基于51单片机的超声波测距装置.docx

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基于51单片机的超声波测距装置

摘要

随着社会经济的发展和交通运输业的不断兴旺，汽车的数量在不断的增加。

交通拥挤状况也日益严重，撞车事件也经常发生，造成了很多不可避免的人声伤亡和经济损失，面对这种情况，设计一种响应快、可靠性高并且比较经济的车载测距装置显得非常的重要。

本文介绍的就是利用超声波测距法设计一种倒车防撞报警系统。

本文的内容是基于超声波测距的倒车系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和STC89C52单片机结合于一体，设计出一种基于STC89C52单片机得倒车防撞系统。

本系统采用软硬结合的方法，具有模块化和多用化的特点。

论文概述了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。

对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。

并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。

对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。

论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。

关键词：

STC89C52单片机;超声波测距；超声波换能器

Abstract

Withthesocialandeconomicdevelopmentandtransportationcontinuestoboom,theautomobilequantityclimbsinthefirstmate.Trafficcongestionconditionalsodaybydayserous,thecollisioneventoccurredrepeatedly,hascausedtheinevitablepersoncasualtiesandtheeconomicloss,inviewofthiskindofsituation,designedonekindtorespondquickly,thereliabilitywashighalsoamoreeconomicalautomobileguardsagainsthitstheearlywarningsystemimperative,theultrasonicwaverangefindingwasthemostcommononedistancerangefindermethod,thisarticleintroducesisguardsagainstusingtheultrasonicwaverangefindingdesignonekindofreversingcollisionavoidancesystem.

Thepaperisbasedontheultrasonicdistancereversingcollisionavoidancesystemdesign,mainlyusingultrasoundfeaturesandadvantages,ultrasoundrangingsystemandtheintegrationwiththeintegrationSTC89C52monolithicintegratedcircuit,STC89C52monolithicintegratedcircuitbasedonthedesignofareversecollisionavoidancewarningsystems.Thesystemusedsoftwareandhardwareintegratedapproachofmodularandmulti-usecharacteristics.

Thepaperoutlinesthedevelopmentandthebasicprinciplesofultrasoundtestsontheprinciplesandcharacteristicsofultrasoundsensors.Someofthemainparametersforthesystemwerediscussed,andintroducingultrasonicrangingsystemfunctionsbasic,theoverallcompositionofthesystem,varioussystemdesignmodulesprinciplesintroduced.Onthecompositionofthesystemcircuitchipintroducedandelaboratedtheprinciplesoftheirwork.Papersintroducedsystemsoftwarearchitecture,throughprogrammingtoachievesystemfunction.

Keyword:

STC89C52single-chip;Ultrasonicranging;Ultrasonicwavestransducer.

目录

1绪论5

1.1课题设计的目的及意义5

1.1.1设计的目的5

1.1.2设计的意义5

1.2设计原理和功能简述6

1.2.1超声波测距原理6

1.2.2测距装置的功能介绍6

2超声波与单片机简介7

2.1超声波（ultrasonicwaves）7

2.1.1超声波特点7

2.1.2超声波检测简介7

2.1.3超声波测距原理8

2.2单片机（single-chipmicrocomputer）10

2.2.1微型计算机的基本结构10

2.2.2单片机的基本结构11

2.2.3单片机的特点和指标12

3系统功能和设计方案13

3.1功能描述13

3.1.1系统组成及工作过程13

3.2系统硬件设计14

3.2.1单片机接口介绍14

3.2.2单片机的内部结构15

3.2.3单片机内部的定时/计数器简介16

3.2.4定时/计数器的工作方式17

3.2.5定时/计数器的初始化18

3.3中断系统19

3.3.1中断简介19

3.3.251单片机的中断系统21

1.中断源21

3.4外部电路结构23

3.4.1超声波发送电路组成23

3.4.2接收电路组成25

接收电路组成25

3.4.3超声波换能器26

4.系统程序设计27

4.1编程语言27

4.1.1单片机C语言28

4.1.2主程序流程29

4.2主程序编写30

4.2.1程序算法设计30

4.2.2发射与接收环节30

4.2.3显示环节32

4.2.4主程序整合32

4.3系统主电路接线图33

5结论34

5.1测试结果35

5.2总结35

致谢37

参考文献38

程序清单39

1绪论

1.1课题设计的目的及意义

1.1.1设计的目的

随着科学技术的快速发展，超声波将会在测距技术中得到广泛的运用。

但对于目前的科学技术来说，人们能够应用的测距技术十分有限，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，超声波测距装置作为一种新型的非常重要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，如声纳的发展趋势基本为：

研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标的识别问题；大力降低潜艇的噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

