基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計說明

1、 PAGE21 / NUMPAGES21基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計摘 要：這是一種可應(yīng)用于倒車?yán)走_的超聲波測距系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用單片機為核心，結(jié)合發(fā)射和接受模塊構(gòu)成整個的測距系統(tǒng)。倒車?yán)走_是用來探測車身和周圍的障礙物并顯示其距離，以幫助駕駛員安全倒車或泊車的輔助電子設(shè)備，在縱多的汽車中逐漸普與應(yīng)用，而且較多的應(yīng)用了本系統(tǒng)設(shè)計采用的無源探頭。采用無源探頭能夠降低整個系統(tǒng)的設(shè)計成本，為能夠更廣泛的應(yīng)用超聲波測距系統(tǒng)打了堅實的基礎(chǔ)。因此，本系統(tǒng)的設(shè)計具有廣泛的運用價值和意義。關(guān)鍵字：超聲波測距； 倒車?yán)走_； 運用價值 Abstract:This is a reversing radar can

2、be used in ultrasonic ranging system. The system uses a single-chip microcomputer as the core, Combination of transmitting and receiving modules constitute the entire ranging system. Reversing radar is used to detect obstacles in and around the body and displays its distance, in order to help driver

3、 safety reversing or parking and ancillary electronic equipment, in many longitudinal vehicle gradually wider application, and more applications of the system design Passive probe used. Passive probe can reduce overall design cost, in order to be able to the wider use of ultrasonic ranging system pl

4、aying a solid foundation. Therefore, the design of the system has a broad application of the value and significance.Keyword: Ultrasonic Ranging; reversing radar; use Value目 錄引言4超聲波測距系統(tǒng)主要功能的概述4超聲波測距系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)4超聲波測距系統(tǒng)的原理4超聲波測距系統(tǒng)的硬件組成5超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計9超聲波測距系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果分析10總結(jié)11辭11參考文獻12附錄一 超聲波測距系統(tǒng)原理圖13附錄二超聲波

5、測距系統(tǒng)的PCB圖14附錄三超聲波測距系統(tǒng)的源程序15引言：本系統(tǒng)以STC89C52單片機控制為核心、發(fā)出40K發(fā)波信號，經(jīng)發(fā)射電路升壓后驅(qū)動超聲波換能器，然后再由超聲波接收頭接受信號，送到單片機處理后，由液晶顯示模塊顯示測量數(shù)據(jù)。此外，本系統(tǒng)還包括了測溫系統(tǒng)，測溫工作由DS18B20完成，由本系統(tǒng)構(gòu)成的超聲波測距系統(tǒng)具有測量準(zhǔn)確，顯示便捷，操作靈活，反應(yīng)迅速，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，耗電低，報警提示等特點。超聲波的主要功能概述：實時顯示當(dāng)前測量距離；實時顯示當(dāng)前測量溫度；具有近距離和遠距離兩種測量模式；能夠?qū)崟r報警功能；具有開機系統(tǒng)自檢功能；二、超聲波測距儀的主要技術(shù)指標(biāo)測量距離：0.20m-10.0

6、0m測溫圍：0-125測量距離精度：1cm實時功率：0.05W系統(tǒng)發(fā)射功率：1mW(max)工作電流：80mA(min)、90mA(max)輸入電源電壓：DC5V超聲波測距系統(tǒng)的原理超聲波測距的方法有很多種，如相位檢測法，聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測圍有限：聲波幅值檢測法容易受反射波的映像。本系統(tǒng)采用超聲波往返時間檢測法，其原理是：檢測從超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間即往返時間。往返時間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘再除以2就是檢測的距離。即有： L=V*T/2想要通過時間測量超聲波傳播的時間的準(zhǔn)確性確定距離，聲速V就必須要準(zhǔn)確測定。實際上聲

7、速雖介質(zhì)的溫度，壓力等變化而變化。一般條件下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度就主要受溫度的影響。在我們的設(shè)計測距系統(tǒng)中采用測量溫度的方法來補償聲速，即用測溫元件測量實際環(huán)境的溫度來修正聲速?？諝庵械穆曀倥c溫度的關(guān)系近似用下式表示： V=331.4+0.607T m/s T 此外，準(zhǔn)確的測量目標(biāo)還要能夠精確的計算出超聲波傳播的時間，顯然能夠確定的時間的單位越小越好，本系統(tǒng)采用的單片機的定時器0來計算時間，單片機采用12M 的晶振，那么本系統(tǒng)可精確到1US 的最小時間單位，計算所測量的距離可精確到0.0001M，顯然這已經(jīng)能夠完全地滿足我們的設(shè)計要求。超聲波測距系統(tǒng)的總電路的組成部分有：單片機

