超声波测距仪论文.doc

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1、论文题目：超声波测距仪的设计(软件) 专 业：自动化 本 科 生： （签名）_ 指导教师： （签名）_ 摘 要 超声波测距作为一种非接触性的光学测量方法，近年来得到了广泛应用。它具有测 量方便,不对被测物体产生损坏等优点。超声波明显特征是方向性好，穿透性强。尤其 是在光不透过的固体中，它碰到杂质或分界面就有显著的反射。因此，可以利用超声波 实现对距离的测量。距离是通过测量发射的超声波与接受到被测物体反射的回波之间的 时差来确定的。采用压电式超声波换能器。装置包括单片机系统、显示电路、超声波发 射电路和超声波检测接收电路四部分。系统的软件部分则包括主程序、定时子程序、显 示子程序和外部中断服务子

2、程序。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采 用 C 语言编写。完成了超声波测距仪的软硬件设计，实现了测量结果的显示，经系统调 试可看出，LED 数码管显示清晰稳定，测量结果稳定可靠，测距仪最大误差不超过 5cm。 关键词：超声波测距仪,单片机 Thesis: ultrasonic range finder (software) Specialty: Automation Undergraduate: (Signed) _ Instructor: (Signed) _ ABSTRACT Ultrasonic Ranging is a non-contact optical measur

3、ement method which has been widely applied in recent years. It has the advantages of measuring convenience, not be the object produce damage. Obvious features of the ultrasound is directional, penetrating. Especially in light opaque solid, it met the impurities or the interface will have a significa

4、nt reflection Therefore, we can use ultrasound to achieve the measurement of distance. The distance is got by measuring time difference that between emission ultrasonic and the echo of the measured object reflection received with piezoelectric ultrasonic transducer. The device includes a microcontro

5、ller system, display circuit, ultrasonic transmitter and ultrasonic detection receiver circuit. The software part of the system include the main program, timing subroutine display routines, and external interrupt service routine. The main program use C language for conducive to the program structure

6、 and easy to calculate the distance. I complete hardware and software design of the ultrasonic range finder, and achieve measured results display. According to system debugging, LED digital display clear and measuring results are stable and reliable and the range finder error is less than 5cm. KEY W

7、ORDS: ultrasonic range finder SCM 前 言 随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中，给我 们的生活带来了诸多方便。这一设计就是本着这个宗旨出发，利用超声波的特性来为我 们服务。 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在 20Hz-20kHz 范围内，超过 20kHZ 称为超声波。由于超声波频率较高，沿直线传播，绕射小，穿透力强，指向性强， 传输过程中衰减少，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，遇到杂质或分界面时会 产生反射波，因而超声波经常用于距离的测量。超声波有两个特点，一个是能量大，一 个是沿直线传播，它的应用就是按照这两

8、个特点展开的。利用超声波检测往往比较迅速、 方便、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,因此 在移动机器人,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。本设计采用超声波传感器工 作于发射和接收,利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔 计算出障碍物到超声波测距器之间的距离，并实时显示出来。 论文概述了超声波检测的发展及基本原理，对于系统的程序设计进行了讨论，并且 在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了软件系统的总体构成及其子程序设计。 目 录 1 绪绪 论论 1 1.1 课题设计的研究现状.1 1.2 课题设计的任务和要求.2 1.2.1 课题设

9、计的任务 2 1.2.2 课题设计的要求 2 1.3 选题的意义.3 1.4 研究内容及论文构成 3 2 超声波测距原理超声波测距原理 5 2.1 超声波简介.5 2.1.1 超声波的声学特性 5 2.1.2 超声波的发生原理 6 2.2 超声波传感器的原理与特性.7 2.2.1 原理 7 2.2.2 特性 9 2.3 超声波测距仪的测距原理.9 2.3.1 单片机最小系统 11 2.3.2 超声波发射电路 12 2.3.3 超声波接收电路 13 2.3.4 超声波测距仪显示电路 15 2.4 本章小结.15 3 超声波测距系统软件设计超声波测距系统软件设计 17 3.1 超声波设计概述 17

