基于AT89C51單片機超聲波測距儀的設計說明

1、. . . . 9 / 13基于 AT89C51 單片機超聲波測距儀的設計BASEDBASED ONON AT89C51AT89C51 ULTRASONICULTRASONIC RANGEFINDERRANGEFINDER DESIGNDESIGN學生學院名稱專業(yè)名稱指導教師. . . . I / 13摘要超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，它是由與介質相接觸的振蕩源所引起的，其頻率在 20000Hz 以上。由于它有指向性強、方向性好、傳播能量大、傳播距離較遠等特點，因此常用于測量物體的距離。本文介紹了基于 AT89C51 單片機的超聲波測距儀的軟硬件設計，整個系統(tǒng)分為單片機控制模塊、發(fā)射模塊

2、和接收模塊組成。程序采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。超聲探頭接收的信號經單片機綜合分析處理后，實現(xiàn)了超聲波測距儀的各種功能。關鍵詞關鍵詞超聲波 AT89C51 測量距離. . . . II / 13目目 錄錄1 緒論 11.1 研究背景 11.2 研究容 12 相關知識 22.1 超聲波發(fā)生器 22.2.單片機的任務 22.3 AT89C51 單片機主要特性和引腳功能 23 理論分析與計算 53 3.1 測量與控制方法 53.3 超聲波測距誤差分析 64 系統(tǒng)硬件電路設計 84.1 單片機系統(tǒng)與顯示電路 84.1.1 74LS244 的簡介

3、94.2 超聲波發(fā)射電路 94.3 超聲波監(jiān)測接收電路 104.4 顯示電路原理 115 系統(tǒng)軟件設計 125.1 主程序 125.2 超聲波發(fā)生子程序和接收子程序 135.3 超聲波的接收與處理 146 6 單片機系統(tǒng)的可靠性 156.1 測試單片機系統(tǒng)的可靠性 156.2 單片機的抗干擾性 157 軟硬件調試 167.1 調試 167.2 提高精度的方案與系統(tǒng)設計 168 系統(tǒng)的擴展 188.1 DS18B20 的簡介 188.11DS18B20 的主要特性 188.12 DS18B20 的外形和部結構 188.13 DS18B20 的工作原理 198.14 DS18B20 有 4 個主要

4、的數(shù)據部件 198.2DS18B20 與單片機的連接 208.3 DS18B20 與 51 單片機的連接程序 21. . . . III / 13結論 27致 28參考文獻 29附錄 30附錄 1 電路原理圖 30附錄 2 程序源代碼 31. . . . 4 / 131 緒論1.1 研究背景由于社會不斷進步發(fā)展，許多傳統(tǒng)的測距方法已經無法滿足我們的需求，例如在井深，液位，管道長度等場合。還有在很多要時測距的情況下，傳統(tǒng)的測距方法也很難完成測量的任務。于是，在這種情況下一種新的測距方法誕生了-超聲波測距。超聲波可用于非接觸測量，具有不受光、電磁波以與粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，是利用計算超聲波在

5、被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標無損害。而且超聲波傳播速度在相當大圍與頻率無關。超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視。目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體氣孔大小的檢測和機械部損傷的檢測等。在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領域也有廣泛地應用。此外，在材料科學，醫(yī)學，生物科學等領域中也占具重要地位。1.2 研究容超聲波測距儀主要以單片機 AT89C51 為核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的.超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時 ，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就

6、立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/ s，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 s，即 s=340t/2。本系統(tǒng)的一個亮點就是利用超聲波測量距離，超聲波具有不受光、電磁波以與粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，而且超聲波傳播速度在相當大圍與頻率無關。. . . . 5 / 132 相關知識2.1 超聲波發(fā)生器我們知道，由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離比較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也比較簡單，并且在測量精度方面也能達到日常使用的要求。超聲波發(fā)生器

7、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、電動型；機械方式有加爾統(tǒng)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一樣，因而用途也各不一樣，目前在近距離測量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。2.2.單片機的任務單片機的任務是指以單片機為核心，構建硬件部分和軟件部分組成，配以一定的外圍電路和軟件，實現(xiàn)某幾種功能，完成相應的任務。硬件是系統(tǒng)的基礎，軟件則是在硬件的基礎上對其合理的調配和使用，從而完成應用系統(tǒng)所要完成的基礎。一般來講，所要完成的任務不同，相應的硬件配置和軟件配置也就不同。因此，單片機的設計應包括硬件設計和軟件設計兩

8、大部分。2.3 AT89C51 單片機主要特性和引腳功能AT89C51 是帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（EPEROM）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器（俗稱單片機） 。該單片機與工業(yè)標準的 MCS-51 型機的指令集和輸出引腳兼容。AT89C51 將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為很多嵌入式控制提供了靈活性高且價格低廉的方案。AT89C51 的主要特性如下：壽命達 1000 寫/擦循環(huán)；數(shù)據保留時間：10 年；. . . . 6 / 13全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz；三級程序存儲器鎖定；128 * 8 位部 RAM；32 可編程 I/O 線；2

9、個 16 位定時器/計數(shù)器；5 個中斷源；可編程串行通道；低功耗閑置和掉電模式；片振蕩器和時鐘電路；AT89C51 引腳排列如圖 1 所示，引腳功能如下圖 2-1 所示：圖 2-1AT89C51 引腳圖VCC(40):+5V.GND(20):接地。P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據存儲器，它可以被定義為數(shù)據/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1口：P1 口是一個

10、部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 口：P2 口為一個部上拉電阻的 8 位雙向 I/O口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳. . . . 7 / 13被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據存儲器進行

11、存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口：P3 口管腳是 8 個帶部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存

12、地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據存儲器時，這兩次有

13、效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，不管是否有部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/EA 將部鎖定為 RESET；當/EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加12V 編程電源（VPP） 。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。. . . . 8 / 133 理論分析與計算理論分析與計算3 3.1 測量與控制方法聲波在其傳播介質中被定義為縱波。當聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲

14、波在介質中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。超聲波傳感器的結構如圖 3-1 所示。. . . . 9 / 13圖 3 -1 超聲波傳感器結構超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖 3-2 所示：圖 3-2 超聲波測距器的系統(tǒng)框圖超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與溫度有關，表 3-3 列出了幾種不同溫度下的超聲波聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。表 3-3 不同溫度下超聲波聲

15、速表溫度/c-30-20-100102030100聲速聲速c/(m/s)c/(m/s)3133193253233383443493863.2 理論計算. . . . 10 / 13圖 3-4 測距的原理如圖 3-4 所示為反射時間法，是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間 T 利用公式 S=C*(T/2)其中，S 為被測距離、V 為空氣中聲速、T 為回波時間（T=T1+T2），可以計算出路程，這種方法不受聲波強度的影響，直接耦合信號的影響也可以通過設置“時間門”來加以克服。這樣可以求

16、出距離：S=C(T1-T2)/23.3 超聲波測距誤差分析(1) 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采用 TR40TR40 壓電超聲波傳感器壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設測量設備基準面距被測物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為： kht +ktet +kt20AAcosAcos由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產生影響。 (2) 當?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 當?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠遠要比收發(fā)時間的影響嚴重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質氣體的溫度、密度與氣體分子成分的影響，即：. . . . 11 / 13sRTCM