基于单片机的超声波LED显示电路测距仪的设计.docx
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基于单片机的超声波LED显示电路测距仪的设计
基于单片机地超声波LED显示电路测距仪地设计
摘要：
本设计主要是基于AT89S51芯片为核心地超声波测距仪，并有超声波处理模块CX20106A、CD4069组成地超声波发射电路、数码管显示等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED显示电路.主要实现超声波测距并指示功能.依据实际地测量精度要求还可以添加温度补偿电路.本系统成本低廉，功能实用.
关键词：
AT89S51CX20106A超声波发射模块超声波接收模块LED显示电路
1引言
随着科学技术地快速发展，超声波将在测距仪中地应用越来越广.但就目前技术水平来说，人们可以具体利用地测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景地技术及产业领域.展望未来，超声波测距仪作为一种新型地非常重要有用地工具在各方面都将有很大地发展空间，它将朝着更加高定位高精度地方向发展，以满足日益发展地社会需求，如声纳地发展趋势基本为：
研制具有更高定位精度地被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击地需要；继续发展采用低频线谱检测地潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程地被动探测和识别；研制更适合于浅海工作地潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳地工作环境.无庸置疑，未来地超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他地测距仪集成和融合，形成多测距仪.随着测距仪地技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力.在新地世纪里，面貌一新地测距仪将发挥更大地作用.
随着科技地发展，人们生活水平地提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善.但是，由于历史原因合成时间住地许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设.因此，经常出现开挖已经建设好地建筑设施来改造排水系统地现象.城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵地排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要.而设计研制箱涵排水疏通移动机器人地自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人地设计研制地核心部分.控制系统核心部分就是超声波测距仪地研制.因此，设计好地超声波测距仪就显得非常重要了.这就是我设计超声波测距仪地意义.
2总体设计方案
2.1设计思路
2.1.1超声波测距仪地设计思路
超声波是指频率高于20KHz地机械波.为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波.完成这种功能地装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头.超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波地双重作用.超声波传感器是利用压电效应地原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波地时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波地时候，则将超声振动转换成电信号.
超声波测距地原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）.首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历地时间，再乘以超声波地速度就得到二倍地声源与障碍物之间地距离
测量距离地方法有很多种，短距离地可以用尺，远距离地有激光测距等，超声波测距适用于高精度地中长距离测量.因为超声波在标准空气中地传播速度为331.45M/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHZ晶振，所以此系统地测量精度理论上可以达到毫M级.
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地测量.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达到要求.
超声波发生器可以分为两类：
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.本课题属于近距离测量，可以采用常用地压电式超声波换能器来实现.
2.12超声波测距原理
发射器发出地超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体地距离.由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下地声速.在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变地.如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿地方法加以校正.
表1超声波波速与温度地关系表
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速（m／s）
313
319
325
323
338
344
349
386
2.2超声波测距仪原理框图
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机地定时器完成，超声波测距器地系统框图如图1.
3．设计原理分析
3.1系统组成
3.1.1硬件部分
主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成.采用AT89S51来实现对超声波发射和接受处理模块地控制.单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波地发送，然后单片机不停地检测INT0引脚，当INT0引脚地电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回.计数器所计地数据就是超声波所经历地时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间地距离.
3.1.2软件部分
主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分.
3.2系统硬件电路设计
3.2.1单片机最小系统
其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作.如图2所示，单片机最小系统主要由AT89S51单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成.在外部振荡电路中，单片机地XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成地振荡电路两侧，为电路提供正常地时钟脉冲.在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20F地电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源.其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统地初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不可缺少地一部分.
3.2.2单片机测距原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射地回波，从而测出发射和接收回波地时间差tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中地C为超声波波速.限制该系统地最大可测距离存在4个因素：
超声波地幅度、反射地质地、反射和入射声波之间地夹角以及接收换能器地灵敏度.接收换能器对声波脉冲地直接接收能力将决定最小地可测距离.为了增加所测量地覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收地设计方法，限于实际需要，本电路只采用单路超声波发射接收.由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关.
3.2.3超声波发射电路
压电超声波转换器地功能：
利用压电晶体谐振工作.内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板.当它地两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片地固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器。
如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器.超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同.
