超声波测距仪的设计方案.docx
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超声波测距仪的设计方案
東南大學
毕业设计报告〔论文〕
课题名称超声波测距仪的设计方案
专业
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起讫日期
工作地点
摘要
本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：
由AT89C51控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。
并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，用四位LED数码管切换显示距离和温度。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率在20khz以上。
由于其指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点，因此长用于测量距离。
本文介绍了基于AT89C51单片机的超声波测距仪超声波仪的软硬件设计，硬件部分包括超声波发射电路，超声波接收电路，显示电路，温度检测电路，单片机控制电路等。
而软件部分则包括发射子程序，接收子程序，显示子程序，键盘子程序等模块组成。
同时也介绍了超声波测距的原理，以及其应用领域。
关键词：
AT89C51，超声波；测距；温度补偿；单片机；led八段码显示
ABSTRACT
ThedesignintroducestheprincipleoftheultrasonicdistancemeasurementinstrumentbasedonSCMC-controlled:
AT89C51controlstimerstoproducetheultrasonicwavepulseandtime,countthetimeofultrasonicwavespontaneousemissiontoreceiveround-trip,thusobtainsthemeasureddistance.Andthetemperaturecompensationadjustmentisusedinthedataprocessing,withfourLEDnixietubesdisplaydistanceortemperaturebyswitching.
Ultrasonicisakindoftheelasticmediummechanicaloscillation,thefrequencyinmorethan20KHZ.Becauseofitsstrong,orientation,directionalspreadenergy,spreaddistanceisfartherandothercharacteristics,solongusedtomeasuredistance.ThispaperintroducestheultrasonicbasedonAT89C51rangefinderultrasonicapparatushardwareandsoftwaredesign,hardwareincludingultrasoundcircuit,ultrasonicreceivingcircuit,showcircuit,temperaturedetectioncircuit,singlechipmicrocomputercontrolcircuit,etc.Andsoftwarepartincludinglaunchsubroutine,receivingsubroutine,showprocedure,thekeyboardsubroutinesetcmodule.Atthesametimealsointroducestheprincipleoftheultrasonicranging,aswellasitsapplicationfield.
Keywords:
AT89C51,Ultrasonic；rangefinding；Temperaturecompensation；Singlechipmicrocomputer；Eightbitcodeleddisplay
第1章绪论
1.1课题研究的背景
由于社会不断进步发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高，许多传统的测距方法已经无法满足我们的需求，例如在液位、井深、管道长度等场合。
还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。
而目前能够通过采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量的技术主要有激光测距、微波雷达测距和超声波测距三种。
激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。
超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。
于是，超声波测距这种新的测距方法在测距的应用中将越来越广。
超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。
而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。
超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。
目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测，汽车的倒车雷达的应用中都有着非常重要的作用。
在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也被广泛的应用着。
超声波测距仪作为一种新型的非常有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高定位、更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
可以预见的是超声波测距的作用将在未来的各个领域中有着非常重要的作用。
1.2课题研究的意义
在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量[3]，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。
而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。
目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。
为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。
1.3论文结构
论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。
第2章先就超声波测距的原理进行介绍，并提出了提高测距的精度的方案——温度补偿，且描述了其具体补偿方式。
第3章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，并得出了系统结构框图。
第4章介绍了设计中需要用到的主要器件，且因其在本设计的作用不同而详尽程序亦不同。
第5章从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。
第6章先给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释。
程序编译及系统仿真也是本文的一个要点，所以特别分出一章来详细介绍了程序编译的环境和编译的步骤以及仿真的环境和部分仿真的效果图。
第2章超声波测距原理
2.1超声波简介
我们知道，当物体振动时会发出声音。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。
当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。
超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点[4]。
可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。
在医学，军事，工业，农业上有明显的作用。
理论研究说明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度。
这就是超声波加湿器的原理。
对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位。
利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。
利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。
2.2超声波测距原理
超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体[5]。
测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。
测量距离D为
〔2.1〕
式中c——超声波的传播速度；
——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。
由上式可风，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。
计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1µs,不会产生累积误差，使定时间到达1µs。
超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为
〔2.2〕
式中γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。
R——气体普适常数，为/mol。
T——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。
M——×10-3kg/mol。
c0——0℃时的声波速度，为/s。
由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系，如表2.1所示。
温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差异非常大，例如0℃时的速度为332m/s，30℃时的速度为350m/s，相差18m/s。
因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。
对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s。
表2.1超声波传播速度与温度关系表
项目
数值
温度
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
100
声速/（m•s）
313
319
325
332
338
344
350
356
361
367
388
第3章方案论证
3.1设计思路
测量距离方法有很多种，短距离可以用尺，远距离有激光测距等，超声波测距适用于高精度中长距离测量。
因为超声波在标准空气中传播速度为米/秒，由单片机负责计时，单片机使用晶振，所以此系统测量精度理论上可以到达毫米级[6]。
目前比较普遍的测距的原理：
通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能到达要求。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
在精密的液位测量中需要到达毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级[7]，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能到达毫米级的测量精度。
目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。
而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。
以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。
尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微电脑，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM〔EPROM〕，位寻址寄存器、I/O口和指令集。
所以，8051是双CPU的单片机。
位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效[8]；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C51单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。
