基于51单片机超声波测距器的设计

摘要 由于现代生产要求，人们发现需要实现无接触式的生产测距，而超声波测距是一种性能良好的测距方式，主要应用于倒车雷达、工地以及一些工业现场，本文设计了一种以 AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化 LED 显示超声波测距仪，并使用一些常用芯片如：74LS04 等。系统由单片机、超声波发 射电路、超声波接收放大电路以及显示电路构成。由芯片 AT89S51 控制计算超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。本系统具有易检测、 软件功能完善， 工作可靠、准确度高等优点。 本文论述了单片机技术研制成功的超声波测距仪 的基本原理，测量计算方法，实现方案。采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。实际使用表明，极大的提高了安全性 、可靠性和准确度。 关键词 ：测距仪 ； 超声波 ； 传感器 ； 单片机 Abstract Because of modern production requirements, it was discovered that the need to achieve the production of non-contact distance measurement, and ultrasonic distance measurement is a good performance of the ranging approach is mainly used in reversing radar sites as well as some industrial field, this paper designed a to AT89S51 MCU as the core of the low-cost, high-precision, micro-LED display of ultrasonic range finder, and use some commonly used devices such as: 74LS04, etc. System consists of microcontroller, ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver amplifier circuit and display circuit. Chip AT89S51 control calculation by the ultrasonic transmission from transmit to receive time and hence the distance to be under test. The system has easy to detect, the software fully functional, reliable, high accuracy advantages. This paper discusses the successful development of microcomputer technology, the basic principles of ultrasonic range finder, measurement method of calculating implementations. Use of software calibration, improved accuracy and machine reliability. The actual use of that greatly improves safety, reliability and accuracy. Keywords: distance meter； ultrasonic ；sensor；microcontroller 目录 摘要 . Abstract . 第 1章 概述 . 1 1.1设计的现状 . 1 1.2设计的思路 . 1 1.3设计的重点与难点 . 1 第 2章 超声波测距的原理 . 2 2.1超声波的介绍 . 2 2.1.1 什么是超声波 . 2 2.1.2 超声波的特性及特点 . 2 2.1.3 超声波的应用 . 2 2.2超声波测距器的原理 . 3 2.2.1 超声波发生器 . 3 2.2.2 压电式超声波发生器的原理 . 3 2.2.3 超声波测距的原理 . 3 第 3章 系统设计 . 6 3.1 系统设计 . 6 3.2芯片 AT89S51 介绍 . 6 3.2.1AT89S51 单片机的概述 . 6 3.3传感器的选取 . 8 3.3.1 传感器的定义及作用 . 8 3.3.2 传感器的特性 . 9 3.3.3 传感器的选用 . 9 3.4系统硬件电路设计 . 10 3.5测距显示电路的设计 . 11 3.6超声波发射电路的设计 . 12 3.7超声波接收电路的设计 . 13 3.8探测电路的设计 . 13 3.9 系统软件设计 . 14 第 4章 系统调试 . 17 4.1软硬件的调试 . 17 4.2仪器精度分析及如何提高超 声测距精度 . 17 总结 . 20 致谢 . 21 参考文献 . 22 附录 1 硬件电路 . 23 附录 2 程序 . 24 1 第 1 章 概述 1.1 设计的现状 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，并且显示距离也比较困难，操作使用也不是很方便，而 本设计 研究的测距器 成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提 高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意 义， 在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车 。 本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位，甚至还能防止盗贼扒车 。 1.2 设计的思路 本 系统的设计思想是采用以 AT89S51 单片机为核心，来设计一种低成本、高 精度、微型化数字显示超声波测距仪。 超声波测距可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 LED 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。