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超声波测距原理概述
基于51单片机的超声波测距系统
贾源
完成日期:
2011年2月22日
目录
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,并给出程序清单。
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)。
测距范围:
25CM到250CM之间。
误差:
1%。
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,本超声波测中系统的原理为:
检测出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,将这个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AT89C51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。
单片机使用51系列的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。
超声波接收模块
超声波发射模块
单片机控制系统
(AT89C2051)
显示模块
键盘模块
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AT89C2051单片机控制,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。
单片机的晶振采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。
通过单片机的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3-1。
图3-1:
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3-1。
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3-1:
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4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70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8(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、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
四.系统软件设计
4.1主程序设计
超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。
超声波测距的程序既有较复杂的计算(计算距离时),又要求精细计算程序运行时间(超声波测距时),所以控制程序可采用C语言编程。
主程序首先是对系统环境初始化,设定时器0为计数,设定时器1定时。
置位总中断允许位EA。
进行程序主程序后,进行定时测距判断,当测距标志位cl==1,即进行测量一次,程序设计中,超声波测距频度是1次/秒。
测距间隔中,整个程序主要进行循环显示测量结果。
当调用超声波测距子程序后,首先由单片机产生6-8个频率为38.46kHz超声波脉冲,加载的超声波发送头上。
超声波头发送完送超声波后,立即启动内部计时器T0进行计时,为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发,这时,单片机需要延时约1.5-2ms时间(这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因,称之为盲区值)后,才启动对单片机P3.7脚的电平判断程序。
当检测到P3.7脚的电平由高转为低电平时,立即停止T0计时。
由于采用单片机采用的是12MHz的晶振,计时器每计一个数就是1μs,当超声波测距子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
(2)计算,即可得被测物体与测距仪之间的距离。
设计时取15℃时的声速为340m/s则有:
d=(c×t)/2=172×T0/10000cm其中,T0为计数器T0的计算值。
测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s,然后再发超声波脉冲重复测量过程。
4.2超声波测距子程序
voidcsbcj()//超声波测距子程序
{
if(cl==1)
{
TR1=0;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
i=20;//超声波脉冲个数10个
while(i--)
{
csbout=!
csbout;
}
TR0=1;
i=450;
while(i--)
{
}
i=0;
while(csbint)//判断接收回路是否收到超声波的回波
{
i++;
if(i>=2450)//如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint置零,退出接收回波处理程序
csbint=0;
}
TR0=0;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
t=TH0;
t=t*256+TL0;
s=t*csbc/2;//计算测量结果
TR1=1;
cl=0;
}
}
4.3超声波测距程序流程图
Y
Y
N
=N0
=0
=1
开始
初始化
测量标志
启动定时器
超声波测距
距离>上限值
距离<盲区值
===
显示值=CCC
显示值=---
测量段码转换
显示
设定段码转换
距离<报警值
===
报警输出
=N
4.4超声波测距程子序流程图
Y
时间=1s?
发送超声波
延时避开盲区
收到回波否?
预设时间?
启动计时器T0
停止计时
计算测量值
超声波测距
结束
N
N
Y
Y
N
五.调试及性能分析
5.1调试步骤
我们的步骤是先焊接各个模块,焊接完每个模块以后,再进行模块的单独测试,以确保在整个系统焊接完能正常的工作,原件安装完毕后,将写好程序的AT89C2051机装到测距板上,通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动,看数码管的显示结果会不会变化,在测量范围内能否正常显示。
如果一直显示“---”,则需将下限值增大。
本测距板1S钟测量一次,若要修改测量间隔,可将程序“if(csbds>=40)//1S测量一次。
”中的“40”增大或减小即可。
超声波发送功率较大时,测量距离远,则相应的下限值(盲区)应设置为高值。
试验板中的声速没有进行温度补偿,声速值为340m/s。
5.2性能分析
从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求,理想上超声波测距能达到5到7米左右,而我们所能实现的最大距离只有2.5米,测量结果受环境温度影响。
分析原因如下:
1.超声波发送部份为了简化电路,没加设置专门的超声波驱动电路,而是用单片机的P3.5输出端加了一个上拉电阻后就直接驱动超声波发送头。
理论上,驱电电压只有5伏。
2.本测距板没设计温度补偿电路,来对测量结果进行修正。
六.心得体会
俗话说“好的开始是成功的一半”。
通过这次实习,我们学到了很多东西。
在进行课程设计时,我们应该做到以下三点:
首先,我认为最重要的就是认真的研究老师给的题目。
其次,在老师讲解的基础上认真研究硬件电路的设计,和软件流程的设计。
最后,重点实现软硬结合的综合调试。
这次的实习算起来一共进行了两周,在这两周的时间里我们进行了硬件电路图设计,PCB板的设计,以及软件的编程实现,软硬件的综合调试。
最终一个完整的课程设计成果出来了,很高兴它能按着设计的思想与要求运作起来。
当然,这其中也有很多问题,比如在PCB制作过程中没有建立网络报表导致了部分连线没有倒入PCB板中,还有部分封装出现了错误。
就实现功能来说,设计结果能够符合题意,成功完成了此次实习要求,我们不只在乎这一结果,更加在乎的,是这个过程。
这个过程中,我们花费了大量的时间和精力,更重要的是,我们在学会创新的基础上,同时还懂得合作精神的重要性,学会了与他人合作。
在已度过的大学时间里,我们大多数接触的是理论课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识,如何去锻炼我们的实践能力?
