基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

1、基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)完成人：尹雷（組長(zhǎng)，電信092）；張洋（電信092）；鄭學(xué)貴（電信092）；傅長(zhǎng)軍（電信092）；指導(dǎo)老師：耿磊獲獎(jiǎng)情況：二等獎(jiǎng)?wù)河捎诔暡ㄖ赶蛐詮?qiáng)，能量消耗慢，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。本作品利用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了利用超聲波測(cè)量距離的目的。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)送模塊、超聲波接受模塊等四部分組成，單片機(jī)模塊采用的是STC89C52，超聲波產(chǎn)生電路由單片機(jī)直接產(chǎn)生，通過(guò)功率放大電路加到超聲波換能器的發(fā)送端，超聲波接受電路采用紅外芯片CX20106A接受回波。通過(guò)三位數(shù)碼管能清晰穩(wěn)定的顯示所測(cè)得距離。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試

2、 本系統(tǒng)在2M的測(cè)量距離內(nèi)所產(chǎn)生的誤差小于1CM，所測(cè)得范圍為18CM450CM左右，能較好的完成測(cè)量任務(wù)。本作品成本低，可抗性高，測(cè)得的距離能夠清晰穩(wěn)定的顯示在三維數(shù)碼管上，且小巧輕便，有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī)；超聲波測(cè)距；超聲波換能器。1 作品功能及總體方案1.1 功能描述隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)距方法在很多場(chǎng)合已無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求，例如在井深、液位、管道長(zhǎng)度測(cè)量等場(chǎng)合，傳統(tǒng)的測(cè)距方法根本無(wú)法完成測(cè)量任務(wù)。還有在很多要求實(shí)時(shí)測(cè)距的情況下，傳統(tǒng)的測(cè)距方法也不能很好完成測(cè)量任務(wù)，于是一種新的測(cè)距方法非接觸測(cè)距應(yīng)運(yùn)而生。整體的設(shè)計(jì)要求主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和功能兩個(gè)方面。結(jié)構(gòu)要求

3、：(1)該系統(tǒng)由一個(gè)接收顯示終端和超聲波發(fā)送與接收電路組成；(2)非接觸測(cè)量距目標(biāo)物體的長(zhǎng)度。功能要求：能達(dá)到短距離測(cè)量的目的，保證測(cè)量的精度盡量小，測(cè)量的結(jié)果能清晰穩(wěn)定的顯示在數(shù)碼管上。并能連續(xù)測(cè)量，當(dāng)距離變化時(shí) 能夠敏銳的反應(yīng)，達(dá)到距離變顯示變的效果。1.2 系統(tǒng)組成及工作過(guò)程2 硬件設(shè)計(jì)2.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)接收顯示終端以單片機(jī)為核心連接數(shù)碼管，超聲波發(fā)送與接收端以單片機(jī)為核心分別連接功率放大電路與超聲波接收電路。2.2單片機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)單片機(jī)采用STC89C52或其兼容系列。系統(tǒng)采用12MHZ高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，并減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所

4、需的40kHz方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2所示。圖2 51單片機(jī)的最小系統(tǒng)2.3 接收顯示終端電路顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4位共陽(yáng) LED數(shù)碼管,位選為P20P22，使用 9012三極管作為位驅(qū)動(dòng)。本電路的顯示方式屬于動(dòng)態(tài)方式, 各顯示位段引腳 a dp并聯(lián)在一起, 共用直接連到單片機(jī)P1端?？梢苑€(wěn)定清晰顯示測(cè)量結(jié)果。電路圖如下。圖3 數(shù)碼管電路2.4超聲波發(fā)送電路發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另

5、一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射速度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。兩個(gè)上拉電阻一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力；另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其自由振蕩的時(shí)間。 電路圖如下： 2.5超聲波接受電路集成電路CX20106A是一款紅外線(xiàn)檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，實(shí)驗(yàn)證明，用CX20106A接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。接收的回波直接連接到INT0端口，通過(guò)低電

6、平來(lái)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，并有單片機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)，送達(dá)數(shù)碼管顯示，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)距的目的。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件總體設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波程序發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序、超聲波溢出顯示程序及測(cè)量正常顯示子程序組成。由于C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，又可以通過(guò)軟件延時(shí)的調(diào)試來(lái)精確延時(shí)。而超聲波測(cè)距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言。下面說(shuō)明超聲波測(cè)距器的算法。 超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)： 距離計(jì)算公式：d=s/2=(vt)/2 其中d是被測(cè)物與測(cè)距器的距離；s是超聲波的來(lái)回路程，v是超聲波在當(dāng)前溫

7、度下的速度，t是發(fā)送和接收超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間。4.2 主程序設(shè)計(jì)主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器工作模式為16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對(duì)顯示端口P0和P2清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。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延遲0.1ms后才打開(kāi)外中斷0（以免接收器直接接收到發(fā)送端的發(fā)送波），接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHZ晶振，計(jì)數(shù)器每記一個(gè)數(shù)就是1us，取20時(shí)的超聲波傳輸速度v=344m/s,則d=(vt)/2=344t/2=(172T0/106)m=(172T0 /10000)cm其中T0為中斷T0的計(jì)數(shù)值。測(cè)出

8、距離后，結(jié)果以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5S，然后再發(fā)出超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量。主程序流程圖如下： 4.3顯示模塊程序設(shè)計(jì)顯示模塊由于要實(shí)現(xiàn)三位數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，所以采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，由于測(cè)量的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)變化的，要求每次顯示的時(shí)間為1s左右，所以每次顯示都在一個(gè)循環(huán)里面實(shí)現(xiàn)。4.4外部中斷模塊程序設(shè)計(jì)當(dāng)單片機(jī)接收到回波的時(shí)候，觸發(fā)外部中斷的發(fā)生，此時(shí)應(yīng)首先關(guān)閉定時(shí)器，然后在對(duì)定時(shí)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)定時(shí)器所記得數(shù)計(jì)算出距離目標(biāo)物體的距離。并把數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，分別賦給數(shù)碼管的三個(gè)端。最后將定時(shí)器清零，以便下一次繼續(xù)測(cè)量。4.5定時(shí)器中斷模塊程序設(shè)計(jì) 由于主程序執(zhí)行完后等在延時(shí)的過(guò)程中

9、，此時(shí)若距離目標(biāo)物體太遠(yuǎn)，超聲波能量耗盡不能返回至單片機(jī)，則觸發(fā)定時(shí)器中斷，此時(shí)賦給數(shù)碼管三個(gè)為選為F，若中斷發(fā)生，則數(shù)碼管顯示“FFF”，表示距離太長(zhǎng)，然后將定時(shí)器關(guān)閉。等待下一次測(cè)量的到來(lái)。5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果 超聲波測(cè)距系統(tǒng)要求能在短距離內(nèi)穩(wěn)定、清晰、準(zhǔn)確的顯示測(cè)量結(jié)果。我們?cè)诙啻螠y(cè)量的情況下得出了如下表中的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)在2米得范圍內(nèi)，最大誤差只有1厘米，可以很好的完成測(cè)量的任務(wù)。并且在4米得范圍內(nèi)誤差能控制在2cm以?xún)?nèi),基本上可以達(dá)到測(cè)量要求。單位：cm實(shí)際距離58152540506070顯示距離1818182540506070實(shí)際距離100130150180200250300350顯示距離1