基于单片机的超声波测距仪

1、基于单片机的超声波测距仪学 校： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 2011 年 03 月摘 要随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的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的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和

2、识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，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。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。本设计采用以AT89C51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。整个电路采用模块化设计，由主程序、中断程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能

3、。并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，用四位LED数码管显示距离和温度。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。关键词：AT89C51，超声波，温度补偿，测距ABSTRACTWith the rapid development of science and technology, ultrasonic application in rangefinder more and more widely. But as to the present technical level speaking, people can specific use range finde

4、r technology is still very limited, so, it is a booming and have unlimited prospects technologies and industrial fields. Looking to the future, ultrasonic rangefinder as a kind of new typed is very important and useful tools in all respects will have a very big development space, it will move toward

5、 greater high positioning precision direction, to meet the growing needs of society, such as the development of the trend of the development of basic sonar developed for: higher positioning accuracy of passive location, in order to satisfy the water sonar concealed weapon the need of implementing th

6、e attack; Continued development of low frequency spectrum detection by submarine towed linear array sonar, realize super remote passive detection and recognition; Development is more suitable for the submarine sonar offshore work, especially solve shallow water target recognition; To reduce the nois

7、e, improve submarine submarine sonar working environment. Undoubtedly, the future of the ultrasonic rangefinder will and automation intelligent community, and other rangefinder integration and fusion, formed much rangefinder. As rangefinder progress of technology, rangefinder with simple judgment fu

8、nction from the development to have learning function, eventually develop to an creativity. In the new century, face a new rangefinder will play a bigger role. The design USES AT89C51 with low cost, high precision, miniaturization digital display ultrasonic rangefinder hardware circuit and software

9、design method. The whole circuit USES modular design, by the main program, interruption program, launch subroutines, receiving subroutines, display subroutines etc module. The probe signal SCM comprehensive analysis, And in data processing adopted temperature compensation adjustment, with four LED d

10、igital pipe display distance and temperature. realizing the functions of ultrasonic ranger. Based on the overall scheme of the designed system, finally realized by hardware and software modules.Keywords:AT89C51, Ultrasonic wave, Temperature compensation, Measure distance目 录第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题研

11、究的意义11.3 论文结构2第2章 超声波测距原理32.1 超声波简介32.2 超声波测距原理3第3章 方案论证53.1 设计思路53.2 系统结构设计6第4章 主要元件介绍74.1 单片机AT89C5174.2 超声波传感器T40、R4094.3 温度传感器DS18B20104.4 时钟芯片DS1302114.5 CX1602A接受处理芯片12第5章 硬件电路设计145.1 超声波发射电路145.2 超声波接收电路145.3 显示电路155.4 电源电路175.5 复位电路175.6 时钟电路185.7 温度传感器电路19第6章 软件设计206.1 主程序流程206.2 子程序设计256.2

12、.1 超声波发送子程序及超声波接收中断子程序256.2.2 测温子程序266.2.3 时钟芯片驱动程序306.2.4 显示子程序356.2.5 键盘扫描和音乐程序37第7章 软件调试系统仿真及电路板制作387.1 软件编译调试环境Keil387.2 Keil工程文件的建立、设置与目标文件的获得387.2.1 Keil工程的建立387.2.2 工程的详细设置407.2.3 编译、连接427.3 系统仿真环境Proteus427.4 系统仿真437.4.1 Proteus工作界面437.4.2 Proteus原理图的绘制437.4.3 仿真447.5 PCB图的制作457.6 误差及特性分析47结

13、 论48参考文献49致 谢51附录1 实物图52附录2 总体电路图53附录3 程序清单主程序（子程序在上面都列出）54第1章 绪论1.1 课题研究的背景随着社会和科学技术的发展，测量技术上也有了很大的改进，以前都是直接测量或是接触测量，这种原始的测量方式在当今的许多场合都已经无法是有，这里也就应用而生了许多间接测量的办法，比如有的用数学知识，三角函数的办法去测一个高楼或是山的高度，这就用到了间接测量，经过计算得到了结果，这也是无接触测量的一种，但这种方法还是有许多局限性，比如测量液体液面的高低，特别是动态的，用人工测量难度重重，特别是金属溶液，下水道污水等，通常人们用激光或是超声波测量，在考虑

