毕业设计（论文）基于单片机的超声波测距仪.doc

目 录摘 要1关键词1ABSTRACT.1KEY WORDS11 绪论21.1 超声波测距仪的发展及现状21.2 本设计目的和意义21.3 设计思路21.3.1 设计原理21.3.2 总体框图22 论计方案与论证32.1 系统整体方案的设计32.2 系统整体方案的论证33 系统的硬件结构设计33.1 51系列单片机的功能特点及测距原理33.2 超声波发射电路43.3 超声波检测接收电路43.4 超声波测距显示电路44 系统软件的设计54.1 系统程序流程图54.2 系统的软件主程序74.3 超声波接受中断程序74.4 系统的软件的调试85 总结8参考文献9附录一 程序清单10附录二 超声波测距实物图16基于单片机的超声波测距仪摘 要：本设计是基于单片机实现的超声波测距仪。利用单片机的嵌入式功能，将软、硬件有机地结合起来，运用超声波测距的原理，使得系统能够正确地执行各功能模块。本系统能够实现：测量17cm到650cm的距离，精度为1cm。本论文首先介绍了单片机AT89C51的基础知识，然后对超声波测距基础功能进行分析，给出设计方案和论证，进行编程设计和硬件焊接。本设计较好的完成了该课题指定的基本功能，并有所扩展，方便修改和改进。关键词：单片机；超声波；嵌入式SCM-based ultrasonic rangefinderAbstract：This paper is going to study the realization of SCM-based ultrasonic rangefinder. By using of flushbonading function of SCM, we combine software and hardware organically, use the ultrasonic ranging principle to make the system implement each functional module correctly. The system can make the following comes true: by measuring the distance between 17cm and 650cm to achieve the 1cm precision. This topic introduces some basic knowledge of SCM-AT89C51, and then analyses the basic function of ultrasonic distance ranging to show out design scheme and argumentation and then to proceed programming and hardware welding. It has almost accomplished the task of basic function and has some extended expansion, which is convenient for modification and improvement.Key words：SCM;Ultrasonic;flushbonading1 绪论1.1 超声波测距仪的发展及现状随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。超声波测距运用主要有声纳测距和倒车雷达。声纳测距的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。随着经济的发展，人们的生活水平越来越高。汽车进入家庭已不再是奢望，但随之而来的事情就是如何保证汽车使用过程中的安全问题，特别是如何防止汽车与其他物体碰撞的事情发生。据初步调查统计，l5%的汽车事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。因此，增强汽车的后视能力，对于提高行车安全，减轻司机的劳动强度和心理压力，是十分重要的。如果车辆能适时检测与周围障碍物的距离并给出警告信息，使司机及早采取行动，可避免车辆相撞事故的发生。倒车雷达的广泛应用可以减少汽车事故发生率。1.2 本设计目的和意义随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但是运用超声波测距技术很有限，一般运用于高定位精度的声纳测距、汽车倒车雷达等。它们都运用了超声波定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小，反射能力较强，在恶劣工作环境下具有一定的适应能力等优点。超声波测距仪作为一种非常有用的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加精确的方向发展，以满足日益发展的社会需求。本设计基于单片机实现超声波测距离，其中考虑到了温度对超声波的影响，合理的提高了测量精度。1.3 设计思路1.3.1 设计原理发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，计算其往返时间t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。本设计采用常温20摄氏度时超声波的波速，这样既可以满足精度1cm的要求，又可以适合正常环境下的测量要求。表1-1 超声波波速与温度的关系表 温度（）-30-20-100102030100 声速（ms）3133193253233383443493861.3.2 总体框图单片机发出启动信号，经放大后通过超声波发射器发出；超声波反射回来时，超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。超声波接收 单片机控制器超声波发送LED显示扫描驱动图1-1 超声波测距仪原理框图2 论计方案与论证2.1 系统整体方案的设计电路的设计主要包括三端稳压电源电路，单片机及其辅助电路、超声波发射和超声波检测接收电路，显示电路四部分组成。单片机采用AT89C51，用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声模块所需的启动信号，超声波发射探头发出40KHZ的超声波。利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用实用的4位共阳LED数码管，段码AF接单片机的P0.0P0.6，位码用PNP三极管9012驱动。2.2 系统整体方案的论证超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。本设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。本设计采用40kHZ频率的超声波。