如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢?
我想做类似实习就为我们提供了良好的实践平台。
同时这次实习给我们带来前所未有的的启发:
首先,查阅资料的必要性。
在做本次实习的过程中,我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。
为了让自己的设计更加完善,查阅这方面的设计资料是十分必要的,同时也是必不可少的。
其次,在这次课程设计中,我们运用到了以前所学的专业课知识,如:
模拟和数字电路知识等。
虽然过去从未独立应用过它们,但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高,这是我做这次课程设计的又一收获。
再次,在实习之前,我们要对所用单片机的内部结构有一个系统的了解,知道该单片机内有哪些资源;要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图;在设计程序时,不能妄想一次就将整个程序设计好,反复修改、不断改进是程序设计的必经之路;要养成注释程序的好习惯,一个程序的完美与否不仅仅是实现功能,而应该让人一看就能明白你的思路,这样也为资料的保存和交流提供了方便;在实习过程中遇到问题是很正常的,但我们应该将每次遇到的问题记录下来,并分析清楚,以免下次再碰到同样的问题。
但是从中学到的知识会让我受益终身。
发现、提出、分析、解决问题和实践能力提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中
最后,我们在这次实习中我们使用了分模块焊接,分模块测试的方法进行硬件电路的焊接和测试,这是我们最宝贵的收获,这样做可以避免走很多弯路。
使得调试也条理分明。
总体上说,这次实习中收获很多,感触也很多。
参考文献
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电子工业出版社,2009
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电子工业出版社,2005
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[4]李群芳,黄建.单片机微型计算机与接口技术.北京:
电子工业出版社,2001
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北京航空航天大学出版社,2003
[6]王守中51单片机开发入门与典型实例.北京:
人民邮电出版社,2009
附录一超声波测系统原理图
附录二超声波测系统原理图安装图
附录三超声波测系统原理图PCB图
附录四超声波测系统原理图C语言原程序
#include
#definecsboutP3_5//超声波发送
#definecsbintP3_7//超声波接收
#definecsbc=0.034
#definebgP3_4
unsignedcharcsbds,opto,digit,buffer[3],xm1,xm2,xm0,key,jpjs,ki;//显示标识
unsignedcharconvert[10]={0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9段码
unsignedints,t,i,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1,sjtz,sja,sjb;
bitcl;
voidcsbcj();
voiddelay(i);//延时函数
voidscanLED();//显示函数
voidshowOnce();//显示循环函数
voidtimeToBuffer();//显示转换函数
voidoffmsd();
voidmain()//主函数
{
EA=1;//开中断
TMOD=0x11;//设定时器0为计数,设定时器1定时
ET0=1;//定时器0中断允许
ET1=1;//定时器1中断允许
TH0=0x00;
TL0=0x00;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
csbds=0;
csbint=1;
csbout=1;
cl=0;
opto=0xff;
jpjs=0;
sj1=25;
sj2=100;
sj3=450;
ki=0;
TR1=1;//设定时值1为20ms
while
(1)
{
csbcj();//调用超声波测距程序
if(s>sj3)//大于时显示"CCC"
{
buffer[2]=0x39;
buffer[1]=0x39;
buffer[0]=0x39;
}
elseif(s{
buffer[2]=0x40;
buffer[1]=0x40;
buffer[0]=0x40;
}
elsetimeToBuffer();//调用转换段码功能模块
offmsd();//调用判断百位数为零模块,百位为零时不显示
scanLED();//调用显示函数
}
}
voidscanLED()//显示功能模块
{
digit=0x04;
for(i=0;i<3;i++)//3位数显示
{
P3=~digit&opto;//依次显示各位数
P1=~buffer[i];//显示数据送P1口
delay(20);//延时处理
P1=0xff;//P1口置高电平(关闭)
if((P3&0x10)==0)//判断3位是否显示完
key=0;
digit>>=1;//循环右移1位
}
}
voidtimeToBuffer()//转换段码功能模块
{
xm0=s/100;
xm1=(s-100*xm0)/10;
xm2=s-100*xm0-10*xm1;
buffer[0]=convert[xm2];
buffer[1]=convert[xm1];
buffer[2]=convert[xm0];
}
voiddelay(i)//延时子程序
{
while(--i);
}
voidtimer1int(void)interrupt3using2//终断处理程序,1秒测量一次
{
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
csbds++;
if(csbds>=40)
{
csbds=0;
cl=1;
}
}
voidcsbcj()//超声波测距子程序
{
if(cl==1)
{
TR1=0;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
i=20;//超声波脉冲个数10个
while(i--)
{
csbout=!
csbout;
}
TR0=1;
i=450;
while(i--)
{
}
i=0;
while(csbint)//判断接收回路是否收到超声波的回波
{
i++;
if(i>=2450)//如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint置零,退出接收回波处理程序
csbint=0;
}
TR0=0;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
t=TH0;
t=t*256+TL0;
s=t*csbc/2;/