超聲波測距儀的設計 [文檔在線提供]

題 目： 超聲波測距儀的設計 系 （部）：計算機與電子系 專 業(yè) 班：電子科學與技術 姓 名：* * * 學 號：20031185380 指導教師：* * * 2007 年 4 月 20 日 畢業(yè)設計（論文）開題報告 姓名 * 專業(yè)班 電子科學與技術 0304 班 系別 計算機與電子系 指導教師 * 同組姓名 無 課題名稱 超聲波測距儀的設計 設計的目的與意義 設計的目的 隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前 技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在 蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產(chǎn)業(yè)領域。展望未來，超聲波測距儀作為一種 新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定 位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為： 研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要； 繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識 別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大 力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀 將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距 儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到 具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。 設計的意義 隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設加快，城市給排水系 統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可 預見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設。因此，經(jīng)常 出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設好的建筑設施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了 困擾，因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非 常重要。而設計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器人在箱 涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核 心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設計好的超聲波測距儀就顯得非常重要 了。這就是我設計超聲波測距儀的意義。 設計任務與要求 設計一超聲波測距儀，任務： （1） 了解超聲波測距原理。 （2） 根據(jù)超聲波測距原理，設計超聲波測距器的硬件結構電路。 設計一超聲波測距儀，要求： （1） 設計出超聲波測距儀的硬件結構電路。 （2） 對設計的電路進行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收， 從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 （3） 對設計的電路進行分析。 （4） 以數(shù)字的形式顯示測量距離。 設計思路 （1） 超聲波測距原理 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 在空氣中傳播，在到達被測物體時被 反射返回，由接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測物體的 距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關，下表列出了幾種不同 溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。 如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?超聲波波速與溫度的關系表 溫度（） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 聲速（ms） 313 319 325 323 338 344 349 386 (2) 超聲波測距儀原理框圖如下圖所示 單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器 將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片 機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯 示。 超聲波發(fā)射器 放大電路超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時器 單片機 控制 顯示器 設計的進程安排 第一階段：（1216 周） 審題，查閱相關資料完成開題報告 第二階段：（1722 周） 依據(jù)相關的資料進行畢業(yè)設計 第三階段：（1 3 周） 寫畢業(yè)設計報告 第四階段：（4 5 周） 論文格式審查 第五階段：（6 7 周） 論文答辯 指導教師 （簽字） 同組設計 者（簽字） 教研室主任 （簽字） 二 年 月 日 超聲波測距儀的設計 The design of a Silent Wave Measure Distance I 摘 要 隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設加快，城市給排水系 統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可預 見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設。因此，經(jīng)常出現(xiàn) 開挖已經(jīng)建設好的建筑設施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾， 因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。 而設計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器人在箱涵中自由排 污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設計研制的核心部分。控制系統(tǒng)核心部分就是超 聲波測距儀的研制。因此，設計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。 本設計采用以 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計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預 置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單 片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統(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。相關部分附有硬件電路圖、程序 流程圖。 經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好，經(jīng)過系 統(tǒng)擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置 監(jiān)控。 關鍵詞：AT89c51; 超聲波；測距 II Abstract With the development of science and technology, the improvement of peoples standard of living, speeding up the development and construction of the city. urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However, due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction. Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to peoples lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. At the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision. Key words:AT89S52; Silent Wave；Measure Distance III 目 錄 摘 要 I Abstract II 緒 論 1 I.1 課題設計的目的及其意 義1 I.2 超聲波測距儀的設計思 路1 I.3 課題設計的任務和要 求 2 1 課題的方案設計與論 證 3 1.1 系統(tǒng)整體方案的設 計 3 1.2 系統(tǒng)整體方案的論 證 3 2 系統(tǒng)的硬件結構設 計 IV 4 2.1 單片機的功能特點及測距原 理4 2.2 超聲波發(fā)射電 路 6 2.3 超聲波檢測接收電 路 7 2.4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設 計7 3 系統(tǒng)軟件的設 計 9 3.1 超聲波測距儀的算法設 計9 3.2 主程序流程 圖 10 3.3 超聲波發(fā)生子程序與超聲波接受中斷程 序11 3.4 系統(tǒng)的軟硬件的調 試 12 總 結 13 致 V 謝 15 參考文 獻 16 附 錄 一 超聲波測距電路原理 圖 18 附 錄 二 超聲波測距電路版 圖 19 附 錄 三 程序清 單 20 1 緒 論 .1 課題設計目的及意義 .1.1 設計的目的 隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目 前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在 蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產(chǎn)業(yè)領域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新 型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高 精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具 有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā) 展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；研制 更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇 自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智 能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術進步， 測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新 的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。 .1.2 設計的意義 隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設加快，城市給排水系統(tǒng) 也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可預見 因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開 挖已經(jīng)建設好的建筑設施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因 此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而 設計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器人在箱涵中自由排污 疏通，是箱涵排污疏通機器人的設計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲 波測距儀的研制。因此，設計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設計 超聲波測距儀的意義。 .2 超聲波測距儀的設計思路 .2.1 超聲波測距原理1，2 2 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返 回，由接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測物體的距離。由 于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關，下表列出了幾種不同溫度下的聲 速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度 要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?表 1-1 超聲波波速與溫度的關系表 溫度（） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 聲速 （ms） 313 319 325 323 338 344 349 386 .2.2 超聲波測距儀原理框圖如下圖 單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將 接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中 斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。 超聲波發(fā)射器 放大電路超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時器 單片機 控制 顯示器 圖 1-1 超聲波測距儀原理框圖 .3 課題設計的任務和要求 設計一超聲波測距儀，任務： (1).了解超聲波測距原理。 (2).根據(jù)超聲波測距原理，設計超聲波測距器的硬件結構電路。 設計一超聲波測距儀，要求： (1).設計出超聲波測距儀的硬件結構電路。 (2).對設計的電路進行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而 實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 (3).對設計的電路進行分析。 3 (4).以數(shù)字的形式顯示測量距離。 4 1 課程的方案設計與論證 1.1 系統(tǒng)整體方案的設計 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲 波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單， 并且在測量精度方面也能達到農業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械 方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和 氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途 也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設計要求 并綜合各方面因素，本文采用 AT89C51 單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。 1.2 系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計 算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另 一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反 射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓 電效應的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當?shù)?衰減，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應 選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。 5 2 系統(tǒng)的硬件結構設計 硬件電路的設計主要包括單片機系統(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。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度 的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 P1.0 端口輸出超聲波換 能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信 號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅動，位碼 用 PNP 三極管 8550 驅動。 2.1 51 系列單片機的功能特點及測距原理36 2.1.1 51 系列單片機的功能特點 5l 系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式， 內部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 個 16b 的定時計數(shù)器 TO 和 T1，4 個 8 b 的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列 單片機片內的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)，使其在實際中有著十分 廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單 片機引腳與封裝如圖 2-1 所示。 6 5l 系列單片機提供以下功能：4 kB 存儲器；256 BRAM；32 條工O 線；2 個 16b 定 時計數(shù)器；5 個 2 級中斷源；1 個全雙向的串行口以及時鐘電路。 空閑方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式：保存 RAM 的內容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬 件復位。 5l 系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內 資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。 2.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理 單片機發(fā)出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 tr，然后求出距離 SCt2，式中的 C 為 超聲波波速。 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反 射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接 接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可 7 采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設計方法。由于超聲波屬 于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關。 2.2 超聲波發(fā)射電路7 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 2-2 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲 波發(fā)射換能器 T 構成，單片機 P1.0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向 器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另 一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波 的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波 換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩 個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有 振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一 個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將 壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。 超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 圖 2-2 超聲波發(fā)射電路原理圖 8 2.3 超聲波檢測接收電路8，9 集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙 控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為 接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖2-3)。