基于单片机的超声测距系统的设计.docx

基于单片机的超声测距系统的设计.docx

《基于单片机的超声测距系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的超声测距系统的设计.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的超声测距系统的设计

摘　　要

随着科技的发展，人们生活水平的提高，各种各样的水力工程纷纷开工上马。

而我国的水力资源又比较丰富，更多的城市周边开始兴建各种水库，用于城市居民的生活用水，工业设施用水和农业水力灌溉。

在各种大小水库中，都有用于监测库容水面的仪器，各种测量方式中，以超声波测距方法最为便捷，它有实时，精确，可全天候工作的优点。

而水位监控又是水力设施的重要组成部分，因此，设计好的、精确的超声波测距仪就显得非常重要。

而这正是本设计的主要意义和应用领域。

本设计采用以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。

在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。

关键词：

AT89S52；超声波；测距

Abstract

Withthedevelopmentoftechnologytoimprovepeople'slivingstandards,avarietyofwaterprojectshastobelaunchedoneafteranother.Thenourcountryhasrichhydropowerresources,andaroundthecitybegantobeingconstructionofvariousreservoirs,itsusedforurbanresidents,industrialfacilities,andagriculturalirrigation.Thevaretiesofreservoirs,areusedtomonitorthewaterstoragecapacityofinstruments,andthewaysofmeasuring,itisconvenienttoultrasonicrangingwhichtheadvantagesofit'shasreal-time,accurate,andworkingallday.Thelevelmonitoringofwaterisanimportantpartofhydraulicfacilities.therefore,designningagood,accurateultrasonicrangefinderisveryimportant.Whichisthemainsignificanceofthedesignningandapplications.

AtthecoreofthedesignusingAT89S52low-cost,highaccuracy,Microfiguresshowthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.

Theresearchhasledtothediscoverythatthesoftwareandhardwaredesigningisjustified,theanti-disturbancecompetenceispowerfulandthereal-timecapabilityissatisfactoryandbyextensionandupgrade,thissystemcanresolvetheproblemofthecaravailably,buildingconstructionthepositionoftheworkplaceandsomeindustriesspotsupervision.

KeyWords：

AT89S52;SilentWave;MeasureDistance

目　　录

引　　言

随着科技的发展，人们生活水平的提高，各种各样的水力工程纷纷开工上马。

而我国的水力资源又比较丰富，更多的城市周边开始兴建各种水库，用于城市居民的生活用水，工业设施用水和农业水力灌溉。

在各种大小水库中，都有用于监测库容水面的仪器，各种测量方式中，以超声波测距方法最为便捷，它有实时，精确，可全天候工作的优点。

而水位监控又是水力设施的重要组成部分，因此，设计好的、精确的超声波测距仪就显得非常重要。

而这正是本设计的主要意义和应用领域。

由于本超声波测距系统的设计是作为水库水位测距系统的一部分。

它能使水库水位测距变得更加方便快捷，测得的水位信号更加便于处理与传送，可以满足实时，无人和全天候的工作需求。

在自动化程度需求较高的今天，必将得到更加广阔的应用。

水库水位测距系统采用超声波测距原理。

超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理器三部分组成。

工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收遇到障碍物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到遇到障碍物反射返回的时间，根据超声波的传播速度，可以计算出障碍物距离。

作为一种非接触式的检测方式，即通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波。

系统具有结构简单、体积小、实时LCD显示和报警、抗干扰性能好等优点。

系统的误差主要来自于发射探头发出的超声波是呈喇叭状扩散传播、被测物的表面不光滑且不一定垂直于两探头的轴线而导致所反射回来的波也许是从不同点获得，此外电子元器件自身的时延、干扰等也造成一定影响。

可以根据具体场合，选择合适功率的探头，以及调整程序中脉冲的频率、宽度和个数等提高精度或测量距离，扩大系统的应用范围。

绪论

课题的提出

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。

展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，与普通测量技术相比超声波波测距方法具有明显突出的优点：