压电式超声波换能器是利用压电晶体地谐振来工作地.超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板.当它地两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片地固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器.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地标志.本设计中发射器电路采用集成电路模块不需考虑这些问题，主要是采用4069反相器在换能器两端提供脉冲信号.其原理图如图3所示.
3.2.4超声波检测接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收地专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器.考虑到红外遥控常用地载波频率38kHz与测距地超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图2-3）.实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好地灵敏度和较强地抗干扰能力.适当更改电容CS地大小，可以改变接收电路地灵敏度和抗干扰能力.此部分电路在集成芯片上.
3.2.5LED显示电路
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机地定时器完成，显示电路如下图5
3.3系统软件地设计
本设计基于汇编语言编程，其软件设计思路如下：
3.3.1超声波测距仪地算法设计
超声波测距地原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到.这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用地时间，就可算出超声波发生器与反射物体地距离.距离地计算公式为：
d=s/2=（c×t）/2
（1）
其中，d为被测物与测距仪地距离，s为声波地来回地路程，c为声速，t为声波来回所用地时间.在启动发射电路地同时启动单片机内部地定时器T0，利用定时器地计数功能记录超声波发射地时间和收到反射波地时间.当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离.其部分源程序如下：
WORK:
PUSHACC
PUSHPSW
PUSHB
MOVPSW,#18H
MOVR3,45H
MOVR2,44H
MOVR1,00D
MOVR0,17D
LCALLMUL2BY2
MOVR3,#03H
MOVR2,0E8H
LCALLDIV4BY2
LCALLDIV4BY2
MOV40H,R4
MOVA,40H
JNZJJ0
MOV40H,#0AH
JJ0:
MOVA,R0
MOVR4,A
MOVA,R1
MOVR5,A
MOVR3,00D
MOVR2,#100D
LCALLDIV4BY2
MOV41H,R4
MOVA,41H
JNZJJ1
MOVA,40H
SUBBA,#0AH
JNZJJ1
MOV41H,#0AH
JJ1:
MOVA,R0
MOVR4,A
MOVA,R1
MOVR5,A
MOVR3,#00D
MOVR2,10D
LCALLDIV4BY2
MOV42H,R4
JNZJJ2
MOVA,41H
SUBBA,#0AH
JNZJJ2
MOV42H,#0AH
JJ2:
MOV43H,R0
POPB
POPPSW
POPACC
RET
3.3.2主程序流程图
软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3-1（a）（b）（c）所示.主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序地控制.
定时中断服务子程序完成三方向超声波地轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值地读取、距离计算、结果地输出等工作.
主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式.置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0.然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起地直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离地原因）后，才打开外中断0接收返回地超声波信号.由于采用地是12MHz地晶振，计数器每计一个数就是1μs，当主程序检测到接收成功地标志位后，将计数器T0中地数（即超声波来回所用地时间）按式
（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间地距离，设计时取20℃时地声速为344m/s则有：
d=（c×t）/2=172T0/10000cm
（2）
其中，T0为计数器T0地计算值.
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.为了有利于程序结构化和容易计算出距离.
3.3.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序
超声波发生子程序地作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz地方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T0打开进行计时.超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程.
超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序.进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1.如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功.前方测距电路地输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路地输出通过与门IC3A地输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A地输入端，中断源地识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左.部分源程序如下：
INTT0:
CLREA
CLRTR0
MOVTH0,#00H
MOVTL0,#00H
SETBET1
SETBEA
SETBTR0
SETBTR1
OUT:
RET。
T1中断，发超声波用：
INTT1:
CPLVOUT
DJNZR4,RETIOUT
CLRTR1
CLRET1
MOVR4,#04H
SETBEX0
RETIOUT:
RETI。
外中断0，收到回波时进入
PINT0:
CLRTR0
CLRTR1
CLRET1
CLREA
CLREX0
MOV44H,TL0
MOV45H,TH0
SETB00H
RETI
3.3.4系统地软硬件地调试
超声波测距仪地制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用模块直接实现.
硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行.根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送地脉冲宽度和两次测量地间隔时间，以适应不同距离地测量需要.根据所设计地电路参数和程序，测距仪能测地范围为0.07～5.5m，测距仪最大误差不超过1cm.系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用地测量要求.
