#用51單片機(jī)設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和電路(附源程序)

1、基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀說明書引言超聲波測(cè)距儀，可應(yīng)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(cè)量等場合。 利用超聲波指向性強(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。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、 計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制。一、性能要求該超聲波測(cè)距儀，要求測(cè)量范圍在0.08-3.00m ,測(cè)量精度15 測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。二、工作原理及方案論證超聲波傳感器及其測(cè)距原理超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。用超聲波傳感器產(chǎn)生超 聲波和接收超聲波，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲

2、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(yīng)的原理將電 能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超 聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF(timeofflight )。 首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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舉片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LE國字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)框圖如下圖所示：圖1超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖三、系統(tǒng)硬件部分硬件部分主要由單片

3、機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、 超聲波發(fā)射電路和超聲 波檢測(cè)接收電路三部分組成。1.單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路單片機(jī)采用AT89C52來實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過 P1.1弓I腳發(fā)射脈 沖控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)外中斷 0口 INT0弓|腳， 當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)用的 4位共陽LED數(shù) 碼管，段碼用74LS2441動(dòng)，位碼用PNP三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示:彳615141Ar

4、ArTscyRTA7IP fi1pElp31OTNrn3pDXT/ITPDXR/nw3pTlp2/nwlp3Y29y21y2OY23y19y11Y1OY142SL4/ EO2 EO1 3rt2 9A2 1a2 QM2 3rt1 9A1 1A1 QM12U51Ar_/f?p41Arfi9p31ArE OB21a,9pqtatt9pqxtt- TP8Arn- TP7nffrT.np6nffrR.np5nffrE.np4DMV.np3nffr.np2nffrn.np1D/Ml.nponffmw.npElaNESPTSR2LHTX1LHTX1UIS03Q281Qw2.超聲波發(fā)射電路圖2單片機(jī)系統(tǒng)及顯示

5、電路利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，使之與換能器 的40kHz固有頻率一致。12V電源保證555時(shí)基具有足夠驅(qū)動(dòng)能力。 P1.1為超聲波發(fā)射控制信號(hào)，由單片機(jī)控制。發(fā)射電路如圖3所示:113300P圖3超聲波發(fā)射電路原理圖3.超聲波檢測(cè)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(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用 的載波頻率38KHz與測(cè)距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作 為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能 力。適當(dāng)改變C4勺大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。接收電路如圖4所示

6、:四.系統(tǒng)軟件部分超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì)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(duì)超聲波測(cè)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(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)下圖示意了超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā) 出的一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來， 就被超聲 波接收器R所接受。這樣只要計(jì)算出發(fā)生信號(hào)到接受返回信號(hào)所用的 時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計(jì)算公式：d=s/2=(c*t)/2*d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時(shí)間晅雷披意m.原理法2 .主程序

7、主程序框圖如右圖所示: 主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí) 器T0工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式， 置位總中斷允許位EA并給顯示端口 POP2#0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出 一個(gè)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(cè)距器會(huì)有一個(gè)最 小可測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷0接 收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz勺晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù) 器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20c時(shí)的聲速為344m/s則有：d=（C*T0）/2=172

8、T0/10000cm （其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BC四方式LED,然后再發(fā)超聲波脈 沖重復(fù)測(cè)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(hào)，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T的開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外 中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳 出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 TS亭止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未 檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T篩出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將 測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。五.

9、軟硬件調(diào)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48cmi主要性能指標(biāo)：測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.083.00m,測(cè)距儀精度 1cmi程序清單以下是用匯編語言編寫的超聲波測(cè)距控制源程序：采用AT89s52 12MHz晶振顯示緩沖單元在4 0 H4 3 H,使用內(nèi)存 斗4H、45H、46H用于計(jì)算距離20H用于標(biāo)志VOLT EQU P1.0 ；脈沖輸出端口東中斷入口程序上ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP PINTOORG OOOBHLJM

10、P INTTOORG 0013HRETIORG 001BHLJMP INTT1ORG 0023HRETIORG 002BHRETI東主程序*SIAM: MOV Sl MFHMOV RO. #40H :40-43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40為最高位）MOV R7,#0BHCLEARD1SP:MOV RQMOOHNC RODJNZ R7.CLEARDISPMOV 2阻岬 MOV 1MOD, 21H 時(shí)器MOV THQ#00H MOV ILOfOOH MOV TH10F2H MOV 1LU0F2H MOV PO，0FFH MOV PLWFH MOV P2.#0FFH MOV P3,旺FH MOV R4

11、.期4H SETB PXO SETB ETO STEB EA CLR OOH SETB TROSTART1:LCALL DISPLAYJNB 00H. START 1 CLR EA LCALL WORK SETB EA CLR OOH SETB TRO MOV R2. #64HLOOP:LCALL DISPLAYDJNZ R2. LOOP SJMP START 1:門為8位自動(dòng)重裝模式，TQ為16位定;65ms初值;40KHz初值；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制（為賦值的一半）；開啟測(cè)距定時(shí)器:收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1；計(jì)算距離子程序；重新開啟測(cè)距定時(shí)器；測(cè)量間隔控制（約4100=4001115）:TO中

12、斷，6）田5中斷一次INTTO:CLR EACLR TR0MOV THO, #00HIL0,聊 HET1EA TROTRI來回時(shí)向OUT:T1中斷, INUI:WVN CO nb sTgETIn器印 rcdccmsr;啟動(dòng)計(jì)時(shí)器TQ,用以計(jì)算超聲波:開啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1VOUTR4.RETIOUTTR1；超聲波發(fā)送完畢，關(guān)T1ET1IM#04HEXO;開啟接收回波中斷；外中斷0,收到回波時(shí)進(jìn)入PINTO:CLRTRO關(guān)計(jì)數(shù)器CLRTRICLRET1CLREACLREXOMOV44H皿將計(jì)數(shù)值移入處理單元MOV45H. THOSETBOOH；接收成功標(biāo)志RETI1延時(shí)程序iDL1MS:MOV