10、 3.2 主程序流程图.18 3.3 定时/计数器 T0/T1 定时程序流程图.20 3.3.1 方式控制寄存器-TMOD20 3.3.2 控制寄存器-TCON.21 3.3.3 定时器 T0 流程图21 3.3.4 定时器 T1 中断服务程序流程图22 3.4 外部中断服务程序流程图.23 3.5 显示程序流程图.23 3.6 计算程序流程图.24 4 电路调试及误差分析电路调试及误差分析 26 4.1 系统软件的调试.26 4.2 系统的软硬件串联调试.28 4.3 系统的误差分析.30 4.3.1 声速引起的误差 31 4.3.2 单片机时间分辨率的影响 31 4.3.3 随机误差 32

11、 4.4 提高测距精度的方法.32 4.5 本章小结.33 结结 论论 34 致致 谢谢 35 参考文献参考文献:.36 附录：附录： 37 1 1 绪 论 1.1 课题设计的研究现状 当我们的测距技术日渐趋于成熟，我们对测距的精度要求也日渐严苛，传统的测距 技术在某些场合已经不能够满足人们的需要，如在井道，水位，管道等的长度测量方面， 传统的测距方式已然不再适用。在现代社会中，我们既要要求测量的准确性，又要避免 人类在危险的环境下作业。为此我们需要一种可以精确测量的非接触式的测距方式，于 是超声波测距仪应用而生。由于超声波是一种非接触式的测量方式，它具有不被光、粉 尘或电磁波等外界因素干扰的

12、一系列优点，由于自身抗干扰性好、方向性强、反射性好 等优点越来越多地被人们作为一种测距识别手段1。它利用超声波测距传感器的发射探 头与接收探头工作时的时间差来计算出障碍物的距离，对被测目标无任何影响，再者超 声波传播速度也在一定范围内与其频率无关。这些独特的优点都使得超声波测距越来越 受到人们的重视，也从70年代末期开始在生产领域广泛应用。这也就是超声波常被用于 测距的原因，如测距仪或物们测量仪等等都是通过超声波来实现的。利用超声波检测距 离比较迅速、方便，计算也较简单，易于做到实时检测，并且在精度方面也能够达到工 业实用的要求，因此在工农业生产上也得到了广泛的应用。超声波测距传感器按其可实

13、现的检测距离可以分为大、中、小三种量程，小量程探测距离小于2m，工作频率 60kHz300kHz之间；中量程探测距离约为 2ml0m，工作频率在 40kHz60kHz 之间；大量程探测距离约为 20m50m，工作频率处在 16kHz30kHz之间。在我国 的相关技术与发达国家相比也较落后，因此对这种能准确、高效、实时测量距离的方式 的研究在我国尤其重要。 不论在国内还是在国外，超声波测距都占有着相当重要的地 位，而它的应用也已经越来越广泛，但在国内，它的发展尚处于初期阶段，利用超声波 测距技术还十分有限，在不久的未来，超声波测距仪也必将作为重要的测距手段而被社 会广泛需要。而随着计算机的迅速发

14、展，超声波测距仪将更加智能化，精确化。 2 1.2 课题设计的任务和要求 1.2.1 课题设计的任务 此次课题的研究方向是超声波测距仪的软件设计。软件主要工作流程是：单片机编 程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波 后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号， 响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然 后将数据输出 P0 口显示。 软件系统总体划分为：主程序模块，显示子程序模块，定时子程序模块，外部中断 子程序模块。 主程序完成数据初始化，参数设置，以及各功能模块的调用。 显示部分完成数

15、据在 LED 数码管的显示。 中断服务程序中，提供了定时、计数功能，并且调用相关处理程序。 故总体而言，此次选题的要求可概括为以下几点： (1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。 (2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现 利用超声波方法测量物体间的距离。 (3).以数字的形式显示测量距离。 (4).对设计的电路进行分析。 1.2.2 课题设计的要求 通过介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精 度能达到工业要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。 通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声 波

16、在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停 止计时。超声波在空气中的传播速度为 V，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发 射点距障碍物的距离。 本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。接 3 收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路 的同时启动单片机内部的定时器，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。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机 的外部中断源输入口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