限制的最大可测距离存有四个因素 :超声波的幅度，反射面的质地，反射面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。 根据设计要求并综合各方面因素，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，超声波驱动信号可以用单片机的定时器和计数器来完成。 1.3 设计的重点与难点 本设计的任务是设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量范围在 0.10-4.00m，测量精度 1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，能够手工设定报警量值。 系统组成的设计：各部分硬件的选取很有讲究，要十分合理。 设计的难点是： 1、 超声波信号的接收 、 发射的设计 2、 显示 电路设计 3、 流程图及程序的设计 2 第 2 章 超声波测距的原理 2.1 超声波的介绍 2.1.1 什么是超声波 声波是物体机械振动状态（或能量）的 传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指频率高于 20KHz 的 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 的 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 的 双重作用。超声波传感器是利用压电效应 的 原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波 的 时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波 的 时候，则将超声振动转换成电信号。 2.1.2 超声波的特性及特点 超声波具有如下特性： 1、 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2、 超声波可传递很强的能量。 3、 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4、 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声波 具有 的特点 ： 1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应 ） 。 （治疗） 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）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。超声波以直线方式传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此， 利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播速度较慢，为 340m/s，这就使得超声波使用变得非常简单。 2.1.3 超声波的应用 超声波测距主要应用与倒车雷达、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。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人视觉系统设计的精确与否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用作测距传感器，实现定位以及环境建模。超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统（如 CCD 图像传感器）配合使用，可实现整个视觉 3 功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防 撞与安全预警系统，包括毫米波雷达、 CCD 摄像机、 GPS和高档微机等。据海外媒体报道，戴姆勒 克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车 (尤指卡车 )使用的电子刹车系统，它利用车载前视雷达感应器探测前方景物，由车载控制器处理这一感知信息而形成虚拟景象，由此来判断当前路况是否需要启动自动刹车装置 。 2.2 超声波测距器的原理 2.2.1 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。电气方式包括电压型、 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发生器。 2.2.2 压电式超声波发生器的原理 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。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。 2.2.3 超声波测距的原理 超声波测距 的 原理一般采用渡越时间法 TOF（ time of flight） 。 它通过不断检测超 声 波发射后遇到障碍物所发射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 T，然后求出距离 S。一般采用渡越时间法：即 S=CT/2，其中 S 为测量点与被测物体之间的距离， C 为声波在介质（此处为空气）中的传播速度， T 为超身波发射到返回的时间间隔。 由于超声波也是一种声波，其声速 C 与空气温度有关，一般来说，温度每升高 1 摄氏度，声速增加 0.6 米秒。下表列出了几种温度下的声速： 表 2.1 声速与 温度的关系表 温度（摄氏度） 30 20 10 0 10 20 30 100 声速（米秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速 C 是基本不变的，计算时取 C 为 340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正，为了节省成本、减小电路的复杂性、提高电路的稳定性，本文采用编写软件改进算法的方法加以校正。如果环境温度变化显著 ,则必须考虑温度补偿问题 。