3 系统的硬件结构设计3.1 51系列单片机的功能特点及测距原理5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256b的RAM，2个16b的定时和计数器TO和T1，4个8 b的IO端：P0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如下图所示1。图3-1 AT89C51引脚图单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离Svt2，式中的v为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射和接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速v与温度有关2。3.2 超声波发射电路 超声波发射电路原理图，如图3-2所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间3。图3-2 超声波发射电路原理图压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志4。3.3 超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图3-3所示。用CX20106A接收超声波，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。图3-3 超声波检测接收电路3.4 超声波测距显示电路硬件电路的设计主要包括三端稳压电源电路，单片机及其辅助电路、超声波发射和超声波检测接收电路，显示电路四部分组成。单片机采用AT89C51,系统采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声模块所需的启动信号，利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管9012驱动5。单片机系统及显示电路如下图：图3-4 显示电路4 系统软件的设计4.1 系统程序流程图 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如下图所示6。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成超声波发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作7。单片机初始化 定时中断子程序 有 回 波 外部中断子程序 N Y 开 始 结 束 图4-1 主程序流程图定时器初始化 发射超声波 发射完否 停止发射 N Y 定时中断入口 返 回 图4-2 定时中断服务子程序关外部中断 读取时间值 输出结果 计算距离 开外部中断 外部中断入口 返 回 图4-3 外部中断服务子程序主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号6。由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每计一个数就是1s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（1）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20时的声速为344 m/s则有：d=(c×t)/2=172T0/10000cm（1）其中，T0为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程8。 4.2 系统的软件主程序START: MOV SP,#4FH MOV R0,#40H ;4043H为显示数据存放单元（40为最高位） MOV R7,#0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ;T1为8位自动重装模式，T0为16位定时器 MOV TH0, #00H ;65ms初值 MOV TL0, #00H MOV TH1, #0F2H ; 40kHz初值 MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超声波脉冲个数控制（为赋值的一半） SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ;开启测距定时器start1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信号时标志位为1 CLR EA LCALL WORK ;计算距离子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新开启测距定时器 MOV R2, #64H ;测量间隔控制（约4*100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP Start1  4.3 超声波接受中断程序;T0中断，65ms中断一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;启动计时器T0，用以计算超声波来回时间 SETB TR1 ;开启发超声波用定时器T1OUT: RETI ;T1中断，发超声波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 ;超声波发送完毕，关T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;开启接收回波中断RETIOUT: RETI ;外中断0，收到回波时进入PINT0: CLR TR0 ;关计数器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H,TL0 ;将计数值移入处理单元 MOV 45H,TH0 SETB 00H ;接收成功标志 RETI4.4 系统的软件的调试超声波测距仪的制作和调试都比较复杂，其中超声波发射和接收采用15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力9。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为17cm650cm，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求10。5 总结本设计利用超声波测距的原理，即利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。本设计采用反射波方式。本设计硬件电路主要包括三端稳压电源电路、单片机及其辅助电路、超声波发射和超声波检测接收电路、显示电路四部分组成。单片机AT89C51采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管9012驱动。超声波发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。