17、,结果输出给 LED 显示。 利用本测距系统测量，范围应在 20cm200cm 内，其最大误差控制在 5cm。 1.3 选题的意义 超声波测距仪是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象着色、大小等的影响， 较其它测距仪，它更加而潮湿、高温、粉尘、腐蚀气体等恶劣环境，具有不污染、高可 靠、长寿命等优点，且易于维护2。超声波测距技术是一种原理简单、易于实现的非接 触测量技术，被广泛地应用于工业、医疗、军事及日常生活等诸多领域4。利用超声波 检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到 工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测 距系

18、统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向） ，因此超声波测距在移动 机器人的研究上得到了广泛的应用。而本次研究的就是以AT89C52单片机为核心实现测 距，有着非常重要的现实意义。首先，有利于培养学生的独立科研开发能力。其次，有 利于学生进一步理解所学的专业知识，将自身所学与实践相结合，实现自身能力的锻炼 与提高。第三，更重要是培养团队合作意识，通过与搭档的共同努力，基于对超声波测 距仪软硬件的了解，设计出一个简单，精度高，误差小的测距装置。此题是分为两人一 起来做的，目的在于使学生学会在团队中摆正自己的位置，根据自己的能力分担工作； 培养同组内的合作意识及学习别人的长处，既能当好主角

19、，也甘于当好配角，能脚踏实 地的做好本职工作。 1.4 研究内容及论文构成 本文设计的超声波测距仪是动态测距，能够连续地不间断地对障碍物进行实时的检 测。该装置是由超声波发射模块、接收模块、显示模块、及控制模块组成。由单片机进 行整体控制。当打开通电开关时，装置即开始测距，从发射传感器发射出的脉冲串会在 4 碰到障碍物后反射至接收传感器，经过一系列的处理或计算过程就会在显示模块显示出 来。 论文主要由以下四部分组成： 第1章为论文的绪论部分。包括选题意义、选题任务、选题要求和选题的研究背景 及其相关技术在国内外的研究现状。 第2章为系统的硬件部分的整体设计。主要是讲超声波的测距原理。包括对超声

20、波 的简介、超声波传感器的原理及特性及超声波测距仪的测距原理。 第3章为系统软件设计。首先是对系统软件进行整体的分析，阐述软件设计的整体 概念，然后再具体讨论程序的各个模块。包括了主程序、显示子程序、定时器子程序和 外部中断子程序。并画出各模块的程序流程图。 第4章为系统整体调试及误差分析。先对硬件组装及性能进行分析，再进行软件部 分的分析，最后是软硬件结合后的调试结果。本章的最后是对可能出现的误差进行分析 并提出改进意见。 5 2 超声波测距原理 2.1 超声波简介 声波是一种能在气体、固体、及液体中传播的机械波，由于振动频率的不同可分为： (1)次声波：振动频率低于 16Hz 的机械波。

21、(2)可闻波：振动频率在 1620kHz 之间，这个频率范围内的声波可以为人类的耳 朵所听到。 (3)超声波：振动频率高于 20kHz 的机械波。 描述声波的物理量有两点：（1）声压：介质中有声波传播时的压强与无声波传播 时的静压强介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压。随着介 质中各点声振动的周期性变化，声压也在作周期性变化，声压的单位是。)/( 2 mNPa (3)声强：声强又称为声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单 位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向就是能量传播的方向,声强的单位是 。 2 /mW 2.1.1 超声波的声学特性 描述声波的声学

22、特性的物理量有三点： （1）声速：声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质。除水以外， 大部分液体中的声速随温度的升高而减小，而水中的声速则随温度的升高而增加。流体 中的声速随压力的增加而增加。 其声速 C 也与温度有关，表 2-1 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。 表 2-1 声速与温度关系表5 温度（） 3020100-10-20-30 6 声速 （m/s） 349344338331325319313 （2）声阻抗特性: 声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介