8、控制電路，超聲波發(fā)射電路，超聲波接受電路，測溫電路，液晶顯示電路以與報警電路等共同組成。單片機控制電路負責(zé)發(fā)生40K的方波信號，經(jīng)一反向器器后分別送到MAX232的兩TTL電平輸入端，然后產(chǎn)生+/-9V的方波信號驅(qū)動超聲波換能器。再由超聲波接受回來，此時，就可利用單片機定時出發(fā)射和接收的時間差。那么單片機就可計算出實際的距離，并將其顯示出來。具體的硬件原理框圖如下：微控制器顯示報警信號產(chǎn)生驅(qū)動信號放大整型發(fā)生器接收器超聲波測距系統(tǒng)的硬件組成4.1單片機控制系統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)以單片機STC89C52為核心，結(jié)合其本身的一些外圍器件構(gòu)成。STC89C52單片機是一款應(yīng)用很普與的89系列的單片機，該

9、單片機具有四個8位的I/O口，部集成了8K的程序存儲器，兩個外部中斷，兩個定時器，支持串口的程序下載，具有應(yīng)用簡單，操作簡便，價格便宜等許多優(yōu)點。因此我們選用這一型號的單片機作為控制器。單片機的晶振頻率為12M，這樣有利于我們更準(zhǔn)確地計算超聲波的往返時間，是后面距離精確計算的基礎(chǔ)。 圖一：超聲波控制電路超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路采用基于MAX232的方波發(fā)射電路，電路的前級用74LS04非門輸出正反相的40KHz方波信號驅(qū)動MAX232后實現(xiàn)從TTL電平到RS232電平的DC-DC轉(zhuǎn)換，輸出+/-9V的電壓方波，驅(qū)動超聲波換能器，電路圖如下圖2所示。由于發(fā)射到換能器的電壓高，波形完整，因此可

10、以達到很高的發(fā)射功率與效率，可以測量到比較遠的距離，同時用這個電路發(fā)射方波，電路工作穩(wěn)定，電路功耗很小，也適合單電源供電。所以我們采用這個方案作為發(fā)射電路。圖2：基于MAX232的超聲波發(fā)射電路超聲波接受電路超聲波接收電路采用集成接收芯片對超聲波回波信號進行放大與整形，在這里我們采用SONY公司生產(chǎn)的紅外接收專用芯片CX20106A（電路如圖3所示），由于它的接收頻率在40KHz左右，而且它的外部電路簡單易于實現(xiàn)，同時減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩，因此我們采用這個接收方案。CX20106A部集成了前置放大與限幅放大，總增益可達80dB，帶通濾波電路，峰值檢波，噪聲抑制電路，自動增益控制電路和波形整形電

11、路。可以通過調(diào)整外部的電容C2調(diào)整它的接收靈敏度，調(diào)整外部電阻R6可以的調(diào)整它的接收中心頻率與增益，它工作穩(wěn)定，靈敏度高，功耗小，接收回波能力強，所以我們采用這個方案作為接收電路。圖3：基于CX20106A的超聲波接受電路LCD液晶顯示電路 LCD液晶顯示電路采用LCD1602液晶顯示模塊，它可以顯示2行*16個字符，完全可以滿足我們的設(shè)計要求。它獨有的藍色背光電路可以在環(huán)境光線較弱的條件下應(yīng)用，顯示清晰，顏色靚麗，價格便宜的特點，是很好的顯示設(shè)備。同時，還能夠根據(jù)情況來調(diào)節(jié)顯示的亮度。由于本系統(tǒng)可以不用顯示漢字，介于設(shè)計成本上的需要，我們采用了這個顯示方案。圖4：1602液晶顯示模塊溫度檢測

12、模塊檢測模塊是以數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心，它是DALLAS 公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計。DS18B20 產(chǎn)品的特點（1）、只要求一個I/O 口即可實現(xiàn)通信。（2）、在DS18B20 中的每個器件上都有獨一無二的序列號。（3）、實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。（4）、測量溫度圍在55 到125攝氏度之間。（5）、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9 位到12 位選擇。（6）、部有溫度上、下限告警設(shè)置。DS18B20 詳細引腳功能描述1、GND 地信號；2、DQ數(shù)

13、據(jù)輸入出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用在寄生電源下，也可以向器件提供電源；3、VDD可選擇的VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。DS18B20 的使用方法。由于DS18B20 采用的是1Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89S52 單片機來說，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為

