基于51单片机超声波测距系统方案.docx

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基于51单片机超声波测距系统方案

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：

2010年12月25日目录

一、设计任务和性能指标

1.1设计任务

利用单片机与外围接口电路（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）。

测距围：

25CM到400CM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，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一样，因而用途也各不一样。

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瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电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与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。

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与显示电路、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的工作电压围

·全静态操作：

0Hz－24MHz

·两级加密程序存储器

·128×8字节部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

·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，置—个精密比较器，片振荡器与时钟电路。

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，串行通信口与断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的容，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与显示电路、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与超声波发送头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与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（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。

图3-4：

显示单元图

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、超声波接收程序与显示子程序组成。

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2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。

4.3超声波测距程序流程图 

4.4超声波测距程子序流程图

五.调试与性能分析

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，在测量围能否正常显示。

如果一直显示“---”，则需将下限值增大。

本测距板1S钟测量两次，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4.00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。