23、 质的密度 与声速 c 之积，记作声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的cZ 变化,，取决于这两种介质的声阻抗特性。两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强 度愈大。例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比，接近于 1:80000，所以当声波垂直 入射在空气与金属的界面上时，几乎是百分之百地被反射。温度的变化对声阻抗特性值 有显著的影响，实际中应予以注意。 （3）声的吸收：传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一，固体介质的结 构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。例如：均匀介质对超声波的吸收并不显著， 而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。 2.1.2 超声波的发生原理 通常正常

24、人耳朵的听力的声波范围是 20Hz20kHz，超声波是指振动频率在 20kHz 以上的声波6。因为它的振动次数甚高，超出了人类的听觉上限，人们把这种听不见的 声波叫做超声波。超声波和可闻声在本质上其实是一致的，它们的共同点都是机械振动 波，是一种纵波，在弹性介质内传播。它们在本质上是一种能量的传播形式，其不同点 是超声波频率较可闻波频率高，波长也短，在一定范围内可沿直线传播，且具有良好的 束射性和方向性。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强， 为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。 有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方 法需

25、要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产 生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路7。总体上讲，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8。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。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作 7 的。超声波发生器它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率时，压电晶片将会发生共振，并

26、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器了。 2.2 超声波传感器的原理与特性 2.2.1 原理 用超声波作为检测手段，应能发射超声波和接收超声波。可将超声波与电量做转换 的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感 器有两种，即压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头)和磁致伸缩式超声波传感器。 （1） 压电式超声波传感器 压电式超声波传感器主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收 探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石

27、英，压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。 利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动产生超声波，以此作为超声波的发射 器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号时，以此作为超声波的接收器。 在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器也可合成为一体，由一个压 电元件作为“发射“和“接收“兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元件上，使 其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射 波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。 （2）磁滞式超声波传感器 磁滞式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是：把铁磁

28、材 料置于交变磁场中，产生机械振动,发射出超声波。其接收原理是：当超声波作用在磁致 材料上时，使磁滞材料振动,引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的 感应电势输出。 本项目所用的压电式超声波发生器。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来 工作的 。超声波换能器内部结构如图 2-1 所示，它有两个压电晶片和一个换能板。当 8 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

29、收换能器了9。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。 图 2-1 超声波发生器内部结构 超声波测距原理为：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时， 超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即 停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340，根据计时器记录的时间 t，就可以sm/ 计算出发射点距障碍物的距离()，即：S2/340tS 这就是所谓的时间差测距法也有称为渡越时间法 TOF（time of flight），见图 2-2。 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波 的双

30、重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用 型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为 一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率) 有 23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz 等10。谐振频率变高，则检测距离变短， 分解力也变高。 9 图 2-2 超声波测距示意图 2.2.2 特性 现以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表 2-2 示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为 40kHz，这是压电元件 的中心频率，实

31、际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使 用并联谐振频率。 表 2-2 超声波传感器 MA40S2R/S 的特性 种类特性MA40S2R 接收MA40S2S 发送 标称频率40kHz 灵敏度74dB 以上100dB 以上 带宽6kHz 以上(80dB)7kHz 以上(90dB) 电容1600pF1600pF 绝缘电阻100M 以上 温度特性20+60范围内灵敏度变化在 10dB 以内 超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展 频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏 移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件

32、非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。 MA40S2R/S 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此， 发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。 图 2-3 表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度， 因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。 2.3 超声波测距仪的测距原理 超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。其中，相 10 位检测法精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射介质的影响11。因此，当 前超声波测距一般使用渡越时间法。本系统的特点是采用 AT89C52 单片机作为控制器， 控制超声波的发射和对超

33、声波自发射至接收往返时间的计时，用动态扫描法实现测距的 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器产生，超声波测距系统组成框图见 图 2-4。 图 2-3 传感器的方向性 单 片 机 发射电路 接收电路 障 碍 物 发射头 接收头 图 2-4 超声波测距系统原理图 11 如图 2-5 所示，超声波测距系统是由控制电路、超声波接收电路、超声波发射电路、 显示电路及电源电路几部分组成的。超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电 压，电压为+5V 左右，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。下面将分 别介绍控制电路也即单片机最小系统、发射电路、接收电路、及显示电路。 图 2-5