14、主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。本系統(tǒng)采用外部電源供電方式,即:DS18B20的1腳和3腳分別接地和VCC電源.2腳接一個5K的上拉電阻到VCC.這樣接法的好處是傳感器的檢測圍更大.在溫度檢測時，無需強上拉。圖5：基于DS18B20的溫度檢測電路超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用了目前比較流行的編程語言C語言，由于C語言是面對使用者的高級語言，它通俗易懂，書寫方便，給我們的編程設(shè)計帶有很大的方便，我們的編程速度與效率與得到了很大的

15、提高。尤其是在數(shù)據(jù)運算處理方面，C語言顯示出了巨大的優(yōu)越性。程序首先要初始化要用到的寄存器，存單元，設(shè)置中斷觸發(fā)方式，并初始DS18B20和1602液晶模塊，然后控制P3.1口輸出12US的高電平，再輸出13US的低電平，循環(huán)15次便可發(fā)射15個頻率為40K的方波信號，此后單片機馬上啟動定時器計時，經(jīng)過一段時間的延時后，CPU開放中斷。當(dāng)中斷產(chǎn)生后，馬上關(guān)閉定時器，并由單片機處理數(shù)據(jù)，并將計算結(jié)果顯示出來。以下是程序設(shè)計的流程圖：開始系統(tǒng)初始化發(fā)射方波脈沖計時中斷數(shù)據(jù)處理報警執(zhí)行報警LCD顯示返回結(jié)束程序設(shè)計見附錄三超聲波測距系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果分析對多種測試物體進行測試：測試物體一：紙箱

16、 48cm*46cm;測試物體二：木板 43cm*35cm測試物體三：銅板36cm*34cm測試物體四：硬塑料板40cm*33cm1、距離測試：測試一：測試地點：男生宿舍24#205 測試時間：3月25日 10：00-11:00實際測試距離圍：0.12m5.15m 測試者：振河、王坤單位：cm測試物體紙箱木板銅板硬塑料測試距離1231231231232020202121212121202121212110010110110199999910099991001001002502442442432442452452442452442442442445004984984984994994995015

17、01502測試二： 測試地點：信息與通信學(xué)院創(chuàng)新基地 測試時間：3月25日 12：00-13:00實際測試距離圍：0.12m5.30m 測試者：振河、王坤單位：cm 測試物體紙箱木板銅板硬塑料測試距離1231231231232020191920212020191919202010010010110110099999910099102102101250247247246249248248246246246249250249500499499501500501501500501501注： 1、銅板上分布著許多不規(guī)則的小孔； 2、在測試小于40cm距離時，發(fā)射頭要并接一104瓷片電容；3、由于接收頭

18、在接收到超聲波后轉(zhuǎn)化成的電信號極小，幅值在UV級別，因此無法在實驗室的示波器上顯示。2、工作電流：100mA 3、LCD顯示清晰，亮度高，容豐富4、各LED指示燈均能正常工作，指示正常5、測量溫度精度：0.0625以上各項技術(shù)指標(biāo)均滿足了設(shè)計的要求，電路各種參數(shù)設(shè)計合理，工作穩(wěn)定，性能良好。總結(jié)經(jīng)過十幾天的不斷設(shè)計制作，我們終于完成了我們的設(shè)計。總體上講，這一系統(tǒng)測量結(jié)果在一定的誤差圍較為準(zhǔn)確，測試數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，我們覺得這是本系統(tǒng)中最為成功的地方之一，為此我們也十分的滿意！當(dāng)然，我們這次的設(shè)計也存在很多的不足之處，比如我們的這個設(shè)計在運動中測試的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，測量數(shù)據(jù)變化很大，而且反應(yīng)時間較長。

19、我們認為這是本系統(tǒng)中最大的不足之處，同時也是我們在設(shè)計制作之初欠缺考慮的地方。為此，我們查閱相關(guān)的資料，了解到相關(guān)的一些信息。據(jù)了解，目前高性能的倒車?yán)走_大都采用有源探頭，接收的回波信號在探頭部放大整形后輸出，發(fā)射信號也在探頭部耦合驅(qū)動傳感器，其抗干擾性更強，探頭的互換性、一致性也更高。同時采用多個探頭以保證測試結(jié)果的質(zhì)量?？傊m然我們這次超聲波測距系統(tǒng)的制作存在一些不足，但總體上還是取得令人滿意的結(jié)果!為此，我們會再接再勵，在電子制作過程中不斷吸收各方面的知識、提高我們的實踐能力，讓我們再一次感覺到了辛苦忙碌之后收獲的喜悅，同時也引起了我們對電子制作的更加廣泛的興趣和熱情！ 辭：經(jīng)過本小組

20、所有成員的共同努力，我們終于完成這次設(shè)計制作，在設(shè)計中我們遇到各種各樣的困難，但我們?nèi)〗M齊心協(xié)力，共同攻關(guān)，獻言獻策，憑著嚴(yán)謹認真的科研態(tài)度，創(chuàng)新的科學(xué)精神，克服了種種困難。同時，多得各位老師和同學(xué)的耐心分析和指導(dǎo)，尤其是何寧老師給予了我們很大的幫助！為此，我們要向我們的指導(dǎo)老師何寧老師，廖欣老師表示由衷的感，在他們的耐心幫助下，我們終于順利地完成我們的這次設(shè)計制作！參考文獻：1 徐愛鈞 秀華.Keil Cx51 V7.0單片機高級語言編程與uVision2應(yīng)用實踐 電子工業(yè) 20042 毅剛 喜源 潭曉昀等.MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計.工業(yè)大學(xué) 20003 振江 杜鐵軍 群.流行單片機實用

21、子程序與應(yīng)用實例. ：電子科技大學(xué)，20024 群芳 士軍 黃建.單片微型計算機與接口技術(shù)（第三版） 電子工業(yè) 20085 光飛.單片機C程序設(shè)計實例.航空航天大學(xué) 20026 周立功單片機發(fā)展.DS18B20芯片資料附 錄附錄一：超聲波測距系統(tǒng)原理附錄二：超聲波測距PCB附錄三：超聲波測距系統(tǒng)源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit d8=P27;sbit d1=P20;sbit d2=P22;sbit d3=P24;sbit fang=P31;sbit ds=P14; /define ds18b2

22、0sbit lcden=P10;sbit lcdrs=P12;uchar table=TMP:;uchar table1=distance:;uchar table2=0123456789.CM;double TT;float S6;uint temp,temp1,time,V,S;uint S53,temp23;uchar A1,A2,A3,S1,S2,S3,S4,timeh,timel,flag;/*延時*/void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); /*初始化DS18B20*/void dsreset()ui

23、nt i;ds=0;i=103;while(i0) i-;ds=1;i=4;while(i0) i-;/*read a bit*/bit tmpreadbit()uint i;bit dat;ds=0;i+;ds=1;i+;i+;dat=ds;i=8;while(i0) i-;return(dat);/*read a byte*/uchar tmpread()uchar i,j,dat;dat=0;for(i=1;i=8;i+)j=tmpreadbit();dat=(j1);return(dat);/* write a byte */void tmpwritebyte(uchar dat)ui

24、nt i;uchar j;bit testb;for(j=1;j1;if(testb)ds=0;i+;i+;ds=1;i=8;while(i0) i-; elseds=0;i=8;while(i0) i-;ds=1;i+; i+;/*temchange 溫度轉(zhuǎn)換命令*/void tmpchange()dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0 xcc);tmpwritebyte(0 x44);/*get tmp*/uint gettmp()float tt;uchar a,b;dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0 xcc);tmpwrite

25、byte(0 xbe);a=tmpread();b=tmpread();temp=b;temp=8;temp=temp|a;tt=temp*0.0625;temp=tt*10+0.5;return temp;/* fen li*/void display1(uint temp)A1=temp/100;A2=(temp%100)/10;A3=temp%10;void display2(uint S)S1=S/1000;S2=S%1000/100;S3=S%100/10; S4=S%10;/*write a data*/void write_data(uchar date)lcdrs=1; /rs

26、 =1P0=date;delay(5); lcden=1; /EN 一個高脈沖寫入delay(5);lcden=0;/*write a command*/void write_(uchar ) /液晶寫指令lcdrs=0; /RS =0P0=; /送指令delay(5); lcden=1; /EN 一個高脈沖寫入delay(5);lcden=0; /*init lcd*/void init() /初始化液晶uchar i;lcden=0;i+;i+;write_(0 x38); i+; i-;write_(0 x0e); /光標(biāo)不閃爍指令 i+;i-;write_(0 x06); i+;i-;

27、write_(0 x01); /清除所有指令 i+;i-;void xianshi()uchar a;init();write_(0 x80+3);delay(5);for(a=0;a4;a+)write_data(tablea);delay(5);write_(0 x80+11);delay(5);for(a=11;a13;a+)write_data(table2a);delay(5);write_(0 x80+9);delay(5);write_data(table210);delay(5);write_(0 xc0);delay(5);for(a=0;a0)write_(0 xc0+9)

28、;delay(5);write_data(table2S1);delay(5);write_data(table2S2);delay(5);write_(0 xc0+12);delay(5);write_data(table2S3);delay(5);write_data(table2S4);delay(5);elsewrite_(0 xc0+10);delay(5);write_data(table2S2);delay(5);write_(0 xc0+12);delay(5);write_data(table2S3);delay(5);write_data(table2S4);delay(5);void