實驗證明用CX20106A接收 超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改 電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 圖2-3 超聲波檢測接收電路 2.4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計 本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時 間的計時，單片機選用 AT89C51，經(jīng)濟易用，且片內有 4K 的 ROM，便于編程。 電路原理圖如圖 2-4 所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側和右側測距電 路與前方測距電路相同，故省略之。 9 12538764*LMC0KXTAP.OVGNDR?espFul七E 圖 2-4 超聲波測距電路原理圖 10 3 系統(tǒng)軟件的設計 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷 程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言 程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既 有較復雜的計算（計算距離時） ，又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時） ， 所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 3.1 超聲波測距儀的算法設計 10 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個 超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出 從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物 體的距離。距離的計算公式為： d=s/2=(ct)/2 （1） 其中，d 為被測物與測距儀的距離，s 為聲波的來回的路程， c 為聲速，t 為聲波來 回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器 的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時， 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片 機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。其部分 源程序如下： RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關外部中斷 0 ? MOV R7, TH0 ；讀取時間值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH；計算時間差 11 MOV 31H, A ；存儲結果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A? SETB EX0 ；開外部中斷 0 POP ACC? POP PSW RETI 3.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，如圖 3-1（a）（b ） (c) 所示。主 程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務子程序主要 完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 12 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器 模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。然后調用超聲波發(fā)生子程 序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波 觸發(fā)，需要延時約 0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因） 后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計數(shù) 器每計一個數(shù)就是 1s，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 T0 中的 數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的 距離，設計時取 20時的聲速為 344 m/s 則有： d=(ct)/2=172T0/10000cm (2) 其中，T0 為計數(shù)器 T0 的計算值。 測出距離后結果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 0.5s，然后再發(fā)超聲 波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用 C 語 言編寫。 3.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.0 端口發(fā)送 2 個左右超聲波脈沖信號（頻 率約 40kHz 的方波） ，脈沖寬度為 12s 左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進行計時。超 聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲 波信號（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計 時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當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 關閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口，中斷優(yōu)先 級最高，左、右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口，同時 單片機 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷 優(yōu)先級為先右后左。部分源程序如下： receive1：push psw push acc clr ex1 ；關外部中斷 1 13 jnb p1.1, right ；P1.1 引腳為 0,轉至右測距電路中斷服務程序 jnb p1.2, left ；P1.2 引腳為 0,轉至左測距電路中斷服務程序 return：SETB EX1；開外部中斷 1 pop? acc pop? psw reti right： .? ；右測距電路中斷服務程序入口 ? ajmp? return left：. ；左測距電路中斷服務程序入口 ? ajmp? return 3.4 系統(tǒng)的軟硬件的調試11 超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用 15 的超 聲波換能器 TCT40-10F1（T 發(fā)射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心頻率為 40kHz， 安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm，其余元件無特殊要求。若能 將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不 同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏 度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根 據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間， 以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為 0.075.5m，測距儀最大誤差不超過 1cm。系統(tǒng)調試完后應對測量誤差和重復一致 性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。 軟件的調試程序見附錄一 14 總 結 由于時間和其它客觀上的原因，此次設計沒有做出實物。但是對設計有一個很 好的理論基礎。設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的 發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量 距離。 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算 出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一 端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射 波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(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。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 P1.0 端口輸出 超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出 的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅動， 位碼用 PNP 三極管 8550 驅動。 超聲波發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構成，單片機 P1.0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電 極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方 波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向 器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸 出高電平的驅動能力，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 蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部 有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的 固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就 是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時， 將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。 超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接 15 收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。 