超声波测距的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。增加电源稳压模块的目的是为了得到系统所需的+5V稳定电压，只要给系统提供+7V+28V的直流电源，系统都能够正常工作，这样设计就使得该系统能够在更多的供电环境下使用；超声波是一种声波，其传播速度受环境温度的影响，因此本设计了温度检测模块，虽然对于短距离的测量来说，温度产生的误差是微乎其微的，但这样设计可以体现出对精度的追求，以及对误差分析的理念；增加RS232通信功能的目的是为了便于扩展，增加了系统的灵活性；另外，系统还预设了四个按键S1-S4，它们暂时保留未用，但是可以对它进行扩展，使它们具有不同的功能，与此对应的还有蜂鸣器报警电路，当测距范围处于测量盲区时进行报警提示。在焊接及调制方面，超声波测距仪元件较多，而且电路较为复杂，所以对焊接要求较高。调试则更加复杂，因为超声波的发射和接收过程中有很多干扰因素。可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。参考文献1 肖看单片机原理、接口及应用M北京：清华大学出版社，2005年：1213页2 沈红卫基于单片机的智能系统设计与实现M北京：电子工业出版社，2005年：125页3 刘海成单片机及应用系统设计原理与实践M北京：北京航空航天大学出版社，2009年：192页4 张志良单片机原理与控制技术M北京：机械工业出版社，2005年：124245页5 郭速学图解单片机功能与应用M北京：中国电力出版社，2008年：36210页6 楼然苗单片机课程设计指导M北京：北京航空航天大学出版社，2007年：5086页7 张义和说例8051M北京：人民邮电出版社，2006年：1256页8 吴金戌8051单片机实践与应用M北京：清华大学出版社，2002年：110129页9 许泳龙单片机原理及应用M北京：机械工业出版社，2005年：226312页10 吴国经单片机应用技术M北京：中国电力出版社，2004年：52156页附录一 程序清单;*;*超声波测距器 *;*采用AT89C52 12MHz晶振 *;*采用共阳LED显示器 *;*;测距范围10cm-5.5m，堆栈在4FH以上，20H用于标志;显示缓冲单元在40H43H,使用内存44H、45H、46H用于计算距离; VOUT EQU P1.0 ;脉冲输出端口;*;*中断入口程序 *;*;ORG 0000H LJMP STARTORG 0003H LJMP PINT0ORG 000BH LJMP INTT0ORG 0013H RETIORG 001BH LJMP INTT1ORG 0023H RETIORG 002BH RETI;*;* 主程序 *;*;START: MOV SP,#4FH MOV R0,#40H ;4043H为显示数据存放单元（40为最高位） MOV R7,#0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ;T1为8位自动重装模式，T0为16位定时器 MOV TH0, #00H ;65ms初值 MOV TL0, #00H MOV TH1, #0F2H ; 40kHz初值 MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超声波脉冲个数控制（为赋值的一半） SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ;开启测距定时器START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信号时标志位为1 CLR EA LCALL WORK ;计算距离子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新开启测距定时器 MOV R2, #64H ;测量间隔控制（约4*100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP Start1;*;* 中断程序 *;*;T0中断，65ms中断一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;启动计时器T0，用以计算超声波来回时间 SETB TR1 ;开启发超声波用定时器T1OUT: RETI ;T1中断，发超声波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 ;超声波发送完毕，关T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;开启接收回波中断RETIOUT: RETI ;外中断0，收到回波时进入PINT0: CLR TR0 ;关计数器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H,TL0 ;将计数值移入处理单元 MOV 45H,TH0 SETB 00H ;接收成功标志 RETI;*;* 显示程序 *;*;40H为最高位，43H为最低位，先扫描高位DISPLAY: MOV R1,#40H MOV R5,#0F7HPLAY: MOV A,R5 MOV P0,#0FFH MOV P2,A MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DL1MS INCR1 MOVA,R5 JNBACC.0,ENDOUT RRA MOVR5,A AJMPPLAYENDOUT: MOVP2,#0FFH MOVP0,#0FFH RET;TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH;共阳数码管 0, 1, 2,3,4,5,6,7,8,9,不亮，A, ;*;* 延时程序 *;*;DL1MS: MOV R6,#14HDL1: MOV R7,#19HDL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET;*;* 距离计算程序(=计算值×17/1000cm) 近似 *;*;WORK: 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 DIV4BY2 MOV 40H, R4 MOV A, 40H JNZ JJ0 MOV 40H,#0AH ;最高位为0，不点亮JJ0: MOV A,R0 MOV R4,A MOV A,R1 MOV R5,A MOV R3,#00D MOV R2,#100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H,R4 MOV A,41H JNZ JJ1 MOV A,40H ;次高位为0，先看最高位是否为不亮 SUBB A,#0AH JNZ JJ1 MOV 41H,#0AH ;最高位不亮，次高位也不亮JJ1: MOV A,R0 MOV R4,A MOV A,R1 MOV R5,A MOV R3,#00D MOV R2,#10D