超聲波測距器課程設(shè)計

1、微機原理及應(yīng)用課程設(shè)計超聲波測距器的設(shè)計學(xué)生姓名郝強學(xué)號 學(xué)院名稱機電工程學(xué)院專業(yè)名稱機械電子工程指導(dǎo)教師王前2013年12月27日 摘要隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣。本文對超聲波傳感器測距的可能性進行了理論分析，利用模擬電子、數(shù)字電子、微機接口、超聲波換能器、以及超聲波在介質(zhì)的傳播特性等知識，采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。為了保證超聲波測距傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，采取了相應(yīng)的抗干擾措施。就

2、超聲波的傳播特性，超聲波換能器的工作特性、超聲波發(fā)射、接收、超聲微弱信號放大、波形整形、速度變換、語音提示電路及系統(tǒng)功能軟件等做了詳細(xì)說明。關(guān)鍵詞：超聲波；傳感器；測量距離；控制目 錄 摘要 2 目 錄 3 1.設(shè)計目的 4 2.總體方案 4 3.硬件設(shè)計 5 3.1 超聲波測距器硬件電路設(shè)計 5 3.2.1 單片機芯片的選擇 63.2.2AT89C51定時計數(shù)應(yīng)用電路 6 3.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計 63.3.1選擇超聲波發(fā)生器類型 6 3.3.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計 7 3.4 超聲波接收電路設(shè)計 83.5超聲波顯示電路設(shè)計9 4.軟件設(shè)計 9 4.1波測距器的算法設(shè)計 10 4.2系統(tǒng)的

3、主控制程序設(shè)計 11 4.3發(fā)生子程序設(shè)計12 4.4接收中斷程序設(shè)計13 4.5顯示程序設(shè)計144.6距離計算程序15 5.結(jié)論 17 參考文獻 181.設(shè)計目的超聲波測距器，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、管道長度的測量等場合。要求測量范圍在0.104.00m，測量精度1 cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。2.總體方案 硬件部分主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89C1或其兼容系列來實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和74LS04系列超聲波發(fā)射模塊的控制。單片機通過P

4、1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。3.硬件設(shè)計3.1 超聲波測距器硬件電路設(shè)計超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t,然后求出距離。路程、波速、時間之間的關(guān)系，可用下列簡單的公式表示： 上式中，d為超聲波傳播單邊的路程，s為超聲波來回的路程， c為超聲波波速, t為超聲波來回所用的時

5、間。當(dāng)聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距的原理。超聲波測距的原理如圖所示。3.1超聲波測距原理根據(jù)超聲波測距原理，超聲波測距器需要有超聲波發(fā)生器、超聲波接收器、超聲波傳播的計時器。按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，硬件電路由單片機計時及控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路、顯示電路及電源五部分組成。系統(tǒng)原理總框圖見圖。3.2超聲波測距器的原理總框圖3.2.1 單片機芯片的選擇89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8

6、位微處理器，俗稱單片機。89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.2.2AT89C51定時計數(shù)應(yīng)用電路AT89C51單片機片內(nèi)集成有兩個可編程的定時/計數(shù)器T0和T14。它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外部事件計數(shù)模式。本設(shè)計采

7、用定時計數(shù)器T0，根據(jù)需要，讓其工作于方式1。方式1的計數(shù)位數(shù)是16位，由TL0作為低8位，TH0作為高8位，組成16位加1計數(shù)器。其初值在65 5350范圍，計數(shù)范圍為165 536。具體應(yīng)用見程序設(shè)計部分。3.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計3.3.1選擇超聲波發(fā)生器類型壓電式超聲波換能器利用壓電晶體的諧振來工作，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。超聲波換能器有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加電脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發(fā)生共振，從而帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果在共振板上外加適當(dāng)?shù)臋C械振動，使壓電晶片發(fā)生共振，將在壓電晶片之間產(chǎn)生交變的電信號。這時它就成為了超聲波接

8、收器。本設(shè)計選用壓電式超聲波換能器TCT40l0Fl作超聲波發(fā)射器。使用時注意分清器件，因為它與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同。 3.3超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計超聲波發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，如圖所示。圖中T為超聲波發(fā)射器，采用TCT40l0Fl，外型尺寸15 。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R2，R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。工作時，單片機的定時器T0產(chǎn)生40 KHz方波信號，從P1.3端口輸出，一路經(jīng)過一級反向器后送到超聲波

9、發(fā)射器T的一個電極，另一路經(jīng)過兩極反向器后送到超聲波發(fā)射器T的另一個電極，從而將40 KHz電脈沖信號加到超聲波發(fā)射器T，使T發(fā)射超聲波。電路采用推挽形式，向超聲波發(fā)射器T提供電脈沖信號，可以提高超聲波的發(fā)射強度。3.4超聲波發(fā)射電路原理圖3.4 超聲波接收電路設(shè)計超聲波接收電路主要由超聲波接收換能器R和超聲波檢測接收模塊構(gòu)成，如圖所示。圖中R為超聲波接收器，采用TCT40l0Sl，外型尺寸15 。U5是超聲波檢測接收模塊，設(shè)計時選用了紅外線檢波接收專用集成電路芯片CX20106A。選用的原因是CX20106A常用的載波頻率為38KHz，與測距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以將發(fā)射的超聲波

