基于51單片機(jī)超聲波測(cè)距

1、沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)0 前言11 總體方案設(shè)計(jì)1 1.1 超聲波測(cè)距的基本原理21.2 超聲波換能器21.3 壓電式超聲波發(fā)生器原理31.4超聲波測(cè)距原理4 2 硬件電路設(shè)計(jì)53 軟件設(shè)計(jì)64 調(diào)試分析75 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想7參 考 文 獻(xiàn)8課設(shè)體會(huì)9附錄1 元件清單10附錄2 實(shí)物圖10附錄3 子程序11第 0 頁超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)(LED) 王大菜 沈陽航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院摘要：從技術(shù)上看，超聲波測(cè)距系統(tǒng)在上個(gè)世紀(jì)70年代已經(jīng)實(shí)用化，從70年代末期開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)

2、距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上到了廣泛的應(yīng)用，本次試驗(yàn)根據(jù)超聲波測(cè)距原理通過測(cè)量時(shí)間以及公式計(jì)算測(cè)距距離，應(yīng)用超聲波的能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī),超聲波傳感器，測(cè)距0 前言超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。近年來，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械

3、波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的

4、研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。1 總體方案設(shè)計(jì)本文采用超聲波傳感器,STC89C52RC單片機(jī)以及LED顯示燈模塊設(shè)計(jì)了一種超聲波測(cè)距顯示器，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量物體到儀器距離以及顯示等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉的超聲波距離測(cè)量器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本系統(tǒng)采用INTEL公司的STC89C52RC單片機(jī)作為處理器，主要完成以下工作：1. 基于STC89C52RC的超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)方案。2. 超聲波傳感器與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)。3. 單片機(jī)的接口電路的硬件連接。4. 設(shè)計(jì)主要軟件程序模塊，完成軟件設(shè)

5、計(jì)。 系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。超聲波傳感器 STC89C52RC 單片機(jī)距離顯示圖1 系統(tǒng)原理框圖1.1 超聲波測(cè)距的基本原理諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、又可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵(lì)下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。1.2 超聲波換能器完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲

6、波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測(cè)方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。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晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工

7、作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(dú)的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340ms，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)便。我們選用

8、壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來進(jìn)行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)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。 共振板gon 壓電晶片

9、 電極 電極圖2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(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器了。1.3 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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)，

10、壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波 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器了。 1.4超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，

11、途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理如圖 如圖所示： 超聲波發(fā)射 障礙物 S H 超聲波接收?qǐng)D3 超聲波的測(cè)距原理 （1-1） （1-2）式中:L-

12、兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 1-3)式中:v超聲波在介質(zhì)中的傳播速度; t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間.將（12）、（13）代入（1-1）中得： ( 1-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí),V=349m/s);當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(14)變?yōu)? ( 1-5 ) 所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H。2. 硬件電路設(shè)計(jì) STC89C52RC單片機(jī)外圍接口電路如圖所示，主要包括： 1.晶振電路：內(nèi)部時(shí)鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHZ12MHZ之間（該設(shè)計(jì)選用11MHZ），外接兩個(gè)諧振

13、電容。該電容的典型值為30pF,該設(shè)計(jì)選用20pF。 2.復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位采用按鍵高電平復(fù)位，而單片機(jī)在平時(shí)則復(fù)位端為低電平0. 圖4 外圍接口電路3. 軟件設(shè)計(jì) 開始主流程圖： 初始化 發(fā)送脈沖 延時(shí)等待 判斷接受情況 距離為零否 計(jì)算距離是 顯示距離 結(jié)束 圖5 主程序流程圖4. 調(diào)試分析 調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)LED一直不顯示當(dāng)前數(shù)值，經(jīng)多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)并不是不顯示數(shù)值而是數(shù)值不清晰，不斷的調(diào)試延遲最終是LED顯示數(shù)字亮度大大提高。5. 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想近些年來超聲波的應(yīng)用已經(jīng)漸漸融入我們的生活，測(cè)距方面的應(yīng)用越來越貼近我們的生活。本論文是在對(duì)超聲波感器和測(cè)距技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，合理地確定