空气中声速与温度的关系可表示为： )/(6.04.3 3 116.2 7 3 16.2 7 345.3 3 1 smTTc (式 2-1) 4 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 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 的测量。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 的 压电式超声波换能器来实现。 利用超声波测距原理，测量低速行 驶车辆与飞机的距离，当车辆与飞机的距离小于安全距离时，发出声光报警，并显示车辆与飞机之间的距离，提醒驾驶员及时采取减速、制动等措施，从而达到避免车辆与飞机碰撞、拖挂等事故。整个系统由超声波发射、超声波接收、 51 单片机系统和声光报警、距离显示等设备组成。如图 2-1 所示 图 2-1 超声波测距报警装置原理框图 发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器及超声换能器组 成。 单脉冲发生器在振荡器的每个周期内都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，来自单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声换能器发射超声波。 接收部分由超声换能器、接收放大器和编码解调器组成。接收到的超声波反射信号经超 声换能器转换、放大、解调后，送到单片机系统进行处理，并通过距离显示器显示车辆与飞机之间的距离，当该距离小于设定的告警距离时，启动报警系统报警。 在多台车辆同时作业时，某台车辆发射的超声波信号可能被其它车辆接收，从而因造成 系统混乱而产生误报。为解决这一问题，系统对不同的车辆 进行不同的编码调制，使每辆车只能接收到其本身发射的信号。 为有效消除干扰，编码解调采用积累检测解调。 V1 为被放大后的含有干扰的接收信号，经门限检测电路与门限电压 V0 比较后输出脉冲 V2（当 V1 V2 时，输出脉冲，反之无输出）。单稳电路 1 和单稳电 路 2 相互配合与或非门共同构成一个可以重新触发的单稳电路，通过此单稳电路，实现对脉冲序 列的延时积累，其输出为 V3， V3 经积分器积分后输出 V4，最后经整形电路整形后输出， V5 并送入单片机处理。 系统中的发射和接收部分由单片机控制轮流工作。在单片机编码发送完毕后，即 转入接收状态，同时关闭发射部分的单脉冲发生器；当接收一定时间后再转入发射状态重发编码时 ，同时关闭接收放大器。因此，为保证测距正确，接收时间必须根据实际量程来限高频振荡 单脉冲 发生器 编码 调制 编码解调 距离显示 声光报警 超声波换能器 功放 51 单片机 系统 收 发 转换 接收放大 超声波换能器 5 制时，众所周知，声波传播的距离 s、速度 c 及传播时间 t 之间的关系为： s=c t 。若系统量程为 5m，则接收时间 T 应满足： msT 4.2934 05*2 (式 2-2) 6 第 3 章 系统设计 3.1 系统设计 本设计采用 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的定时器和计数器来完成，超声波测距器的系统框图如图 3-1 所示 ： 图 3-1 超声波测距器系统的框图 系统框图中的单片机 AT89S51 用来协调各个单元，超声波接收电路用来接收要接收的信号，超声波发射电路用来发射需要发射的信号，存储器用来存储接收的信号，用数码管 LED 显示距离 。 3.2 芯片 AT89S51 介绍 3.2.1AT89S51 单片机的概述 由于此单片机应用在测距仪上，所以本设计选用 了 低功耗、低价格、小管脚 (40 脚 )的 AT89S51单片机 。如图 3-2所示 ： 图 3-2 AT89S51芯片引脚图 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80S51 引脚结构， AT89S51具有 40 个引脚， 4k Bytes Flash 片内程序存储器， 128 Bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时器 计时器 调制器 接收检测 声电换能 振荡器 电声换能 障 碍 物 控制 显示器 7 定时计数器 ,2 个全双工串行 通信口，看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。 引脚功能介绍 1.Vcc：电源电压。 2.GND：地。 3.P0 口： P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动 8 个 TTL。 逻辑门电路，对端口写： “ 1” 可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 Flash 编程时 ， P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 4.P1 口： P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路，对端口写 “ 1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ IIL）。 Flash 编程和程序校验期间， P1 接收低 8 位地址。 表 3-1 P1口的功能 端口引脚 第二功能 P1.5 MOSI（用于 ISP 编程） P1.6 MISO（用于 ISP 编程） P1.7 SCK （用于 ISP 编程） 5.P2口： P2是一个带有内部上 拉电阻的 8 位双 I/O口， P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL 逻辑门电路。对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ IIL）。 Flash编程或校验时 ， P2亦接收高位地址和其它控制信号。 6.P3口： P3口是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口， P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL逻辑门电路。对 P3口写入“ 1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低 的 P3口将用上拉电阻输出电流（ IIL）。 