10、之頻率控制為38KHz。電路中設(shè)置的電容C4，適當(dāng)更改其大小，可以改變接收電路的抗干擾能力；適當(dāng)改變電路中的電容C6，可改變電路的靈敏度。工作時，接收的超聲波信號經(jīng)R轉(zhuǎn)換為電信號，加到CX20106A的輸入端（1腳），處理后由CX20106A的輸出端（7腳）送達單片機的中斷口INT0，申請CPU處理。3.5超聲波檢測接收電路3.5超聲波顯示電路設(shè)計顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式，本系統(tǒng)采用并行輸出的動態(tài)顯示方式。顯示電路結(jié)構(gòu)根據(jù)本超聲波測距器顯示測距數(shù)據(jù)的需要，采用4位LED動態(tài)顯示電路。 其中2位顯示小數(shù)部分，2位顯示整數(shù)部分。顯示信息輸入部分由單

11、片機P0輸出端，連接74LS244相應(yīng)輸入端，驅(qū)動器輸出端經(jīng)限流電阻連接相應(yīng)字段碼端；字位控制部分分別由三極管驅(qū)動，選用PNP型晶體管9012，其基極經(jīng)限流電阻連接單片機的P2口相關(guān)端子，集電極連接數(shù)碼管的共用端，發(fā)射極連接電源。顯示電路如圖所示5。3.6超聲波測距動態(tài)顯示電路4軟件設(shè)計超聲波測距器的軟件主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序以及顯示子程序組成。4.1波測距器的算法設(shè)計從前面距離的計算公式可知，c為聲速，對于超聲波，在常溫20時，其數(shù)值為344米/秒；若能準(zhǔn)確測量出超聲波從發(fā)射到返回所用時間，則可以計算出發(fā)射點到被測障礙物之間的距離。測量距離時，由超聲波測距器的主控

12、制器中定時器記錄時間，設(shè)計中要求超聲波測距時精確計算程序運行時間。測量超聲波來回所用的時間，當(dāng)送出一個超聲波脈沖后，需要延時約0.1ms，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號，這是為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起直射波觸發(fā)。單片機工作時晶振頻率為12MHz，計數(shù)器每計1個數(shù)就是1 s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將停止計數(shù)器T0計數(shù)。計算距離，將計數(shù)器T0中的計數(shù)值T0帶入距離的計算公式計算，即可得被測物體與測距器之間的距離。具體為計算的結(jié)果，以十進制BCD碼方式送往LED顯示，顯示時間約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。4.2系統(tǒng)的主控制程序設(shè)計主程序包括對系統(tǒng)環(huán)境初始

13、化，設(shè)置定時器T0工作模式，調(diào)用超聲波發(fā)生子程序，等待反射超聲波，計算距離，顯示距離；重復(fù)。主程序流程圖如圖。4.1主程序流程圖主程序START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H ;40H43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40H為最高位） MOV R7, #0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ；T1為8位自動重裝模式，T0為16位定時器 MOV TH0, #00H ;65ms初值 MOV TL0, #00H MOV TH1, #0F2H ;40kHz初值

14、MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超聲波脈沖個數(shù)控制（為賦值的一半） SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ；開啟測試定時器START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信號時標(biāo)志位為1 CLR EA LCALL WORK SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新開啟測試定時器 MOV R2, #64H ;測量間隙控制（約4ms100=400ms）LOOP: LCALL D

15、ISPLAY DJNZ R2,LOOPSJMP START14.3發(fā)生子程序設(shè)計超聲波發(fā)生子程序，主要功能是單片機控制，通過P1.3端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號，頻率為約40kHz的方波，其脈沖寬度為12s左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI4.4接收中斷程序設(shè)計超聲波接收中斷程序，主要功能是單片機控制，檢測外中斷0返回超聲波信號，一旦接收

16、到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示本次測距不成功。；T0中斷，65ms中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;啟動計數(shù)器T0，用以計算超聲來回時間 SETB TR1 ；開啟發(fā)超聲波用定時器T1OUT: RETI；T1中斷，發(fā)超聲波用INTT1: CPL VOUT DJNZ

17、R4,RETOUT CLR TR1 ;超聲波發(fā)完畢，關(guān)T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;開啟接收回波中斷RETIOUT: RETI;外中斷0，收到回波時進入PINT0: CLR TR0 ;關(guān)計數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H,TL0 ;將計數(shù)值移入處理單元 MOV 45H,TH0 SETB 00H ;接收成功標(biāo)志 RETI如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2，以表示本次測距不成功。4.5顯示程序設(shè)計；40H為最高位，43H為最低位，先掃描高位DI

18、SPLAY: MOV R1,#40H;GMOV R5,#0E7H;GPLAY: MOV A,R5 MOV P0,#0FEH MOV P2,A MOV R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DL1MS INC R1 MOV A,R5 JNB ACC.0,ENDOUT;G RR A MOV R5,A AJMP PLAYENDOUT: MOV P2,#0FEH MOV P0,#0FEH RETTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H, 0FEH,88H,0BFH;共陽段碼表 “0”，

19、“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“不亮”，“A”，“-”4.6距離計算程序PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18h MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #17D LCALL MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4Y2 MOV 400H, R4 MOV A, 40H JNZ JJ0 MOV 40H,#0AH ;最高位為0，不點亮JJ0: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A,

20、 R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A, 41H JNZ JJ1 MOV A, 40H ;次高位為0，先看最高位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ1 MOV 41H, #0AH ;最高位不亮，次高位也不亮JJ1: M0V A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A, 42H JNZ JJ2 MOV A, 41H ;次次高位為0，先看次高位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ2