江仁者三稿.docx

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江仁者三稿

摘要

随着近几十年来，现代工业的发展，非接触性测距方式也越来越受到人们的重视，所以人们相继发明出红外测距、雷达测距、激光测距及超声测距等多种形式的非接触性测距仪器，而超声波测距相对而言是一种有着极高实用性且成本可较低的良好测距方式。

本设计是基于AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化，且利用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来制作的测距仪。

其中采用超声波传感器，来产生和接受超声波信号，然后采用渡越时间法TOF（timeofflight）的原理，经计算控制算出声源与障碍物之间的距离，最后用LED数字显示电路显示出测距结果。

关键词AT89C51单片机；超声波；测距

Abstract

Withtherecentdecades,thedevelopmentofmodernindustry,non-contactsexrangingwayalsomoreandmoreattentionbypeople,sopeoplehaveinventedtheinfrareddistance,radar,laserrangefinderandtheultrasonicrange-findingdistance,andotherformsofnon-contactsexranginginstruments,andultrasonicrangingrelativelyisahasahighpracticabilityandlowercostofgoodrangingway.

ThedesignisbasedonAT89C51lowcost,highprecision,miniaturization,andusingultrasoniceasilybeaming,orientation,strongeasilycontrolled,andbemeasuringobjectsdon'tneeddirectcontactwiththeadvantagesoftherangefindertomake.Useamongthemultrasonicsensors,whichgeneratesandacceptultrasonicsignal,andthenusedthetimemethod（TOFcrossingaflight）oftheprinciple,andthroughcalculation,calculatethesoundsourceandobstaclescontrolthedistancebetweendynamicscanning,FinallyusingLEDdigitaldisplaycircuitshowsrangingresults.

KeywordsAT89C51ultrasonicwavedistance

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1设计的目的及意义1

1.1.1设计目的1

1.1.2设计意义1

1.2超声波测距研究与发展趋势2

1.2.1超声波测距研究内容2

1.2.2超声波测距仪发展趋势3

1.3设计的任务和要求3

1.3.1设计任务3

1.3.2设计要求3

1.3.3设计指标3

1.4本章小结3

第2章设计的方案选择与论证4

2.1三种常用的超声波测距仪设计方案4

2.2系统整体方案的论证6

2.3本章小结6

第3章系统的硬件结构设计7

3.1AT89C51单片机简介7

3.2超声波发射电路设计11

3.3超声波检测接收电路设计12

3.4显示模块电路设计13

3.5超声波测距系统的硬件电路设计13

3.6本章小结14

第4章系统软件的设计15

4.1超声波测距仪软件设计15

4.2主程序流程图15

4.3中断子程序流程图16

4.4本章小结16

第5章部分电路仿真图及程序编译17

5.1超声波发射电路仿真图17

5.2模拟测试仿真图18

5.3电源电路仿真图19

5.4软件程序调试19

5.5本章小结20

结论21

参考文献22

致谢23

附录1：

软件的调试程序24

第1章绪论

1.1设计的目的及意义

1.1.1设计目的

在进入现代社会后，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。

而且随着对超声波应用技术开发的不断深入，超声波测距技术已经应用在了很多工业领域，比如机械制造、石油化工、电子冶金、航海、航空等等。

其具有较高的研究价值和发展前景，所以本次研究的课题就是有关超声波测距仪的设计，以此来检验学习成果，更重要的是对超声波测距以及现代测距技术进行更深一步的了解和学习。

1.1.2设计意义

伴随着人类文明的进步，科学技术的飞速发展，我们的世界已渐渐迈向电子信息全球化的社会。

所以电子技术在我们生活中的运用将更加广泛，其中就包括了利用超声波测距这门电子技术。

就目前来说市场上常用的测距方式主要有红外测距、雷达测距、超声测距及激光测距四种。

与其他测距方法相比较，超声测距具有以下几个优点：

（1）、超声波对色彩和光照度不太敏感，可用来识别漫反射性较差或透明的物体（如抛光体和玻璃）。

（2）、超声波对外界的光线和电磁场不太敏感，可用在灰尘或烟雾较大、无光线昏暗、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。

（3）、超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、便于集成化和小型化。

因此我深信随着电子技术和对超声学研究的发展,人们将更加完美地利用超声波,从而创造出功能更强大、使用更方便的超声波仪器。

本设计采用AT89C51单片机作为控制器，压电式超声波换能器作为超声波产生和接受部分，最后用动态扫描法实现LED数字显示的超声波测距仪设计方案，其硬件电路简单，软件功能基本完善，控制系统可靠，价格低廉。

具有一定得使用和参考价值。

1.2超声波测距研究与发展趋势

1.2.1超声波测距研究内容

（1）、超声波是指振动频率大于20K赫兹或小于20赫兹的声波。

其在媒质中的折射、反射、散射、衍射等传播规律，与能听到的声波规律并没有多大的本质区别，但是超声波的波长与可听声波比较起来短得多，所以这使超声波在测量与障碍物距离方面具有以下优势。

a、指向性强。

超声波的波长很短，通常被检测的障碍物长度与超声波波长比起来要大很多，加之超声波的衍射能力很弱，所以它在均匀介质中只能够定向直线传播，且超声波的波长越短，这一特性就越显著。

b、功率高。

由于在相同情况下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。

而因超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比功率要大得多。

c、无噪声污染。

由于超声波的频率在人耳听不见的范围，所以不存在噪声污染。

除此以外，超声波还具有易于获得较集中的声能、能量消耗缓慢、传播远距离、易实现与控制等优点。

（2）、超声波测距原理本次设计的超声波测距是采用的超声波反射方式测距，即是利用已知超声波在空气中的传播速度这个条件，然后使用渡越时间法TOF（timeofflight），测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间的一半，乘以超声波在空气中传播的已知速度，计算出发射点到障碍物的实际距离。

测距的公式表示为：

L=V×T／2

式中L为测量的距离长度；V为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差。

1.2.2超声波测距仪发展趋势

在近几十年对超声波测距仪的研究中不断吸取其他多个学科门类的理论与知识，其中就有控制论、现代声学、计算机应用与数字信号处理等学科，并涵盖到了集成电路、传感器、机械制造等工业技术。

不仅如此，研究范围还扩展到了电路阻抗匹配研究、滤波器设计开发、处理器控制等等方面，逐步地向综合性、专业化的研究课题发展，而研究方向也越来越趋向于实用化与高精度化。

现今研制出的的超声波测距仪测量范围大至几百米，小至几毫米。

其中在提高精度上，也研究出了采用温度补偿缩短超声波传播时间差、采用互相关或伪随机码算法提高精度等多种方法。

此外，在超声波测距仪研制中也在不断地提高其实用性，以研制出自动化、智能化、小体积、低成本的仪器为目标。

1.3设计的任务和要求

1.3.1设计任务：

（1）、了解超声波测距原理；

（2）、根据超声波测距原理，设计出超声波测距仪的硬件结构电路；

（3）、掌握基于51单片机的简易超声波测距仪常用芯片与模块的使用和相关知识。

1.3.2设计要求：

（1）、设计出超声波测距仪的硬件结构电路；

（2）、对设计的电路进行分析并能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波测量距离的目的；

（3）、对设计的电路进行分析与调试；

1.3.3设计指标：

（1）、测距仪能测的距离范围为0.1～5.0m，

（2）、测距仪最大误差不超过5cm。

1.4本章小结

本章主要是对研究课题进行大体概述，并对其发展趋势和基于的原理，还有就是对整个设计的任务和要求进行描述。

这是整个设计的开头部分，为之后的撰写做好铺垫。

第2章设计的方案选择与论证

2.1三种常用的超声波测距仪设计方案

设计方案一：

基于单片机来实现的超声波测距仪

基于单片机来实现的超声波测距仪是首先由单片机产生输出一个超声波传感器所需约为40kHz的方波信号，使其产生超声波信号，然后再经过信号线，把信号引入超声波发射器内，由超声波发射器向某一特定方向发射出超声波，而在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，当超声波接收器收到反射回来的超声波就马上停止计时。

超声波在空气中的传播速度大约为340m/s，根据计时器记录的时间，就可以利用测距公式计算出发射点与距障碍物之间的距离。

原理框图一所示

图2-1基于单片机来实现的超声波测距仪原理框图

该超声波测距仪原理框图的设计主要包括单片机控制、定时、显示、超声波发射及超声波检波接收五部分。

（1）、单片机控制部分

其主要是负责产生输出超声波换能器所需信号，并利用外部中断监测超声波接收电路输出的返回信号。

还有就是利用定时器控制超声波接发时间及输出测量结果给显示部分，显示出测量结果。

（2）、定时部分

其主要负责为超声波发射时间进行定时，使超声波有一定的时间进行发射，使其能较好地发射出去并及时停止发射准备接受回波。

（3）、显示部分

显示部分包括了显示驱动和显示器两部分。

显示驱动是为了放大单片机输出地信号，使其有足够的功率让显示器显示出测量结果。

而显示器就决定采用LED数字显示结果。

（4）、超声波发射部分

超声波发射主要由放大电路和超声波发射传感器构成。

其作用是放大单片机输出的信号，并进行电声转换，以产生及发射足够功率大小的超声波。

（5）、超声波检波接收部分

超声波检波接收部分对信号的处理主要接收、放大、检波三个步骤。

首先通过超声波传感器接收回波信号，再进过放大电路放大，最后经检波电路滤出真正回波信号送入单片机，触发单片机进行下一步的工作。

设计方案二：

基于锁相环频率合成技术来实现的超声波测距仪

其实采用锁相环频率合成技术，也可以设计出一个超声波测距仪。

其设计原理是：

首先通过频率合成技术产生一个能形成超声波的频率，再通过信号线将得到的频率引入超声波的发射头上，这样就可以实现超声波测距。

它的优点就是工作频率可调，且可达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器有较宽可变通频带，这却很难实现。

设计方案三：

基于CPLD来实现的超声波测距仪

基于CPLD来设计的超声波测距仪，主要是要使用MAX+plusII软件进行仿真和调试，并且软件上运用VHDL编写程序，以实现测距功能。

采用这个方案的优点是：

超声波测距仪设计中采用的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，它属于MAX7000s系列，其最高频率可达到175.4MHz，不仅如此，其还可用于时序、组合逻辑电路、算法、双端口RAM等等的设计。

可充分利用其多达128个的宏单元、68pin的可编程I/O口，使该器件可以将许多功能集于一体。

且因其延时比较平均的特点，很大程度上提高了测距结果的精度与响应速度。

不过这种方案也有缺点，其缺点是在FPGA和双口RAM都各需一块的同时,还需要一块用来存储波形数据EEPROM，这样的话设计的成本就比较高。

而且由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，但在FPGA中却还要用硬件描述语言来编写程序实现硬件电路的功能，所以在软件方面实现起来也很困难。

综上所述，本次设计将选择第一种设计方案。

2.2系统整体方案的论证

一、从测距方法上论证

对于超声波测距仪的设计其包括直接波与反射波两种实用的测距方法。

其中直接波方式是指在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的方式，其适用于测量身高；而反射波方式是指发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，其适用于测距仪设计。

因此本次设计将采用反射波方式。

二、从超声波的产生方式上论证

现国内外针对超声波测距仪，已经设计和制成了许多超声波传感器。

总体上讲，超声波传感器可以分为两大类：

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传感器。

压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

它内部有一个共振板和两个压电式晶片。

当它的两极外加脉冲信号时，当其频率与压电晶片的固有振荡频率相等时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波，完成电信号到超声波的转换。

反之，如果当两电极间没有外加电压，且共振板又接收到超声波时，就会压迫压电晶片振动，从而将超声波转换为电信号。

所以本次设计采用压电式超声波传感器完成超声波测距仪的能量形式转换的工作。

三、从超声波传感器的选择上论证

对于超声测距仪来说其分辨率取决于对超声波传感器的选择。

因超声波传感器是选用的是压电效应的超声波传感器，其常用的材料是压电陶瓷。

而由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故越短距离的测量应选用频率越高的超声波传感器，反之，应选择频率越低的超声波传感器。

2.3本章小结

在本章节中首先介绍了基于单片机、锁相环频率合成技术、CPLD来设计超声波测距仪的三种方案，其中较为多的介绍了基于单片机制作的方案，最后并选择了这个方案。

之后又通过测距方法、超声波的产生方式、超声波传感器的选择三方面对该方案进行了论证，为下一章节的撰写做了铺垫。

第3章系统的硬件结构设计

本设计的硬件结构设计是基于AT89C51为核心进行设计的，其设计的硬件系统框图如下：

图3-1超声波测距硬件系统框图。

3.1AT89C51单片机简介

本次设计使用的是美国ATMEL公司生产的AT89C51芯片，它是一种带有4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，并且可擦除只读存储器可以反复擦除1000次，人们一般简称其为单片机。

该器件是采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

而且由于其又将多功能8位的CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，所以其又是一种高效微控制器。

其引脚排列及外形如图3-2所示。

一、其主要特性有：

（1）、其与MCS-51兼容；

（2）、具有4K字节可编程闪烁存储器，该闪存可100写/擦循环

其数据保留时间为10年之久；

（3）、全静态工作频率范围为0Hz~24Hz；

（4）、具有三级程序存储器锁定；

（5）、拥有低功耗的闲置和掉电模式

除了以上五点外，还有128×8位的内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、片内振荡器和时钟电路及可编程串行通道。