P3口除了作为一般的 I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 3.2所示 表 3.2 P3口的功能 8 端口引脚 第二功能 P3.0 PXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外中断 0） P3.3 INT1（外中断 1） P3.4 T0（定时 /计数器 0） P3.5 T1（定时 /计数器 1） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器写选通） 7.RST：复位输入。当振荡 器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。 DISRTO 位缺省为 RESET 输出高电平打开状态。 8.ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器， ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 9.EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平（接 Vcc 端）， CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程电压 Vpp。 10.PSEN：程序储存允许（ PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期为两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有 两次有效的 PSEN 信号。 11.XTAL1：振荡器反相 放大器及内部时钟发生器的输入端。 12.XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 3.3 传感器的选取 3.3.1 传感器的定义及作用 一、 广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会 (IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为： “传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号 ”。按照 Gopel 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元 件 ”，而 “传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字 )能力的传感器 ”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测信号输入的第一道关口。 二、传感器的作用 9 1.信息的收集； 2.信息数据的交换； 3.控制信息的采集。 3.3.2 传感器的特性 1、灵敏度高、可靠性强、稳定性好； 2、防尘耐湿、耐高低温、耐冲击、耐振动等严酷环境条件； 3、收发兼用，使用方便。 3.3.3 传感器的选用 超声波传感器千差万别，即使对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，应此，要根据需要选用最适宜的传感器。 本设计综合考 虑了测量条件、传感器的性能和传感器的使用条件三个方面，选用MA40S2R 接收器和 MA40S2S 发送器。传感器的标称频率为 40KHz,这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。超声波传感器的符号及等效电路如图 3-3 图 3-3 传感器符号及等效电路图 超声波传感器的带宽较窄，大部分在标称频率附近使用，为此，要采用措施扩展频带，比如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率要大 ，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整与阻抗匹配。 图 3-4为 MA40S2R/S 传感器的频率特性，由图知，发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免溢出标称频率。 图 3-4 传感器频率特性 图 3-5为 MA40S2R/S 传感器的方向性特性，传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏 10 度 ,因此，适用于物体检测与防范报警装置等。 图 3-5 传感器方向性特性 图 3-6表示传感器的温度随频率的变化特性，对于这种传感器，温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。 图 3-6 温度频率特性曲线图 图 3-7表示阻抗随频率变化的特性。 图 3-7 阻抗频率特性曲线图 经分析可知，频率为 40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，同时，为了方便处理，发射的超声波被调制成 40KHz左 右、具有一定间隔的调制脉冲信号。 3.4 系统硬件电路设计 本设计采用 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 11 波驱动信号用单片机的定时器和计数器来完成，超声波测距器的系统原理如图 3-8 所示，部分硬件电路图见附录一。 AT89S51 通过外部引脚输出一个脉冲群，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，输出一个高电平启动，进行充电。发射结束时高电平翻转为低电平，并开始对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波送到比较器的正输入端。发射时输出的高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。超声波测距可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，再从 LED 上显示。我们还可以设置若干个键，用来控制电路的工作状态。限制的最大可测距离存在四个因素 :超声波的幅度，反射面的质地，反射面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。 图 3-8 理想状态下超声波测距原理 3.5 测距显示电路的设计 LED 数码显示管有两种，一种是共阳极数码管，其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成；另一种是共阴极数码管，其内部是由四个阳极相连接的发光二极管组成。二者原理不同但功能相同。其外形和内部结构如图 3-9 所示： 图 3-9 LED的管脚和电路原理 共 阴极 LED 数码显示块的发光二极管阴极连接在一起，形成该模块的公共端（通常称为位选端），因此称为共阴极 LED 数码显示器， 8 个数码管的另一端通常称为段选端，当显示器的公共端接低电平，某个发光二极管的阳极接高电平时，该发光二极管被点亮；而共阳极 LED 数码显示管是将二极管的阳极连接在一起，形成共阳极 LED 数码显示块的 12 公共端，该公共端必须接高电平，同理在共阳极 LED 数码显示 块中如某个发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管被点亮。 用单片机驱动 LED 数码管分为静态显示和动态显示。 静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制 LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。静态显示的数据稳定，占用的 CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 接口，该接口用于笔划段字型代码。这样单片机只要把显示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形。要显示新的数据时，单片机再发送新的数据。 另一种方法是动态扫描显示。由于单片 机本生具有较强的逻辑控制能力，所以采用动态扫描软件译码并不复杂。而且软件译码其译码逻辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑限制。采用动态扫描软件译码地方式能大大简化硬件电路结构，降低系统成本。它用分时地方法轮流控制各个显示器地 COM 端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。 静态显示数据稳定，占用很少的 CPU 时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较少；动态显示需要 CPU 时刻对 显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的 CPU 时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。 本设计的显示电路采用四个共阳 LED 四位数码管 ，位码用 PNP 三极管驱动。 如图3-10 所示。 图 3.10 测距显示电路 3.6 超声波发射电路的设计 发射电路主要由 74LS04 和超声波换能器构成，单片机 P1.0 端口输出 40KHz 方波信 13 号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高发射强度。如图 3-11 所示。 图 3.11 超声波发射电路 3.7 超声波接收电路的设计 超声波接收电路主要 CX20106A 和超声波换能器构成， CX20106A 是一款红外的专用芯片，考虑到红外遥控常用的载波频率 38KH与测距的超声波频率 40KHZ较为接近，故利用它制作超声波检测接收电路，如图 3.12 所示。 图 3.12 超声波接收电路 3.8 探测电路的设计 物体探测电路可以用光电传感器来制作。但光电传感器不能探测透明的物体。红外线传感器在探测物体时需要有象人和动物那样与周围有一定的温度差这个条件。超声波传感器则不受这些条件的限制 ，对于透明的或其它物体都可以探测。超声波传感器探测物体有直接探测方式与反射探测方式。 直接探测方式的接收 /发射器要相互配置。如果接收到超声波（有信号电压）时，说 14 明接收 /发射器中间没有被测物体。反之，接收不到超声波（无电压信号）时，则中间有被测物体。发射探测方式的接收 /发射器可以较近配置，有反射波时，说明存在被测物体。发射探测方式的接收 /发射器有单独使用与共用两种方式，共用方式就是一个超声波传感即用作接收器，也用作发送器，但需要收发切换电路。 具体区别如表 3-3 所示。 表 3-3 传感器探测物体的区别 配置方式 用途 特征 直接型 遥控 探测物体 1：探测灵敏度可自由 设定，易于设计； 2：设置场所需要在两 处； 反射方式 探测物体 测量距离 1：需要从 T 向 R 直接 迂回输入的对策； 2：可使用 T 和 R 专用 的传感感器，效率高； 3：多用于近距离； 反射方式（兼用型） 探测物体 测量距离 1：需要发送接收切换电路 2：不能近距离测量； 3.9 系统软件设计 本设计 就是 以 AT89S51 单片机 为核心。它采用模块化设计，由主程序、发射子程序 、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。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数码管上显示出来。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 AT89S51 单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。 为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用一些特殊措施。主程序框图如下图 3-13。 T R T R T/R 15 图 3-13 主程序框图 超声波发生子程序 的 作用是通过 P1.0 端口发送 2 个左右 的 超声波信号频率约 40KHz的 方波，脉冲宽度为 12us 左右，同时把计数器 T0 打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（ INT0 引脚出现低电平 )，立即进入中断程序。进入该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。 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。如图 3-14 和 3-15。 单片机初始化 开始 定时中断子程序 有回波吗 外部中断子程序 结束 16 图 3-14 定时中断子服务子程序 图 3-15外部中断服务子程序 计算距离 读取时间值 关外部中断 外部中断入口 返回 开外部中断 结果输出 定时中断入口 停止发射 发射超声波 定时器初始化 返回 三方向均发射完否 17 第 4 章 系统调试 4.1 软硬件的调试 超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器TCT40-10F1（ T 发射）和 TCT40-10S1（ R 接收），中心频率为 40kHz， 安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 4 8cm，其余元件无特殊要求。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。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波 电容 C4 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 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的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为 1 60cm，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的测量要求。 4.2 仪器精度分析及如何提高超声测距精度 本 章将要 分析温度对超声波声速的影响，超声波回波检测对超声波传播时间的影响，超声传感器所加脉冲电压对测试精度的影响。在此基础上，设计了超声 波数字 测距仪。实验表明，注意以上三方面的因素能够提高超声测距精度。 超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。从原理上讲，超声测距有脉冲回波法、共振法 和频差法。其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间 ts，在已知超声波声速 Cs 的前提下，可计算被测物的距离 S，即 ： S=CT/2 由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。本章 从引起超声测距误差的原因入手，分析了温度对超声波声速的影响；回波检测对时间测量的影响和超声传感器所加电压对测量精度和范围的影响。在 此基础上，开发出 了以AT89S51 单片机为核心，采用 40KHz 压电超声传感器，应用 广泛的 超声测距仪。空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。例如： 20 时， T=293.15， CS=344.2 m/s； 40 时， T=313.15， CS=355.8 m/s； -20 时 , T 253.15， CS=319.9 m/s；从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气 中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律 。 设在距离超声接收器 x 处有被测物，超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率 18 的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数 (万倍级 )和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测 。 制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声测距常用压电材料传感器，例如 TR40 压电超声传感器。超声传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变 S 与外加电场强度 E 的关系为： S=dE， 其中 d 为应变电场常数。超声传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。系统设计 针对温度、回波和所加脉冲电压 对超声测距精度的影响，在设计超声测距仪时，从硬件和软件两方面综合考虑，设置了发射、接收和显示 几 部分构成了超声测距仪的系统结构。整个装置的中心控制和信号处理单元为单片机 AT89S51，超声传感器采用 TR40(40 kHz)收发超声传感器。 发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生 40KHz脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路，由单片机 P1.1 口控制其是否工作。发射电路主要任务是提高脉冲电压的幅值，它主要由脉冲变压器和开关管构成。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声 传感器。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。 接收电路的主要任务是检测回波，并向单片机发出中断以停止计时。接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。接收电路的主体是滤波放大电路。 由于超声回波信号十分微弱并含有噪声， S/N 较小，所以接收电路设置了两级高 Q值的滤波放大电 路。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。 软件设计 ： 超声测距仪软件控制着系统的工作。 软件修正利用下面公式： S=CT/2 在完成系统设计和制作装置后， 对设计的电路进行了超声测距实验。发射的脉冲数应选择合适，脉冲个数多时，发射换能器可以克服其振动惯量而获得充分的振动，其它声波模式影响较小，发射的超声脉冲能量大；但此时测距的盲区也大 (测距盲区指的是可以测量的最小距离 )，一般选择由 8 个脉冲组成。电路在 6 米处的测量结果，幅值较小，测量过程中曾出现掉电现象，功率管发热严重，这 说明功率消耗比较大。可以看出，本电路的测量距离明显提高，而且管子基本没有发热现象，电源保持稳定。可见，本电路的设计由于经过较严格的推导，器件选择合理，各参数得到优化，改善了换能器与功放间的阻抗匹配。 19 转换效率得到明显提高。电路控制方便，性能表现良好，在距离 9 5m 处仍能得到较清晰的回波，使大范围的超声测距成为可能。 使用脉冲回波法测量距离，在考虑温度对声速度的影响、回波检测对超声传播时间的影响以及超声传感器所加电压对压电转换效率的影响时，超声测距精度可以提高。所以在制作超声测距装置时，应增加温度测量环节，设计 高放大倍数和高 Q 值的滤波放大电路，并提高加在超声传感器上的电压幅值。 20 总结 本设计系统采用了美国 ATMEL 公司生产的 单片机 AT89S51 芯片。以及其它常用芯片如： 74LS04、 CX20106A 等 来 设计 超声波的接发收电路 ，实现 了超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。系统设计 具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小。 在经多次的实践中超声波测得的距离还不是很长，还应该在这方面大大研究改进，使其功能更加完善并在各个地方中得到广泛的应用 。 21 致谢 本次毕业设计能够成功的完成，要特别感谢许勇刚老师的教导，我 从他身上学到了很多东西，他认真负责的工作态度， 严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我受益非浅。 在此 我还要感谢在设计过程中所有给予我真诚热情帮助的老师和同学，才使我能顺利完成设计。 最后，也要感谢各位老师能抽出时间来对我的毕业设计进行评论，谢谢！ 22 参考文献 【 1】 贾伯年 . 传感器技术 . 南京 : 东南大学出版社 , 2000 【 2】 阎石 . 数字电子技术基础 . 北京 : 高等教育出版社 , 1998 【 3】 赵晶 . Protel 99 高级应用 . 北京 : 人民邮电出版社 , 2000 【 4】 周学 毛 . 汇编语言程序设计 . 北京 : 高等教育出版社 , 1997 【 5】 李叶紫 . MCS-51 单片机应用教程 . 北京 : 清华大学出版社 ,2002 【 6】 马西秦 . 自动检测技术 . 北京 : 机械工业出版社 , 2002 【 7】 楼然苗 . 51 系列单片机设计实例 . 北京 : 北京航空航天大学出版社 ,1999 【 8】 罗万钧 . 汇编语言程序设计 . 陕西 : 西安电子科技大学出版社 ,1995 【 9】 刘守亦 . 单片机应用技术 . 陕西 : 西安电子科技大学出版社 ,1995 【 10】 肖 玲尼 . Protel 99 SE 印刷电路 . 北京 : 清华大学出版社 , 2003 【 11】 梁立编 . 程序设计基础与 C 语言 . 陕西 : 西安电子科技大学出版社 ,1998 23 附录 1 硬件电路 24 附录 2 程序 IC :AT89S51 OSCCAL :XT (12M) speak equ p1.1 ；* ；* 中断入口程序 * ；* ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH reti ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI ； ；* ；* 主 程 序 * ；* START: MOV SP,#4FH MOV R0,#40H ；40H-43H为显示数据存放单元（ 40H为最高位） MOV R7,#0BH CLEARDISP: MOV R0,#00H INC R0 DJNZ R7,CLEARDISP MOV 20H,#00H MOV TMOD,#11H ；T1 为 T0为 16位定时器 MOV TH0,#00H ；65 毫秒初值 MOV TL0,#00H MOV TH1,#00H MOV TL1,#00H MOV P0,#0FFH MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV P3,#0FFH MOV R4,#04H ；超声波肪冲个数控制（为赋值的一半） SETB PX0 SETB ET1 SETB EA SETB TR1 ；开启测距定时器 start1: LCALL DISPLAY JNB 00H,START1 ；收到反射信号时标志位为 1 CLR EA LCALL WORK ；计算距离子程序 clr EA MOV R2,#32h；#64H ； 测 量 间 隔 控 制 （ 约4*100=400MS） LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2,LOOP CLR 00H 25 setb et0 mov th0,00h mov tl0,00h SETB TR1 ；重新开启测距定时器 SETB EA SJMP Start1 ； ；* ；* 中断程序 * * ；* T1中断，发超声波用 ；T1中断， 65毫秒中断一次 INTT1: CLR EA CLR TR0 clr ex0 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV TH1,#00H MOV TL1,#00H SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ；启动计数器 T0，用以计 intt11: CPL VOUT ；40KHZ nop nop nop nop nop nop nop nop nop DJNZ R4,intt11 ；超声波发送完毕， MOV R4,#04H lcall delay_250 ；延时，避开发射的直达声波号 SETB EX0 ；开启接收回波中断 RETIOUT: RETI ；外中断 0，收到回波时进入 PINT0: nop jb p3.2,pint0_exit CLR TR0 ；关计数器 CLR EA ； CLR EX0 ； MOV 44H,TL0 ；将计数值移入处理单元 MOV 45H,TH0 ； mov th0,#00h mov tl0,#00h jnb p3.2,$ SETB 00H ；接收成功标志 pint0_exit: RETI ； ；* ；* 显示程序 * ；* ； 40H为最高位， 43H为最低位，先扫描高位 DISPLAY: MOV R1,#40H；G MOV R5,#7fH；G 26 PLAY: MOV A,R5 MOV P0,#0FFH MOV P2,A MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DL1MS INC R1 MOV A,R5 JNB ACC.4,ENDOUT；G RR A MOV R5,A AJMP PLAY ENDOUT: MOV