最简单的基于AT89C单片机超声波测距系统设计报告.docx
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最简单的基于AT89C单片机超声波测距系统设计报告
AT89C2051单片机超声波测距系统
设计题目：
AT89C2051单片机超声波测距系统
完成日期：
2013年4月10日
目录
一、设计任务和性能指标3
1.1设计任务3
1.2性能指标3
二、超声波测距原理概述4
2.1超声波传感器5
2.1.1超声波发生器5
2.1.2压电式超声波发生器原理5
2.1.3单片机超声波测距系统构成5
三、设计方案6
3.1AT89C2051单片机7
3.2超声波测距系统构成8
3.2.1超声波测距单片机系统8
3.2.2超声波发射、接收电路9
3.2.3显示电路10
3.2.4报警声响电路单元11
四.系统软件设计12
4.1主程序设计12
4.2超声波测距子程序12
4.3超声波测距程序流程图14
4.4超声波测距程子序流程图15
五.调试及性能分析15
5.1调试步骤15
5.2性能分析16
参考文献16
附录一：
基于AT89C2051单片机超声波测距系统电原理图17
附录二基于AT89C2051单片机超声波测距系统PCB图18
附录三基于AT89C2051单片机超声波测距系统焊接组装图19
附录四基于AT89C2051单片机超声波测距系统C语言原程序20
附录五附录:
元件清单26
一、设计任务和性能指标
1.1设计任务
利用单片机及外围接口电路（键盘接口和显示接口电路）设计制作一个超声波测距仪器，用LED数码管把测距仪距测出的距离显示出来。
要求用Protel画出系统的电路原理图，印刷电路板，绘出程序流程图，并给出源程序清单，元件清单，同时制作出实物。
1.2性能指标
距离显示：
用三位LED数码管进行显示（单位是CM）。
供电电压：
DC5V
测距范围：
25CM到350CM之间。
误差：
1%。
一路报警声响输出。
一路报警高低电平输出，报警时输出低电平。
二、超声波测距原理概述
超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
超声测距是一种非接触式的检测方式。
与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。
对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。
因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
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。
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。
相位检测法虽然精度高，但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。
本仪器采用超声波渡越时间检测法。
其原理为:
检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。
渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，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随温度变化，其对应值如表2-1，根据计时器记录的时间t（见图2-1），就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即:
s=vt/2。
表2-1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
图2-1超声波测距时序图
2.1超声波传感器
2.1.1超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
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。
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。
2.1.2压电式超声波发生器原理
压电型超声波传感器的工作原理：
它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2-2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2-2压电逆效应图
2.1.3单片机超声波测距系统构成
单片机AT89C2051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决定最小可测距离。
图2-3超声波测距系统框图
三、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AT89C2051单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。
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。
显示模块
单片机控制系统
（AT89C2051）
超声波接收模块
报警模块
超声波发射模块
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三部分。
单片机采用AT89C2051。
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P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端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3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
3.1AT89C2051单片机
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），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MCS-5l指令系统，片内置通用8位央处理器和Flash存储单元，功能强大。
AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
主要性能参数
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·2k字节可重擦写闪速存储器
·1000次擦写周期
·2.7V－6V的工作电压范围
·全静态操作：
0Hz－24MHz
·两级加密程序存储器
·128×8字节内部RAM
·15个可编程I／O口线
·2个l6位定时／计数器
·6个断源
·可编程串行UART通道
·可直接驱动LED的输出端口
·内置一个模拟比较器
·低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述
AT89C2051提供以下标准功能：
2k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级断结构，一个全双工串行通信口，内置—个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C2051可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2超声波测距系统构成
本系统由单片机AT89C2051控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图3-1所示。
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三部分。
单片机采用AT89C2051。
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P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端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3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.7输入一个低电平脉冲。
单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.7由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。
单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。
3.2.1超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：
AT89C2051单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。
如图3-2。
图3-2：
超声波测距单片机系统
3.2.2超声波发射、接收电路
超声波发射、接收电路如图3-3。
超声波发射部份由电阻R2及超声波发送头T40板成；接收电路由BG1、BG2X组成的两组三级管放大电路组成；检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。
40kHz的方波由AT89C2051单片机的P3.5驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波，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。
该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89C2051的P3.5发出。
方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。
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1µs，所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号，频率分别为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3-3：
超声波测距发送接收单元
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3.3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40-50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IN4148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。
3.2.3显示电路
本系统采用三位一体LED数码管显示所测距离值，如图（见下页）。
码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1
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