图3-2AT89C51引脚示意图

二、管脚说明：

40脚VCC：

供电电压。

20脚GND：

接地。

32~39脚P0口：

P0口是一个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，则被定义为高阻输入。

且P0口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。

1~8脚P1口：

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

当P1口管脚写入1后，就会被内部上拉为高电平，可用作输入，而当P1口被外部下拉为低电平时，则将输出电流。

21~28脚P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，其缓冲器可接收并输出4个TTL门电流。

当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉为高电平，此时就作为输入。

而作为输入时，P2口的管脚被外部拉为低电平，就将输出电流。

当P2口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口输出地址为高八位。

10~17脚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。

作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0为RXD（串行输入口）

P3.1为TXD（串行输出口）

P3.2为INT0（外部中断0）

P3.3为INT1（外部中断1）

P3.4为T0（计时器0外部输入）

P3.5为T1（计时器1外部输入）

P3.6为WR（外部数据存储器写选通）

P3.7为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。

9脚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。

19脚XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

18脚XTAL2：

反向振荡器的输出。

29脚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。

30脚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。

但注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

若想禁止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。

31脚EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间使用外部程序存储器，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，这期间使用内部程序存储器。

三、振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出引脚。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

其可采用石晶振荡和陶瓷振荡两种振荡器件。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应断接。

而当有多余输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

四、芯片擦除：

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管脚处于低电平一段时间来完成。

其在芯片擦操作中，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。

除此之外，AT89C51还设有稳态逻辑，可以在零频率，即静态逻辑的条件下，支持两种软件并可选的掉电模式。

其中在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。

而在掉电模式下，就会保存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。

3.2超声波发射电路设计

原理图如图3-3所示，

图3-3超声波发射仿真原理图

该超声波发射电路采用的是集电极输出放大电路，其工作在开关状态。

其中采用集电极输出是为了增大电路的驱动能力，使其拥有足够大的功率驱动超声波发射器，以发出频率在40kHZ左右的超声波。

它的工作原理具体是首先通过单片机接收到大约为40kHZ的方波信号，然后经过放大管得到足够的放大，激励超声波发射器向一特定方向发射出超声波。

该电路的测量距离不是很长，不过其好在硬件电路很简单，比较符合本次设计的实际情况。

3.3超声波检测接收电路设计

原理图如图3-4所示，

图3-4超声波检测接收电路

该超声波检测接受电路主要是基于集成电路CX20106A设计的，该集成电路是一款用于红外线检波接收的专用芯片,因为其常用在载波频率为38kHz的红外线检波接收的情况下，而这恰恰与设计测距的超声波频率40kHz较为接近,所以可以利用它来制作超声波检测接收电路。

并且通过验证，使用CX20106A来接收超声波信号可以拥有很高的灵敏度和抗干扰能力。

集成电路CX20106A的各引脚作用如下：

l脚：

超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚：

该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值就可以改变前置放大器的增益和频率特性。

3脚：

该脚与GND之间连接检波电容。

4脚：

接地端。

5脚：

该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

6脚：

该脚与GND之间接入一个积分电容。

其容量大小可影响测距长短。

7脚：

遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端。

8脚：

电源正极。

3.4显示模块电路设计

原理图如图3-5所示，

图3-5显示模块电路

该显示电路是采用LED（LightEmittingDiode）动态显示。

LED是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

所以人们经常用它来做显示屏和一些类似的东西。

其一般可分为共阳和共阴两种，即正电平与负电平触发两种形式的LED。

本次设计是采用的共阳的LED七段数码显示灯，二其驱动是是采用的SN74LS164集成电路放大信号驱动LED显示测距结果。

3.5超声波测距系统的硬件电路设计

该系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波从发射到接收往的返时间进行计时，并算出测量结果送入LED动态显示出来。

其优点是因为选用的是AT89C51单片机，其即便宜又易于使用，且片内有4K的ROM，便于编程。

超声波测距系统的硬件电路设计仿真原理图如图3-6所示，

图3-6超声波测距系统的硬件电路设计仿真原理图

3.6本章小结

　　在本章节中首先对采用的AT89C51单片机做了简单的介绍。

之后分别介绍了超声波发射电路、检波接收电路、显示电路及超声波测距原理图组。

　　　可见本章节是整个设计的重要部分！

第4章系统软件的设计

4.1超声波测距仪软件设计

本设计软件程序主要分为主程序、中断服务程序及显示子程序三大部分。

其中主程序完成初始化工作与各路超声波发射和接收顺