毋庸置疑，未来的超声波测距装置将与自动化智能化接轨，与其他的测距装置集成和融合，形成多测距技术相结合的态势。

随着测距的技术进步,面貌一新的测距装置将发挥更大的作用。

1.1.2设计的意义

随着科技的发展和人们生活水平的不断提高，汽车这种交通工具变得越来越普及，有些国家甚至被称为车轮上的国家。

但是随着汽车的普及同样带来了许多问题，比如在视野不好的情况下驾车，附近路况不熟悉的情况下倒车，这些都给驾驶员，特别是新手带来了很多麻烦。

因此一款能适应各种环境的超声波测距装置得以被开发。

由于超声波指向性强，能量消耗慢。

在介质中的传播距离远，因而超声波经常被用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到生活生产中的各种要求。

超声波发生器可以分为两大类：

一类是电气方式产生超声波，一类是机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、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频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。

根据设计要求并综合各方面因素，本文采用MCS-51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号由单片机的定时器产生。

1.2设计原理和功能简述

1.2.1超声波测距原理

发射器发出的超声波以速度V在空气中传播，在到达被测物体表面时产生反射，由接收器接收，其往返时间为T，由S=VT/2即可算出被测物体与测距装置间的距离。

由于超声波也是一种声波，其速度V可以认为是340米每秒。

在使用时，可以认为其速度是基本不变的。

原理图如下：

图1.1超声波测距原理图

1.2.2测距装置的功能介绍

本设计要求超声波测距装置能够具有以下功能

（1）利用超声波接收和发射探头发送和接收超声波；

（2）该超声波测距装置可以实现距离的测量；

（3）通电即可工作，使用单片机进行数据测量，并把测量数据经过LED数字显示。

2超声波与单片机简介

2.1超声波（ultrasonicwaves）

超声波是频率高于20000赫兹的声波，它具有方向性好，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,可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石，杀菌消毒。

在医疗，军事，工业，农业上有很多应用。

超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。

声波是物体机械振动状态或者能量的传播形式，所谓振动是指物体的质点在其平衡位置附近做往返运动的状态。

譬如，鼓面受到击打，他就会上下振动，这种振动通过空气媒介向四面八方传播，这便是声波。

超声波的产生也是如此，由于超声波的振动频率甚高，其下限为20000赫兹，已经超过了人耳所能分辨的范围，所以将这种听不见的声波叫做超声波。

超声波和可闻声波在本质上是一致的。

它在传播过程中也遵循可闻声波的传播规律。

2.1.1超声波特点

（1）超声波在传播过程中，方向性强，能量易于集中。

（2）超声波可在各种不同的媒介中传播，且传播距离比较远。

（3）超声波与传波媒介之间的相互作用适中，易于携带媒介状态诊断信息，或对媒介产生指定效果。

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介，如B超等用作诊断，超声波同时也是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与媒介之间的相互作用，去影响，改变，以致破坏后者的状态，性质，及结构，达到某些作用。

2.1.2超声波检测简介

超声波测量在国防，航空航天，电力，石化，机械，材料等众多领域有广泛的应用，它不但可以保证产品质量，保障安全，还可以起到节约能源，降低成本的作用。

超声波与光波，电磁波，射线测量相比，其最大的特点是穿透能力强，它是一种频率超过20000赫兹的机械波。

它作为一种特殊的声波同样具有一般声波的物理特性—反射，折射，干涉，衍射，散射。

超声波具有方向性集中，振幅小，加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同媒质界面传播，超声波的大部分能量都会发生反射，利用超声波检测可以做到，迅速，方便，实时控制，并且在精度方面达到工业测量的要求。

主要用于倒车雷达，施工现场以及一些工业现场，例如：

液位，井深，管道长度等场合。

超声波在介质（固体，液体，气体）中传播时，利用不同介质不同声学特性对超声波传播的影响来探测物体和进行测量的技术称为超声检测。

当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射这一性质，在多种介质中均有广泛的用途，例如在金属，非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板，锻件，焊缝，混凝土，人造石墨等进行探伤检验，在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深度以及探查海底底层等，在人体中则可以协助临床诊断疾病，如肿瘤，结石等。

利用超声波连续波的共振性质，可以测量高压容器，锅炉，轮船甲板等的厚度或腐蚀程度，也可制成机械滤波器。

利用超声波的衰减特性，可以研究或测量材料的物理性质。

当超声波射到运动物体上时，利用多普勒效应，可以测量流速，流量，探测心脏血管搏动等。

若将超声波作为载波传送某些信号，则可制成水中电话，水中遥测仪等，以进行水中通行。

利用超声波在固体和液体中传播的速度远低于电磁波的这一特性，可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换，还可以利用超声波检漏，测量液位，粘度，硬度和温度等。