利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用锁相环LM567对放大后的信号进行频率监视和控制。
一旦探头接到回波，假设接收到的信号频率等于振荡器的固有频率〔此频率主要由RC值决定〕，则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”〔此时锁相环已进入锁定状态〕，这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控[9]。
可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；AT89C51还控制显示电路，用动态扫描法实现LED数字显示。
3.2系统结构设计
超声波测距仪系统结构如图3.1所示。
它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、温度传感器、键盘、LED显示电路及电源电路组成[10]。
系统主要功能包括：
1）超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；
2）检测空气温度用于距离计算的补偿；
3）LED显示器显示距离、温度；
4）键盘接收用户命令并处理；
5）当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位。
图3.1超声波测距仪系统结构框图
第4章主要元件介绍
4.1单片机AT89C51
单片机即单片微型电脑SCMC〔SingleChipMicroComputer〕。
它把构成一台电脑的主要功能部、器件，如CPU〔进行运算、控制〕、RAM〔数据存储〕、ROM〔程序存储〕、输入/输出设备〔例如：
串行口、并行输出口等〕、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯CPU〔进行运算、控制〕、RAM〔数据存储〕、ROM〔程序存储〕、输入/输出设备〔例如：
串行口、并行输出口等〕制功能，所以又称为微控制器MCU〔MicrocontrollerUnit〕。
相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制[11]，因此也称为嵌入式微控制器EMCU〔EmbeddedMicrocontrollerUnit）。
本设计的MCU采用的是DIP〔DualIn-linePackage塑料双列直插式〕封装的AT89C51高性能8位单片机。
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和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-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型电脑的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出〔I/O〕端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
。
AT89C51的引脚功能有：
图4.1AT89C51的引脚图
1）主电源引脚
VSS——第20脚，电路接地电平。
VCC——第40脚，正常运行和编程校验+5V电源。
2）时钟源
XTAL1——第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。
当直接采用外部信号时，此引脚应接地。
XTAL1——第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。
当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。
3）控制、选通或复用
RST/VPD——第9脚，RESET复位信号输入端口。
当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。
在VCC掉电期间，此引脚（即VPD）可接通备用电源，以保持片内RAM信息不受破坏。
——第30脚，输出允许地址锁存信号。
当单片机访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。
在非访问外部存储器期间，ALE仍以1/6振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。
为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。
——第29脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。
当AT89C51由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次
有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的
信号不出现。
：
外部访问允许。
欲使CPU公访问外部程序存储器〔地址0000H-FFFFH〕，
端必须保持低电平〔接地〕。
需注意的是：
如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存
端状态。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
4）多功能I/O端口
P0口——第32~39脚，8位漏极开路双向I/O端口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
P1口——第1~8脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。
在对片内程序存储器〔EPROM型〕进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。
P2口——第21~28脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。
当单片机访问存储器时，用做高8位地址总线；在对片内程序存储器〔EPROM型〕进行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。
P3口——第10~17脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。
它还提供特殊的第二变异功能。
它的每一位均可独立定义为第一功能的I/O口或第二变异功能。
第二变异功能的具体含义如表4.2：
表4.2P3口的第二变异功能
端口引脚
第二功能
RXD〔串行输入口〕
TXD〔串行输出口〕
〔外中断0〕
〔外中断1〕
T0〔定时/计数器0〕
T1〔定时/计数器1〕
〔外部数据存储器写选通〕
〔外部数据存储器读选通〕
4.2超声波传感器T40、R40
超声波是指频率高于20kHz的机械波。
超声波在恒定环境条件下的传播速度不变。
超声波传感器主要材料有压电晶体〔电致伸缩〕及镍铁铝合金〔磁致伸缩〕两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅〔PZT〕等。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成接收器和发送器。
超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成，当压电晶片的两极加上频率等于其固有谐振频率的脉冲信号时，压电晶片产生共振，并带动共振板产生振动，同时带动压电晶片也一起振动，将机械能转换为电能，称为超声波接收器。
超声波传感器利用压电效应进行电能和超声波机械能的相互转换，也称为超声波换能器[12]。
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，但外观基本一致。
有的超声波传感器既作发送，也能作接收。
这里仅介绍小型超声波传感器，其结构如图1所示，发送与接收略有差异，它适用于在空气中传播，工图4.2T40、R40外观作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。
这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。
该种有T/R-40-16，T/R-40-12等〔其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计〕。
本设计采用的就是发送超声波传感器T40及接收超声波传感器R40,其外观如图4.3。
4.3温度传感器DS18B20
温度传感器主要由热敏元件组成。
热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。
以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。
半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻〔电阻随温度上升而增加〕和负温度系数热敏电阻〔电阻随温度上升而下降〕。
本设计采用的是美国Dallas半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。
DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。
DS18B20支持“一线总线”接口〔1-Wire〕，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内,精度为±°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
DS18B20采用3脚PR-35封装〔图4.4〕：
DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下：
1）适用电压为3V～5V；
2）9～12位分辨率可调，对应的可编程温度分别为℃、℃、℃、℃；
3）TO-92、SOIC及CSP封装可选；
4）测温范围：
-55℃～125℃；
5）精度：
-10℃～85℃范围内±℃；
6）无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起；
7）每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。
图4.4PR-35封装图
第5章硬件电路设计
5.1超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图5.1所示。
发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的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，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端[13]，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。
上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04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，缩短其自由振荡时间。
图5.1超声波发射电路原理图
5.2超声波接收电路
超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。
超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。
锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求[14]。
锁相环LM567内部压控振荡器的中心频率为
，锁定带宽与C3有关。
由于发送的超声波频率为40kHz，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为40kHz，只响应该频率的信号，防止了其他频率信号的干扰。
当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz，则从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。
超声波接收电路如图5.2所示。
图5.2超声波接收电路
5.3显示电路
显示电路如图5.3，四位LED组成动态扫描电路，由AT89C51的P0口输出。
动态扫描时，由P2口控制LED的当前显示位。
当距离测量结束并调用显示程序，就会显示距离大小，显示两位小数。
当按下按键k2时，将会显示温度值，延时5s后恢复显示距离值。
图5.3显示电路
5.4电源电路
电源电路如图5.4所示。
为
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