1.超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离；

2.超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（如玻璃、抛光体）；

3.超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；

4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。

因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。

随着科技的发展，人们生活水平的提高，各种各样的水力工程纷纷开工上马。

而我国的水力资源又比较丰富，更多的城市周边开始兴建各种水库，用于城市居民的生活用水，工业设施用水和农业水力灌溉。

在各种大小水库中，都有用于监测库容水面的仪器，各种测量方式中，以超声波测距方法最为便捷，它有实时，精确，可全天候工作的优点。

而水位监控又是水力设施的重要组成部分，因此，设计好的、精确的超声波测距仪就显得非常重要。

而这正是本设计的主要意义和应用领域。

超声波测距国内外研究现状

目前国际和国内上，在超声波测距方面的研究方向的不同和研究水平的高低，主要体现在对测距原理，超声信号处理方法和超声波测距处理器的选用上。

常见的超声波测距原理主要分为脉冲回波法和相位差法两种。

信号的处理方法大致分为：

阈值检验法，互相关时延估计法，伪随机码扩频测距法和最小均方法四种。

另外在处理器方面大多以单片机为主，其中以51系列应用最为广泛。

而采用运算速度更快，效率更高的dsp芯片作为处理器，也正成为一个非常活跃的研究方向。

目前已研制的超声波测距仪中，量程一般为3~12m，美国AIRMAR公司生产的airducerAR30超声波传感器的作用距离可达30m，但价格昂贵，准确度方面已控制在测量误差的0.4%左右，与真值的差距在厘米数量级的范围内。

如采用互相关或伪随机法，最高可控制在0.05m内。

在提高量程和精确度方面，超声波测距还有很大的发展潜力和上升空间。

本课题研究内容和意义

由于本超声波测距系统的设计是作为水库水位测距系统的一部分。

它能使水库水位测距变得更加方便快捷，测得的水位信号更加便于处理与传送，可以满足实时，无人和全天候的工作需求。

在自动化程度需求较高的今天，必将得到更加广阔的应用。

在越来越追求便捷和高效的今天，在我国各行各业出现了越来越多的自动化需求。

超声波测距系统代替了原始人工的低效测量，在水库水位监测领域得到了广泛的的应用。

而我国目前水力事业的发展越来越快，超声波测距系统以其便捷性和低投入性，必将会有非常广阔的市场前景和经济效益。

本章小结

本章具体论述了课题的选题内容和意义，以及选题的现阶段的国内外研究现状。

超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：

液位、井深、管道长度等场合。

因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。

对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。

超声波测距技术的综述

超声波及超声波传感器的简介

超声概述

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。

但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。

与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：

传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。

功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。

声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。

在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。

由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。

超声波传感器的简介

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。

谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。

超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。

所谓压电逆效应如图2.1所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。

若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。

由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。

若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。

图2.1压电逆效应

超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。

在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。

双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。

这两处的支点就成为振子振动的节点。

金属板的中心有圆锥形振子。

发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。

采用双晶振子的超声波传感器，若在发送器的双晶振子（谐振频率为40kHz）上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz频率的超声波。

超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。

超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。

若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。

超声波传感器的主要参数和选择

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2.1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2.1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

1600pF

1600pF

绝缘电阻

100MΩ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2.2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。

另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。

图2.2传感器的方向性

超声波测距的原理与系统论述

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

（2.1）

式（2.1）中的c为超声波在空气中传播的速度。

限制该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决定最小可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。

由于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表2.2列出了几种不同温度下的波速。

表2.2声速与温度的关系

温度（℃）

－30

－20

－10

0

10

20

30

100

声速（m/s）

313

319

325

323

338

344

349

386

波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。

单片机AT89S52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，检波电路对此信号锁定，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。

发射器发出的超声波以速度υ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，其往返时间为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，但在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

系统硬件框图如图2.3所示：

图2.3系统硬件框图

单片机芯片介绍

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89S52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

S52的引脚图如图2.4所示：

图2.452芯片引脚图

CX20106A的芯片介绍

集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。

CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30~60kHz。

故本次设计用它来做接收电路。

CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。

工作过程如下：

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。

当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S52的INT0引脚上，以触发中断。

若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R20，将滤波器的中心频率设置在40kHz，就可达到理想的效果。

芯片的引脚图如图2.5所示：

图2.5CX20106A芯片引脚图