除此之位，声发射，声成像技术的发展更大大丰富了超声检测的内容。

超声波可在任何物体中传播，了解被测物体内部情况，超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际的使用。

近几十年来由于微机技术，信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开阔了其使用范围。

相比于光学成像，微波，红外测距，超声波测距有着非常明显的优势，比如说，超声波不会受天气情况的影响，受周围环境的影响也较小。

正是因为超声波的这些特殊的属性，使得它能够在检测方面得到广泛的运用，并被广大的社会使用者接受。

2.1.3超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。

假设超声波在空气中的传播速度为V，根据计时器记录的时间T，发射点距障碍物的距离S,如下图所示。

图2.1测距原理图

图中被测距离为S，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用L表示，由图可得：

（2-1）

（2-2）

将式（2-2）带入式（2-1）得：

（2-3）

在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：

（2-4）

式中：

V为超声波的传播速度，T为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。

将式（2-4）带入式（2-3）可得：

（2-5）

当被测距离S远远大于M时，式（2-5）变为：

（2-6）

这就是所谓的时间差测距法。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。

经分析和大量实验表明，频率为40KHZ左右的超声波在空气中传播效果最佳。

超声波也是一种声波，其声速V与温度有关，表1.1列出了几种不同温度下的声速。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

常温下超声波的传播速度为334米/秒，但其传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1度，声速增加约0.6米/秒。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

已知现场环境温度T时，超声波传播速度V的计算公式为：

（2-7）

声速确定后只要测得超声波往返的时间就可以求的距离，这就是超声波测距装置的机理。

表1.1声速与温度关系表

因为本设计对误差要求不是很高，所以将声速取值为其在20℃的时的传播速度，即V=344米/秒。

2.2单片机（single-chipmicrocomputer）

微型计算机由运算器，控制器，存储器，输入/输出接口4个基本部分和输入/输出设备等组成。

如果把运算器与控制器封装在一小块芯片上，则该芯片称作微处理器。

如果CPU与大规模集成电路制成的存储器和输入/输出接口电路在印制电路板上用总线连接起来，再配以适当的输入/输出设备（如磁盘存储器，键盘和显示器等），就构成了微型计算机。

如果在一块芯片上，集成了一台微型计算机的4个基本组成部分，则这种芯片就称为单片微型计算机（single-chipmicrocomputer）,简称单片机，以单片机为核心的硬件电路称为单片机系统。

2.2.1微型计算机的基本结构

图2.2微型计算机结构图

1.控制器：

controller是计算机的控制核心，它的功能是负责从内部存储器中取出命令，对指令进行分析、判断，并根据指令发出控制信号，使计算机有条不紊的协调工作。

2.运算器：

运算器的核心部件是算术/逻辑单元（ALU）,主要完成算术运算和逻辑运算。

3.存储器：

memory是具有记忆功能的部件，用于存储程序和数据。

存储器根据其位置不同可分为两类：

内部存储器和外部存储器。

内部存储器（内存）和CPU直接相连，存放当前要运行的程序和数据，故称主存储器。

它的特点是存取速度快，基本上可与CPU处理速度相匹配，但价格较高，存储容量较小。

外部存储器，主要用于保存暂时不用但又需长时间保留的数据和程序。

存放在外存的程序必须调入内存才能运行。

外存的存储器容量较大，价格低廉，但存取速度较慢。

4.输入/输出接口：

input/output,I/O又称作I/O接口，是CPU与外设相连的逻辑电路，外设必须通过接口才能和CPU相连。

不同的外设所用的接口不同。

每个I/O接口有一个地址，CPU按照地址通过对不同的I/O接口进行操作来完成对外设的操作。

5.输入输出设备：

输入输出设备（如键盘、鼠标，显示器、打印机等）用于和计算机进行信息交流的输入和输出操作。

6.总线：

bus是控制器、运算器、存储器、I/O接口之间相连的一组线。

数据总线（DataBus）是用于传送程序和数据的总线；地址总线（AddressBus）用于传送地址，以识别不同的存储单元或I/O接口；控制总线（ControlBus）用于传输控制信号，这些控制信号控制计算机按一定的时序有规律的自动工作。

2.2.2单片机的基本结构

图2.3单片机结构

1.中央处理器：

CPU是单片机的核心元件，由算术逻辑运算部件和控制部件构成。

2.程序存储器：

它采用ROM，用来存放用户程序，可分类为EPROM,MaskROM,OTPROM和FlashROM等。

3.数据存储器：

它采用RAM，用来存放程序运行时的工作变量和数据。

4.并行输入/输出端口：

并行输入/输出端口通常为独立的双向I/O口，一般既可以用作输入方式，也可用作输出方式，通过软件编程来决定。

I/O口是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指标之一。

5.串行输入/输出端口：

用于单片机和串行设备或者其他单片机系统之间的通信。

串行通信有同步和异步之分，可用硬件或者通用串行收/发器件实现。

6.定时/计数器：

用于单片机内部精确定时或对外部事件进行计数，有的单片机内部有多个定时/计数器。

7.系统时钟：

通常需要外接石英晶体或者其他振荡源提供时钟信号输入，也有的使用内部RC振荡器。

系统时钟相当于PC中的主频。

以上是单片机的基本结构，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（ADC）、数字/模拟转换器（DAC）、温度传感器、液晶驱动电路、电压监控、“看门狗”电路、低压检测电路等。

2.2.3单片机的特点

单片机除了具备体积小、价格低、性能强大、速度快、用途广、灵活性强、可靠性高等优点外，它与通用微型计算机相比，在硬件结构和指令方面还具有以下独特之处。

1.存储器ROM和RAM严格分工

ROM用做程序存储，只存放程序、常数和表格数据；而RAM用做数据存储器，存放临时数据和变量。

这样的设计方案使单片机更适合用于实时控制（也称为现场控制或过程控制）系统。

配置较大的程序存储空间，将已调试好的程序固化（即对ROM编程，也称为烧录或者烧写），这样程序不仅掉电时不会丢失，还避免了程序被破坏，从而确保了程序的安全性。

实时控制仅需容量较小的RAM，用于存放少量随机数据，这样有利于提高单片机系统的操作速度。

2.采用面向控制的指令系统

单片机的指令系统有很强的端口操作和位操作能力，在实时控制方面，尤其是在位操作方面单片机有着不俗的表现。

3.I/O端口引脚具有分时复用功能

I/O端口引脚通常设计有多种功能，以充分利用数量有限的芯片引脚。

在应用时，究竟使用多功能引脚的哪一种功能可以由用户编程决定。

4．品种规格的系列化

属于一个产品系列、不同型号的单片机，通常具有相同的内核，相同或者兼容的指令系统。

其主要的差别仅在于片内配置了一些不同种类或不同数量的功能部件和容量大小不同的ROM和RAM，以适应不同的控制对象。

5.硬件功能具有广泛的通用性

单片机的硬件功能具有广泛的通用性。

同一种单片机可以用在不同的控制系统中，只是其中所配置的软件不同而已。

换言之，给单片机固化上不同的软件，便可形成用途不同的专用智能芯片。

3系统功能和设计方案

3.1功能描述

随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深、液位、管道长度测量等场合，传统的测距方法根本无法完成测量任务。

还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也不能很好完成测量任务，于是一种新的测距方法——非接触测距应运而生。

在这里要介绍的是一种非接触测距方式，是超声波测距，它的整体设计要求主要体现在结构和功能两个方面。

结构要求：

（1）该系统由一个接收显示终端和超声波发送与接收电路组成；

（2）非接触测量目标物体与测距装置间的距离。

功能要求：

能达到短距离测量的目的，保证测量的精度尽量高，测量的结果能清晰稳定的显示在数码管上。

并能连续测量，当距离变化时能够敏锐的反应，达到距离变显示变的效果。

3.1.1系统组成及工作过程

图3.1系统工作流程图

整个装置由51单片机控制，包括超声波信号的产生，检测到的回波信号的处理，后期距离的计算，计算结果的显示等，都由单片机来整体控制。

具体环节如下。

（1）超声波发射：

由单片机内部的定时/计数器产生所需超声波信号，并通过74LS04芯片将超声波信号输出至超声波探头。

（2）超声波接收：

当超声波遇到障碍物并且反射回来时将被另一个超声波探头接收，此探头与CX20106A芯片相连，该芯片为红外线的接收芯片，因其接收频率为38~40KHZ，所以选用该芯片做为接收芯片。

关于芯片接收处理信号的过程在论文后面将会提到。

（3）计算显示环节：

当单片机接收到超声波的回波时，内部设定好的程序将会自动运行，根据单片机内部设定程序算出障碍物与测距装置之间的距离，并通过数码管显示出来。

3.2系统硬件设计

3.2.1单片机接口介绍

单片机外部接口图如下

图3.2单片机引脚图

引脚及其作用的介绍如下

（1）主电源引脚VCC和Vss

Vcc电源输入端，工作电源和编程校验（8051/8751）为+5V

Vss（GND）共用接地端。

（2）时钟振荡电路引脚XTAL