14、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)儀器的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)過努力，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)一個(gè)以STC89C52RC單片機(jī)為核心的超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)距離測(cè)試與顯示的功能。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉超聲波測(cè)距系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可維護(hù)性好。由于實(shí)現(xiàn)了對(duì)短距離的測(cè)量距離，因此具有非常普遍的意義，能廣泛應(yīng)用于居民家庭、企事業(yè)單位等多方面的安全防范。與此同時(shí)也存在不少的不足。由于溫度變化不定聲速變化無常，傳感器自身電氣特性等問題，可能出現(xiàn)測(cè)距不準(zhǔn)確。傳感器工作時(shí)會(huì)因使用時(shí)間長(zhǎng)而使晶片溫度變化導(dǎo)致產(chǎn)生超

15、聲波不穩(wěn)定影響測(cè)量。由于上述缺點(diǎn)的存在,此系統(tǒng)不是很完善，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。參 考 文 獻(xiàn)1 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2004.62 康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2004.73 張培仁.基于C語言編程的MCS-52單片機(jī)原理與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社,2003.94 紀(jì)良文.蔣靜坪機(jī)器人超聲測(cè)距數(shù)據(jù)的采集與處理電子技術(shù)應(yīng)用，2001.7. 5 瞿金輝. 周蓉生. 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 中國(guó)儀器儀表, 2007 .8.6 袁佑新. 吳妍, 劉蘇敏, 等. 可視汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息，2006.10.7 宋永東, 周美麗, 白宗文

16、, 等. 高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì). 現(xiàn)代電子技術(shù), 2008.8 吳斌方, 劉民. 超聲波測(cè)距傳感器的研究. 湖北工學(xué)院學(xué)報(bào), 2004 .89 高川, 談?wù)穹? 基于STC89C52RC的超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用科技, 2006 .9 課設(shè)體會(huì)本系統(tǒng)在高云紅老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)以及同學(xué)們的幫助下完成的。感謝她在此次課程設(shè)計(jì)過程中給予我的悉心指導(dǎo)與各方面的幫助，她給了我許多非常有益的建議和意見，使我在思路上得到了很大的開闊，從中認(rèn)識(shí)到了自己存在的不足，并且學(xué)到了很多非常寶貴的知識(shí)。她嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和踏實(shí)的工作作風(fēng)也給我留下了非常深刻的印象，我不僅學(xué)到了研究的方法，更令我明白了一個(gè)很重要的道理：

17、做學(xué)問應(yīng)以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，腳踏實(shí)地一步一個(gè)腳印地認(rèn)真去做，切不可好高鶩遠(yuǎn)急躁冒進(jìn)，這些都使我受益匪淺，也極大的激勵(lì)了我，使我能在緊張的時(shí)間里完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)并達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。感謝給我們提供優(yōu)越學(xué)習(xí)條件和優(yōu)良儀器的各位實(shí)踐部老師。同時(shí)也要感謝系里其它同學(xué)和我的朋友在設(shè)計(jì)中給我提供的幫助和支持。最后感謝各位老師對(duì)我論文的悉心審閱與批評(píng)指正。 附錄1 電路圖 附錄2元件清單元件名稱型號(hào)數(shù)量單片機(jī)STC89R52RC1 超聲波傳感器18位共陰極數(shù)碼管7SEG-CC1發(fā)光LED1晶振1電容3電阻1按鍵1 附錄3 實(shí)物圖 附錄4 源程序#include <reg52.h>#define uch

18、ar unsigned char#define uint unsigned intsbit Trig = P20;sbit Echo = P32;sbit wela = P27;sbit dula = P26;sbit test=P15;uint succeed_flag,time,timeH,timeL;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/char table80;void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void delay_20us()uchar a ; for(a=0;a<100;a+);void display(uint temp)uchar ge,shi,bai;bai=temp/100;shi=(temp%100)/10; ge=temp%10; wela=1;P0=0xfe; wela=0;dula=1; P0=tablebai;dula=0; delay(5);/dula=1;/P0=