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1、 题 目 超声波传感器 摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远等优点，因而，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是应用最普遍的一种，并且在测量精度方面也能达到自动化的使用要求，它广泛应用于倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。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。此次设计采用反射波方式。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超
2、声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12M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74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测
3、距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求关键词 超声波 Ultrasonic 单片机AT89S51 MCU AT89S51 测距Ranging 目 录一 、设计目的5二、设计任务与要求52.1设计任务52.2设计要求5三、设计步骤及原理分析53.1设计方法53.2设计步骤63.3设计原理分析13四、课程设计小结与体会14五、参考文献15一、 设计目的学习超声波传感器的知识，以及超声波传感器的原理，学会设计传感器。二、设计任务与要求2.1设计任务1.设计硬件2.设计软件2.2设计要求超声波
4、传感器能正常运行二、 设计步骤及原理分析 3.1 设计方法 设计方案按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定；发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送；接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。超声波接收模块超声波发射模块单片机控制系统（AT89S51）显示模块键盘模块供电单元图3-1 系统设计框图硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。采用AT89S51单片机系统晶振采
5、用12M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P2.7口输出超声波换能器所需的40K方波信号,P3.5口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的3位共阳LED数码管, ,段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。3.2设计步骤3.2.1 关于AT89S51单片机AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统
6、及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。5l系列单片机中典型芯片采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时计数器TO和T1，4个8 b的工O端I：IP0，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
7、。该系列单片机引脚与封装如图3-2所示。图3-2 51系列单片机封装图5l系列单片机提供以下功能：4kB存储器；256BRAM；32条工O线；2个16b定时计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。3.2 .2超声波测距单片机系统超声波测距单片机系统主要由：AT89S51单片机、晶振、复位电
8、路、电源滤波部份构成。由K1，K2组成测距系统的按键电路。用于设定超声波测距报警值。如图3-3。图3-3 超声波测距单片机系统3.2.3 超声波发射和接收电路超声波发射如图3-4，接收电路如图3-5。超声波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由BG1、BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。40kHz的方波由AT89S51单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲
9、变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。图3-4 超声波测距发送单元该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51的P2.7发出。方波的周期为1/40ms，即25s，半周期为12.5s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1s，所以只能产生半周期为12s或13s的方波信号，频
10、率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。图3-5 超声波测距接收单元由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3-5所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是I N 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。3.2.4 显示电路本系统采用三位一体L E D 数码管显示所测距离值，如图3-6。数码管采用
11、动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。图3-6 显示单元图3.2.5 供电电路本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为30-45mA，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏，同时为调试系统方便，供电方式考虑了第二种方式，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。6伏交流是经过整流二极管D1-D4整流成脉动直流后，经虑波电容C1虑波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由5伏的三端称压集成电路进行稳压后输出5伏
12、的真流电供整个系统用电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。图3-7 供电单元电路图3.2.6 报警输出电路为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。方式一：报警信号由单片机P3.1端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻R6、三极管BG9、继电器JDQ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。方式二：报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴.”报警声响信号，测量值高于设
13、定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图3-8。图3-8 报警输出电路 3.2.1 软件设计方法超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。3.2.2主程序设计主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。置位总中断允许位EA。进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位ec=1时，
14、测量一次，程序设计中，超声波测距频度是4-5次/秒。测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生4个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5 -2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.5脚的电平判断程序。当检测到P3.5脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。由于采用单片机采用的是12M的晶振，计时器每计一个数就是1s，当超声波测距子
15、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（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。设计时取15时的声速为340 m/s则有：d=(ct)/2=172T0/10000cm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。3.2.3超声波测距程序流程图 YYN=N0=0=1开始初始化测量标志启动定时器超声波测距距离上限值距离盲区值=显示值= C C C显示值= - - -测量段码转换显示设定段码转换距离报警值=报警输出=N3.2.4 超声波测距程子序流程图Y标志=1?发送超声波延时
16、避开盲区收到回波否？预设时间？启动计时器T0停止计时计算测量值超声波测距结束NNYYN 调试与性能分析3.3设计原理分析3.3.1超声波传感器1超声波发生器超声波发生器可以分为两大类: 一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等; 机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器，这里我们也是选择的压电式。2压电式超声波发生器原理超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。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时，压电晶片将会发
17、生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。3单片机超声波测距系统构成单片机AT89S51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、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
18、决定最小可测距离。开始测量超声波信号开定时器关定时器数据运算显示器接收检测电声换能器电声换能器驱动电路图2-1 超声波测距过程框图四、课程设计小结与体会短短的一周的设计就这样结束了，在整个设计过程当中，经历了挫折和失败，但最终获得成功。一直在不懈的努力，到最后收获真的很大，在深刻地认识到自己在学习上的薄弱环节的同时，通过查阅资料和在老师的帮助下以及理论分析与实践的反复进行和论证后许多问题都基本能迎刃而解，最终基本达到设计目的。通过这次的课程设计解决了如何进行超声波测量距离，以及如何进行设计。在设计过程中巩固和加深在传感器技术课程中所学的理论知识和实验技能。初步了解了虚拟仪器的基本原理以及使用方法，对它的认识有了进一步的加深。在理论联系实际的过程中提高了对传感器的设计和创新实践能力。参考文献1赵建领 薛园园 51单片机开发与应用技术详解 北京:电子工业出版社,20092 沈红卫. 基于单片机智能系统设计与实现. 北京:电子工业出版社,20053 杨国田 白 焰 董 玲 51单片机实用C语言程序设计 中国电力出版社 20094 李群芳,黄建. 单片机微型计算机与接口技术. 北京:电子工业出版社,20015 楼然苗、李光飞. 51系列单片机设计实例. 北京:北京航空航天大学出版社,20036 王守中 51单片机开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2009