實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強 的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷 程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言 程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既 有較復雜的計算（計算距離時） ，又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時） ， 所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主程序利用外中 斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ， 立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標 志字賦值 1。如果當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 關閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測 距電路的輸出端接單片機 INT0 端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通 過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口，同時單片機 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的輸 入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。 超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號， 當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要 計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與 反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器 的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時， 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片 機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。 在元件及調制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很 多，所以調試應該不會太難。一般只要電路焊接無誤，稍加調試應該會正常工作。 電路中除集成電路外，對各電子元件也無特別要求。根據(jù)測量范圍要求不 同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度 和抗干擾能力。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。 16 致 謝 首先，我要感謝我的導師*老師在畢業(yè)設計中對我給予的悉心指導和嚴格要 求，同時也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設計期間所給予我得幫助。在我畢業(yè)論文寫 作期間，各位老師給我提供了種種專業(yè)知識上的指導和日常生活上的關懷，沒有您 們這樣的幫助和關懷，我不會這么順利的完成畢業(yè)設計，借此機會，向您們表示由 衷的感激。同時還要感謝系實驗室在畢業(yè)設計期間提供給我們優(yōu)越的實驗條件。 接著，我要感謝和我一起做畢業(yè)設計的同學。在畢業(yè)設計的短短 3 個月里，你 們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠的謝 謝你們。同時，我還要感謝我的寢室同學和身邊的朋友，正是在這樣一個團結友愛， 相互促進的環(huán)境中，在和他們的相互幫助和啟發(fā)中，才有我今天的小小收獲。 最后我要深深地感謝我的家人，正是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人，在生活和 學習上給予我無盡的愛、理解和支持，才使我時刻充滿信心和勇氣，克服成長路上 的種種困難，順利的完成大學學習。 還有許許多多給予我學業(yè)上鼓勵和幫助的朋友，在此無法一一列舉，在此也一 并表示忠心地感謝！ 17 18 參考文獻 1 胡萍.超聲波測距儀的研制.計算機與現(xiàn)代化，2003.10 2 時德剛，劉嘩.超聲波測距的研究.計算機測量與控制，2002.10 3 華兵.MCS-51 單片機原理應用.武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .5 4 李華.MCU-51 系列單片機實用接口技術.北京：北京航空航天大學出版社， 1993. 6 5 陳光東.單片機微型計算機原理與接口技術(第二版).武漢：華中理工大學出版 社，1999.4 6 徐淑華，程退安，姚萬生.單片機微型機原理及應用.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學 出版社，1999. 6. 7 蘇長贊.紅外線與超聲波遙控.北京：人民郵電出版社，1993.7 8 張謙琳.超聲波檢測原理和方法.北京：中國科技大學出版社，1993.10 9 九州.放大電路實用設計手冊.沈陽：遼寧科學技術出版社，2002.5 10 樊昌元，丁義元. 高精度測距雷達研究.電子測量與儀器學報，2000.10 11 蘇偉，鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術，2004. 12 永學等.1-Wire 總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 及應用.電子產(chǎn)品世界，2003.12 13 勝全.D18B20 數(shù)字溫度計在微機溫度采集系統(tǒng)中的序編制. 南京：南京大學出 版社 1998. 3 14 恒清，張靖.加強單片機系統(tǒng)抗干擾能力的方法.通化師范學院學報，2004 .10 15 晗曉，袁慧梅.單片機系統(tǒng)的印制板設計與抗干擾技術.電子工藝技術，2004 .6 16 豐，薛紅宣.采用軟件抗干擾設計提高微機系統(tǒng)的可靠性.電子產(chǎn)品世界， 2004.1 17 占操，梁厚琴，曹燕.單片機系統(tǒng)中的軟件抗干擾技術.電子技術，2003.3 18 華兵.MCS-51 單片機原理應用.武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .5 19 繼興，劉霞.單片機系統(tǒng)軟件抗干擾措施分析.電子測量技術，2003 19 20 田華等.可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B2 的原理與應用.電子質量， 2004.7 21 Tom R. 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Instrumentation/顯 示標識 UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09 段碼 UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1; BIT CL; VOID CSBCJ(); VOID DELAY(J); /延時函數(shù) VOID SCANLED(); /顯示函數(shù) VOID TIMETOBUFFER(); /顯示轉換函數(shù) VOID KEYSCAN(); VOID K1CL(); VOID K2CL(); VOID K3CL(); VOID K4CL(); VOID OFFMSD(); VOID MAIN() /主函數(shù) EA=1; /開中斷 24 TMOD=0X11; /設定時器 0 為計數(shù)，設定時器 1 定時 ET0=1; /定時器 0 中斷允許 ET1=1; /定時器 1 中斷允許 TH0=0X00; TL0=0X00; TH1=0X9E; TL1=0X57; CSBDS=0; CSBINT=1; CSBOUT=1; CL=0; PTO=0XFF; JPJS=0; SJ1=45; SJ2=200; SJ3=400; K4CL(); TR1=1; WHILE(1) KEYSCAN(); IF(JPJSSJ3) BUFFER2=0X76; BUFFER1=0X76; 25 BUFFER0=0X76; ELSE IF(SSJ1) BUFFER2=0X40; BUFFER1=0X40; BUFFER0=0X40; ELSE TIMETOBUFFER(); ELSE TIMETOBUFFER(); /將值轉換成 LED 段碼 OFFMSD(); SCANLED(); /顯示函數(shù) IF(SSJ2) BG=0; BG=1; VOID SCANLED() /顯示功能模塊 DIGIT=0X04; FOR( I=0; I=1; /循環(huán)右移 1 位 VOID TIMETOBUFFER() /轉換段碼功能模塊 XM0=S/100; XM1=(S-100*XM0)/10; XM2=S-100*XM0-10*XM1; BUFFER2=CONVERTXM2; BUFFER1=CONVERTXM1; BUFFER0=CONVERTXM0; VOID DELAY(I) WHILE(-I); VOID TIMER1INT (VOID) INTERRUPT 3 USING 2 TH1=0X9E; TL1=0X57; CSBDS+; IF(CSBDS=40) CSBDS=0; CL=1; 27 VOID CSBCJ() IF(CL=1) TR1=0; TH0=0X00; TL0=0X00; I=10; WHILE(I-) CSBOUT=!CSBOUT; TR0=1; I=MQS; /盲區(qū) WHILE(I-) I=0; WHILE(CSBINT) I+; IF(I=2450) /上限值 CSBINT=0; TR0=0; TH1=0X9E; 28 TL1=0X57; T=TH0; T=T*256+TL0; S=T*CSBC/2; TR1=1; CL=0; VOID KEYSCAN() /健盤處理函數(shù) XX=0; IF(K1!=1) / 判斷開關是否按下 DELAY(400); /延時去抖動 IF(K1!=1) / 判斷開關是否按下 WHILE(!K1) DELAY(30); XX+; IF(XX2000) JPJS+; IF(JPJS4) JPJS=0; XX=0; 29 SWITCH(JPJS) CASE 1: K1CL();BREAK; CASE 2: K2CL();BREAK; CASE 3: K3CL();BREAK; CASE 4: K4CL();BREAK; VOID K1CL() SJ1=SJ1+5; IF(SJ1100) SJ1=30; S=SJ1; VOID K2CL() SJ2=SJ2+5; IF(SJ2500) SJ2=40; S=SJ2; VOID K3CL() 30 SJ3=SJ3+10; IF(SJ3500) SJ3=100; S=SJ3; VOID K4CL() SX1=SJ1-1; SX1=SX1/CSBC; MQS=SX1/4.5; VOID OFFMSD() IF (BUFFER0 = 0X3F) BUFFER0 = 0X00;