13、R6J14HDL1:MOVR7 9HDL2:DJNZR6. DL2DJNZR6, DL1RET上顯小程序*:40H為最高位，書H為最低位，先掃描高位DISPLAY：MOV Rl.#40H：GMOV R5 擁;GPLAY:MOV A R5MOV PtUOFFHMOV PIAMOV A, R1MOV DPTR,犯 ABMOVC a, a-dptrMOV PO.ALCALL DLIMSINC RIMOV A.R5,JNB ACC.O. ENDOUT;GRR AMOV R5.AAM PLAYENDOUT:MOV P2.#0FFHMOV PtUOFFHRETTAB: DB 0 C0H,0F9H.0A4H

14、0B0H99H52E82K0F8H.80H,90H.0FFH.88R0BFH；共陽數(shù)碼管WORK:JJO:0.L2v.7.89不亮，A 一*距離計(jì)算程序.（二計(jì)算值x 17/1 ooocm近似PUSH ACCPUSH PSWPUSH BMOV PSW：#18HMOV R3.45HMOV &44HMOV Rl.#00DMOV R0J17DLCALL MUL2BY2MOV R3J03HMOV R2.#0E8HLCALL DIV4BY2LCALL DW4BY2MOV 40H. R4MOV A 40HJNZ JJOMOV 40HTOAH;最高位為0,不點(diǎn)亮MOV A ROMOV RIAMOV A RI

15、MOV R5 AMOV R3.#00DMOV R2.#100DLCALL DIV4BY2MOV 41H.R4MOV A.41HJNZ JJ1MOV A 40H；此高位為Q,先看最高位是否為不亮SUBB M0AHJJ1:JNZ MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOVJJ141H.菱 OAHA. RO R4.AA, RI R5,A R3. #00D R2. #10D； 最高位不亮，次高位也不亮LCALL DIV4BY2JJ2:MOV MOV JNZ MOV SUBB JNZ MOV MOV POP POP POP RET42H. R4 A 42H JJ2 A.41H A. 2AH

16、TP42H.和AH 43R RO BPSW ACC;次高位為0,先看次高位是否為不亮；次高位不亮，次高位也不亮上兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)乘法程序M112BY2:CLR MOV MOV MOVR7.AR6,A Ri AMOV R4.A MOV 46H10HMULLOOP1: CLR C MOV A,R4 RLC A MOV RIA MOV A. R5 RLC A MOV R5,A MOV A.R6 RLC A MOV R6,A MOV A.R7 RLC A MOV R7.AMOV A. RORLC AMOV RO, AMOV A. RIRLC A MOV Rl-A JNC MULLOOP2 MOV A.R

17、4 ADD a,R2 MOV RIA MOV A.R5 ADDC A. R3 MOV R5.A MOV A.R6 ADDC A,順H MOV R6.A MOV A.R7 ADDC A.加 OH MOV RZA(ULLOOP2: DJNZ 46H.MULLOOP1RET*四字節(jié)，兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)除法程序今 DIV4BY2:MOV 弗H, 20HMOV IMOH MOV RlOOH DIVLOOP1: MOV A.R4RLC A MOV RIA 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.

18、 RO RLC A MOV RO. A MOV A. RI RLC A MOV RLA CLR C MOV A. RO SUBB A.R2 MOV B,aDIVL00P2:-1I.-I.-I.I.-1I.-1I.A. RIA.R3 DRT00P2RO.BRLAC46H. DIVLOOP1A.R4AR4.AA. R5AR5.AA. R6AR6.AAR7AR7.AEXD附C51程序INCLUDE WEFINEUCHAR UNSIGNED CHAR WEFINElINT UNSIGNED INT WEFINEULONG UNSIGNED LONG EXTERN VOID CS_T(VOID);EXT

19、ERN VOID DELAWINT)； EXTERN VOID DISPLAY! UCHAR*); /DATA UCHAR DISPLAY(UCIIAR*); DATAUCHARTESTOK;VOID MAIN (VOID)i)DATA UCHAR D1SPRAM5;DATA UINTI;DATA ULONG TIME;PO=OXPF;P2=0XPF;TMOD=OX11;IE=0X80:WHILE CS _T();DELAY( 1);TESTOK=0;EXO=1;ETO= I;WHILE(! TESTOK) DISPLAY(DISPRAM);IF(1=TESTOK)(TIME=TH0;TIME

20、=(TIME8)| TLO;TIME*=172;TIME/= 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;DISPRAM1=16;DISPRAM 2=16;DISPRAM 3=16;FOR (I=0;I300;l+) DISPLAY(DISPRAM);)VOID CS_R(VOID

21、) INTERRUPT 0(TR0=0;ET0=0;EX0=0;TESTOK=1;VOID OVERTIME(VOID) INTERRUPT 1EX0=0;TR0=0;ET0=0;TESTOK=2;)NAME CS_T?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODEPUBLICCS_TRSEG?PR?CS_T?CS_TCS_T:PUSHACCMOVTHO, #00HMOVTLO. #00HMOVA, #4DSETBTROCS_T1:CPLpl.ONOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPDJNZACC.CS_T1POPACCRETENDNAME DELAY ?PR?_DELAY?DELAY SEGMENT CODEPUBLIC _DELAYRSEG ?PR?_DELAY?DELAYDELAY:PUSH ACCMOVA.R7JZ DELA1INC R6DELA 1: MOV R5.#50DDJNZ R5, $DJNZ R7.DELA 1DJNZR6.DELA 1P