電路圖3.2.5報警輸出電路為提高測測

43、距系統的實用性，本測距系統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。 圖3-8 報警輸出電路4.系統軟件設計4.1 主程序設計超聲波測距的軟件設計主要由

44、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環(huán)境初始化，設定時器0為計數，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)顯示測量結果。當調用超聲波測距子程序后，首先由單片機產生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，立即啟動內部計時器t0進行計時，為了避免超聲波從

45、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 -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腳的電平由高轉為低電平時，立即停止t0計時。由于采用單片機采用的是12 mhz的晶振，計時器每計一個數就是1s，當超聲波測距子程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器t0中的數（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為計數器t0的計算值。測出距離后結果將以十進制b

46、cd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=0x00;tl1=0x00;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;tr1=0;s=th1;s=s*256+tl1;tr0=1;csbint=1;jsz=s*csbc;/計算測量結果jsz=jsz/2; 產生超聲波的子程序：為了方便程序移置及準確產生超聲波信號，

47、本測距的超聲波產生程序是用匯編語言編寫的進退聲波產生程序。產生的超聲波個數為ucsbfs segment coderseg ucsbfspublic csbfscsbfs:mov r6,#8h ;超聲波發(fā)射的完整波形個數：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 retend4.3 超聲波測距程序流程圖 yyn=n0=0=1開始初始化測量標志啟動定時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= - - -測量段碼轉換顯示設定段碼轉換距離報警值=報警輸出=n4.4

48、 超聲波測距程子序流程圖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束nnyyn5.調試及性能分析5.1調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，以確保在整個系統焊接完能正常的工作，原件安裝完畢后，將寫好程序的at89s51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，看數碼管的顯示結果會不會變化，在測量范圍內能否正常顯示。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

49、償，聲速值為340m/s，該值為15時的超聲波值。5.2 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，而我們所能實現的最大距離只有699厘，測量結果受環(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果進行修正。但在硬件的pcb上預留的位置。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

50、子工業(yè)出版社,20092 沈紅衛(wèi). 基于單片機智能系統設計與實現. 北京:電子工業(yè)出版社,20053 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 20094 李群芳,黃建. 單片機微型計算機與接口技術. 北京:電子工業(yè)出版社,20015 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,20036 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致 謝 本項目是在張蓓老師的悉心指導下完成的。老師為我們的項目從選題到整體思路以及實施都進行了把關和出謀劃策，指導了我們的設計的結構、思路、同時提供了一些專業(yè)知識的幫助,從電路的設計到調試整個過程中，我們從張蓓老師那里學會了很多專業(yè)方面的知識，使我們的項目能夠順利