34、超声波测距系统的构成 2.3.1 单片机最小系统 其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。单片机最小系统主要由 AT89C52 单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V 电源组成。在外部振荡电路中，单片机的 XTAL1 和 XTAL2 管脚分别接至由 12MH。晶振和两个 22pF 电容构成的振荡电路两侧， 为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机 RST 管脚一方面经 10F 的电容接 至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关 s 接电源。其主要功能是把 PC 初始 化为 0000H，是单片机从 0000H 单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由 于程序出错或者操作错误使

35、系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新 L L E E D D 显显 示示 电电 路路 电电源源电电路路 AT89C52AT89C52 系统控制电路系统控制电路 超声波发射电路超声波发射电路 超声波接收电路超声波接收电路 12 启动，因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。而且单片机最小系统也是本 次课题设计的控制中心，由它负责超声波的发出与接收，计算并处理测量结果，最后将 结果通过 P0 口显示出来。可以说它是整个设计的核心所在，好比大脑之于人类的重要 性。如图 2-6 即为单片机最小系统。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 R

36、ST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A1

37、0 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C52 R1 10k C1 10uF +5v +5v C2 22pF C3 22pF 图 2-6 单片机最小系统 2.3.2 超声波发射电路 超声波发射电路如图2-7所示，AT89C52通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为25s , 40kHz的20个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。 由于超声波的传播距离与它的振幅成正比，为了使测距范围足够远，可对振荡信号进行 功率放大后再加在超声波传感器上。 发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶

38、片振动，使之发出超声波， 并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。驱动超声发 射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够 大的脉冲即可。发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。本设计中采用的是由单片机发 13 出 40kHz 的方波，单片机 P1.0 输出的 40kHz 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。用这种推 挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两 个反向器并联，用以提高驱动能力。加上拉电阻一方面可以提高反向器 74HC04

39、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 ，缩短其自由振荡的时 间。该测距电路的 40kHz 方波由单片机编程产生，方波的周期为 1/40，即 25s，半ms 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。 图 2-7 发射部分电路图 2.3.3 超声波接收电路 超声波接收器接收反射的超声波转换为 40KHz 毫伏级的电压信号,需要经过放大、 处理、用于触发单片机中断 INT0。一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不 同信号大小变化较大，需要放大倍数大约为 100 到 5000 倍，另一方面传感器输出阻抗 较大，这就需要高输

40、入阻抗的多级放大电路，这就会引入两个问题：高输入阻抗容易接 收干扰信号，同时多级放大电路容易自激振荡。参考各种资料最后选用了 SONY 公司的 专用集成前置放大器 CX20106 达到了比较好的效果。 CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组 成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射 14 信号输出微弱电压时放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载。其 带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。功能可描述为：在接收到与滤波器 中心频率相符的信号时，其输出脚7脚输出低电平。芯片中的带通滤波器、积分器等使

41、得它抗干扰能力很强。如图2-8所示： 图2-8 内部结构框图 超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。超声波接收器包括超 声波接收探头、CX20106A 处理两部分，如图 2-9。超声波探头必须采用与发射探头对 应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。 由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，经过 CX20106A 处理后产生负跳变，引起单 片机的外部中断。 15 图 2-9 接收部分电路图 2.3.4 超声波测距仪显示电路 超声波测距系统的显示要求比较简单，测量结果采用十进制数字显示。只需能显示 0-9 的数字，且显示稳定无闪烁即可。因此显示

42、部分采用七段半导体数码管即 LED。根 据各管的极管接线形式，可分为共阴极型和共阳极型。在共阴极接法中，LED 数码管的 g-a 七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不发亮。而在共阳极接法中，刚 好与共阴极接法向反。LED 数码管具有亮度大，响应速度快等优点。LED 显示器有静 态显示和动态显示两种。本设计中采用动态显示方式，以实时显示距离变化。 电路图如图 2-10 所示。本设计采用单片机直接驱动 LED 的方法，从而简化了显示 电路。但是，在制作超声波测距系统的过程中，由单片机直接驱动 LED 显示，电流较 小，LED 虽然有显示但是比较暗，因此用了三极管来对电流进行放大可解决这个

