超声波测距Word文件下载.docx

1、电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40kHZ2kHZ。频率稳定性好，不需作任何调整，并由T40-16作为换能器发出40kHZ的超声波信号。电感L1与电容C2调谐在40kHZ起作谐振作用。本电路适应电压较宽（312V），且频率不变。电感采用固定式，电感量5.1mH。整机工作电流约25mA。40kHZ超声波发射电路（4） 40kHZ超声波发射电路之四，它主要由四与非门电路CC4011完成振荡及驱动功能，通过超声换能器T40-16辐射出超声波去控制接收机。其中门YF1与门YF2组成可控振荡器，当S按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡频率，应为40kHZ。振荡信号分别控制由YF4

2、、YF3组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4一定输出低电平；YF3输出低电平时，YF4输出高电平。此电平控制T40-16换能器发出40kHZ超声波。电路中YF1YF4采用高速CMOS电路74HC00四与非门电路，该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA），效率高等。电路工作电压9V，工作电流大于35mA，发射超声波信号大于10m。40kHZ超声波发射电路（5） 40kHZ超声波发射电路之五，由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路

3、工作电压9V，工作电流4050mA。LM555可用NE555直接替代，效果一样。双稳态超声波接收机电路 由于单稳态接收机无记忆功能，所以不能用在家用电器的开与关中，适用面不宽。是一种双稳态超声波接收机电路，它的前级电路同图2-186电路完全一样，只是执行电路不同。 电路中，由VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次（发射机工作一次），触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，当VT6从截止状态转变成导通状态时，VD5截止，VT7截止，继电器K释放； 当再来一个触发信号时，VT6由导通转变为截止状态，VD5导通，VT7导通，继电器K吸合.由

4、于增加了双稳电路，使之用于电灯、电扇、电视等电器遥控成为现实。调试时，在a点与+6V（电源）之间用导线快速短路一下后松开，继电器应吸合（或释放），再短路一下松开，继电器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件参数。一般情况下一次即可成功。单稳式超声波接收器电路 单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1VT3组成的高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，控制VT4、VT5组成的电子开关带动继电器K工作。由于该电路仅作单路信

5、号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。可用作无线遥控摄象机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。电路中VT1200，VT2150，其他元件自定。如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的值与电容C4的容量是否偏差太大。经实测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上。在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压3V，静态电流小于10mA。超声波测距电路设计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。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简

6、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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。二、 超声波测距原理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

7、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、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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器了。 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

8、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为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2 图1 超声波传感器结构这就是所谓的时间差测距法三、 超声波测距系统的电路设计图2 超声波测距电路原理图本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压

9、电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。puzel： mov 14h, #12h；超声波发射持续200mshere： cpl p1.0 ；输出40kHz方波 nop ；nop ；djnz 14h，here；ret前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。2、超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对的UCM4

10、0R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的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：receive1：pu

11、sh psw push acc clr ex1 ；关外部中断1jnb p1.1, right ；P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序jnb p1.2, left ；P1.2引脚为0,转至左测距电路中断服务程序return：SETB EX1；开外部中断1pop accpop psw reti right： ；右测距电路中断服务程序入口ajmp return left；左测距电路中断服务程序入口ajmp return3、计算超声波传播时间在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负

12、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：RECEIVE0：PUSH PSWPUSH ACCCLR EX0 ；关外部中断0MOV R7, TH0 ；读取时间值MOV R6, TL0CLR CMOV A, R6SUBB A, #0BBH；计算时间差 MOV 31H, A ；存储结果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A? SETB EX0 ；开外部中断0 POP ACC? POP PSW RETI 四、超声波测距系统的软件设计 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3

13、（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的控制。 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。 五、结论 对所要求测量范围30cm200cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为0.5cm，且重复性好。可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。因此，它不仅可用于移动机器人，还可用在其它检测系统中。用AT89C2051设计超声波测距仪摘要：本文介绍了AT89C2051单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距原理的基本上，指出了设计测距仪的思路和所需考虑的

14、问题，给出了实现超声波测距方案的软、硬件设计系统框图。该设计系统经校正后，其测量精度可达0.1米。关键词：超声波 换能器 测距 AT89C2051超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。本文介绍一种以AT89C2051或GSM97C2051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。实际使用证明该仪器工作稳定，性能良好。1 超声波测距原理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的回波，从

15、而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表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。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如图1所示。2 AT89C2051的功能特点AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C

16、2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0t Timer1。

17、作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。表1 声速与温度关系表 温度（） |-30 |-20 |-10 |0 |10 |20 |30 |100 | 声速（米/称） |313 |319 |325 |323 |338 |344 |349

18、 |386 |充分利用AT89C2051的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。3 系统硬件电路设计超声波测距仪的硬件电路如图2所示。AT89C2051通过外部引脚P1.6输出脉冲宽度为250s，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发射的同时，P1.7输出一个高电平启动，给电容C4充电。发射结束时高电平翻转为低电平，C4开始对R2、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回

19、波送到比较器的正输入端。发射时P1.7输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。图3是超声波测距原理的波形图，从图中可以看到，测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LCD上显示出来。当然还可以设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。限制系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度，反射而的质地，反射而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的可测距离。4 系统软件设计AT89C2051单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进

20、行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。超声波测距仪就是用AT89C51单片机开发设计的。它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、查蟓接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。图4和图5分别为主程序和测量子程序的框图。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在液晶屏上显示出来必须指出的是，由于液晶要使用同一P3口，所以必须全部使用位操作，否则将导致LCD不能正常显示。另外，在系统还可以加入温度传感器来监测环境温度，把表1所列的数据做到程序中可进行温度被偿。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用一些特殊措施。限于篇幅，下面仅给出部分程序，感兴趣者可与作者联系。5 结束语虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用AT89C2051单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。该系统经实际测试证明，可以满足大多数场合的测距要求。