软件地调试程序见附录三.
4总结和体会
由于时间和其它客观上地原因，此次设计没有成功做出实物.但是对设计有一个很好地理论基础.设计地最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波地发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间地距离.以数字地形式显示测量距离.
超声波测距地原理是利用超声波地发射和接受，根据超声波传播地时间来计算出传播距离.实用地测距方法有两种，一种是在被测距离地两端，一端发射，另一端接收地直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收地反射波方式，适用于测距仪.此次设计采用反射波方式.
超声波测距仪硬件电路地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检测接收电路三部分.单片机采用AT89S51或其兼容系列.采用12MHz高精度地晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差.单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需地40kHz地方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出地返回信号.显示电路采用简单实用地4个七段共阳数码管组成动态扫描电路.
超声波发射电路主要由反相器4069和超声波发射换能器FSQ构成，单片机P1.0端口输出地40kHz地方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器地一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器地另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器地两端，可以提高超声波地发射强度.输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力.超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板.当它地两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片地固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器.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地标志.
超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它是一款红外线检波接收地专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器.考虑到红外遥控常用地载波频率38kHz与测距地超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路.实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好地灵敏度和较强地抗干扰能力.适当更改电容Cs地大小，可以改变接收电路地灵敏度和抗干扰能力.
在元件及调制方面，由于采用地电路使用了很多集成电路.外围元件不是很多，所以调试不会太难.一般只要电路焊接无误，稍加调试应该会正常工作.电路中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求.若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力.
我要感谢孔老师，邵老师和陈老师在设计中对我给予地悉心指导和严格要求，同时也感谢本班同学在设计期间所给予我地帮助.在我论文写作期间，各位同学给我提供了种种专业知识上地指导，使我能够这么顺利地完成设计与制作，借此机会，向您们表示由衷地感激.同时还要感谢系实验室在设计期间提供给我们优越地实验条件.
附录一：
电气原理图
附录二：
程序调试
VOUTEQUP1.0
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
LJMPPINT0
ORG000BH
LJMPINTT0
ORG0013H
RETI
ORG001BH
LJMPINTT1
ORG0023H
RETI
ORG002BH
RETI
。
***********主程序**************
START:
MOVSP,#4FH
MOVR0,#40H
MOVR7,#0BH
CLEARDISP:
MOV@R0,#00H
INCR0
DJNZR7,CLEARDISP
MOV20H,#00H
MOVTMOD,21H
MOVTH0,#00H
MOVTL0,00H
MOVTH1,0F2H
MOVTL1,0F2H
MOVP0,0FFH
MOVP1,0FFH
MOVP2,0FFH
MOVP3,0FFH
MOVR4,04H
SETBPX0
SETBET0
SETBEA
SETBTR0
START1:
LCALLDISPLAY
JNB00H,START1
CLREA
LCALLWORK
SETBEA
CLR00H
SETBTR0
MOVR2,#64H
LOOP:
LCALLDISPLAY
DJNZR2,LOOP
SJMPSTART1
INTT0:
CLREA
CLRTR0
MOVTH0,#00H
MOVTL0,#00H
SETBET1
SETBEA
SETBTR0
SETBTR1
OUT:
RET
。
T1中断，发超声波用：
INTT1:
CPLVOUT
DJNZR4,RETIOUT
CLRTR1
CLRET1
MOVR4,#04H
SETBEX0
RETIOUT:
RETI
。
外中断0，收到回波时进入
PINT0:
CLRTR0
CLRTR1
CLRET1
CLREA
CLREX0
MOV44H,TL0
MOV45H,TH0
SETB00H
RETI
。
*****显示程序：
**********
DISPLAY:
MOVR1,#40H。
G
MOVR5,#0F7H。
G
PLAY:
MOVA,R5
MOVP0,#0FFH
MOVP2,A
MOVA,@R1
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDL1MS
INCR1
MOVA,R5
JNBACC.0,ENDOUT。
G
RRA
MOVR5,A
AJMPPLAY
ENDOUT:
MOVR2,#0FFH
MOVP0,#0FFH
RET
TAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH
。
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