43、问题。 图 2-10 显示电路图 P3.2 16 2.4 本章小结 本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用压电逆 效应的原理产生超声波的。 超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分、显示电路以及电源部分构成。超 声波的测距原理，它包括对单片机的最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路及显 示电路的介绍。 17 3 超声波测距系统软件设计 3.1 超声波设计概述 本系统采用模块化设计，由主程序、定时子程序、显示子程序及外部中断服务子程 序组成。超声波测距的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

44、 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 T12，就可算出超声波发生器与反射物体的 距离。距离的计算公式为： （3-1） 2/ )(2/tcsd 其中，为被测物与测距仪的距离， 为声波的来回的路程， 为声速， 为声波来回所dsct 用的时间。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 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。当系统进入超声波接收中断程序后， 该中断后就立即关闭

45、计时器 T0 停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。如果当计时器 溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距 成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功。测出的结果将以十进制 BCD 码方式送 LED 显示，然后再发超声波脉冲重复前面的测量过程。 系统资源分配表见表 3-1。 表 3-1 资源分配表 接口功能 P0,P2显示输出口 P1.0超声波输出端口 P3.2超声波接收中断入口 T1定时模式 2 T0计数模式 1 18 外部中断 0判断回波 3.2 主程序流程图 单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时， 接收到回波后

46、，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中 断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差， 计算距离，然后通过软件译码，将数据输出 P0 口显示。 主程序的流程图如图 3-1 所示： 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， T1 为定时器 T2 模式，开中断 IE，再设置超声波个数。再开 T0，调用显示程序。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 3-2 计算，即可得被测 物体与测

47、距仪之间的距离，设计时取 20时的声速为 340 m/s 则有： （3-2) 2/01702/ )(Ttcd 其中，为计数器 T0 的计算值。 0T 测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式送往 LED 显示，然后再发超声波脉冲重复 测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用 C 语言编写。 部分源程序如下： init_CTC( ); /* 初始化定时器 */ init_INT( ); /* 初始化外部中断 */ CLflag=1; /* 测量标志 */ cshu=0; /* 传数 */ delay(200); /*延时*/; IE=0x80; /* 开中断 */ ET1=1;

48、 ET0=1; TR1=0; TR0=0; TL1=T12us; TH1=T12us; 19 开始 系统初始化 T1 自动重装为 16 位定时器 设置超声波个数 计算距离 调用显示 标志位 CL flag 是否为 1？ 开 T0 P1.0 口发送超声波 Y N 返回 图3-1主程序流程图 20 3.3 定时/计数器 T0/T1 定时程序流程图 AT89C52 单片机内带有两个 16 位定时/计数器 T0 和 T1，它们均可作为定时器或计 数器使用。这两个定时/计数器可用于定时、延时、对外部事件计数、分频及事故记录 等。它由 6 个特殊功能寄存器组成。其中 TMOD 为定时/计数器方式控制寄存器

49、； TCON 为定时/计数器控制寄存器。 3.3.1 方式控制寄存器-TMOD 定时/计数器 T0、T1 都有四种工作方式，可通过程序对 TMOD 进行设置来选择， 其各位定义如下： TMOD.7TMOD.6TMOD.5TMOD.4TMOD.3TMOD.2TMOD.1TMOD.0 GATE TC / M1M0GATE TC / M1M0 GATE：门控位。当 GATE0，定时器只由 TR0 或 TR1 来控制启停。此时如果 位为 1，定时器启动开始工作；为 0，定时器停止工作；当 GATE1 时，定时器的 i TR 启动要由外部中断引脚和位共同控制。只有当外部中断引脚 INT0 或 INT1 为高时， i TR 置 1 才能启动定时器工作。 i TR ：定时或计数功能选择位。当O 时设置为定时器方式；当1 时设TC /TC /TC / 置为计数器方式。 M1、M0：定时/计数器工作方式选择位。定时/计数器有四种工作方式，