14、到成本和实用性，对精度追求不是很高的情况下，我们会选择超声波测距，例如箱涵排水疏通移动机器人的核心部分就是超声波测距仪。另外，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更

15、适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题。毋庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器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。1.2 课题研究的意义在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种

16、因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。1.3 论文结构论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。第2章先就超声波测距的原理进行介绍，并提出了提高测距的精度的方案温度补偿，且描述了其具体补偿方式。第3章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，并得出了系统结构框图。第4章介绍了设计中需要用到的主要器件，且因其在本设计的作用不同而详尽程序亦不同。第5章从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。第6章先给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释

17、。程序编译及系统仿真也是本文的一个要点，所以特别分出一章来详细介绍了程序编译的环境和编译的步骤以及仿真的环境和部分仿真的效果图。第2章 超声波测距原理2.1 超声波简介我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为15兆赫。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。在医学，军

18、事，工业，农业上有明显的作用。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位。利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。2.2 超声波测距原理超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波

19、的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离D为 式中 c超声波的传播速度； 超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。由上式可得，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1s,不会产生累积误差，使定时间达到1s。超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为 式

20、中 气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。 R气体普适常数，为8.314kg/mol。T气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。M气体相对分子质量，空气为28.810-3kg/mol。c00时的声波速度，为331.4m/s。由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系，如表2.2.1所示。温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0时的速度为332m/s，30时的速度为350m/s，相差18m/s。因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/

21、s。表2.2.1超声波传播速度与温度关系表项目数值温度-30-20-100102030405060100声速/( ms)313319325332338344350356361367388第3章 方案论证3.1 设计思路 测量距离方法有很多种，短距离可以用尺，远距离有激光测距等，超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。 目前比较普遍的测距的原理：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距

22、离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。 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。由于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，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精

23、度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。所以，8051是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真

24、、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C51单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用CX20106A芯片对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率40KHZ，则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”，这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差

25、降到更低限度；AT89C51还控制显示电路，用动态扫描法实现LED或LCD数字显示。3.2 系统结构设计超声波测距仪系统结构如图3.2.1所示。它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、温度传感器、键盘、LED显示电路及电源电路组成。系统主要功能包括：1) 超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；2) 检测空气温度用于距离计算的补偿；3) LED或LCD显示器显示距离、温度；4) 键盘接收用户命令并处理；5) 当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位。6) 时钟芯片用于性能扩展键盘输入复位电路电源电路超神波接受电路温度传感器DS18B20时钟芯片DS1302AT89

26、C51LCD或是LED显示超声波发射电路T40R40图3.2.1系统设计总框图第4章 主要元件介绍4.1 单片机AT89C51单片机即单片微型计算机SCMC（Single Chip MicroComputer）。它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。相对于普通微

27、机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器EMCU（Embedded Microcontroller Unit)。本设计的MCU采用的是DIP（Dual In-line Package塑料双列直插式）封装的AT89C51高性能8位单片机。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes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-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强

28、大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如右图4.1.1。AT89C51的引脚功能有： 图4.1.1 AT89C51的引脚图1) 主电源引脚VSS第20脚，电路接地电平。VCC第40脚，正常运行和编程校验+5V电源。2) 时钟源XTAL1第19脚，一般

29、外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。当直接采用外部信号时，此引脚应接地。XTAL1第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。3) 控制、选通或复用RST/VPD第9脚，RESET复位信号输入端口。当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。在VCC掉电期间，此引脚(即VPD)可接通备用电源，以保持片内RAM信息不受破坏。第30脚，输出允许地址锁存信号。当单片机访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。在非访问外部存储器期间

30、，ALE仍以1/6振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。第29脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 信号不出现。：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存端状态。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的

31、编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。4) 多功能I/O端口P0口第3239脚，8位漏极开路双向I/O端口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口第18脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。P2口第2128脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。当单片机访问存储器时，用做高8位地址总线；在对片内程序存储器（EPROM型）进

32、行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。P3口第1017脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。它还提供特殊的第二变异功能。它的每一位均可独立定义为第一功能的I/O口或第二变异功能。第二变异功能的具体含义如表4.1.2： P3口的第二变异功能端口引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2 （外中断0）P3.3 （外中断1）P3.4T0 （定时/计数器0）P3.5T1 （定时/计数器1）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）表4.1.24.2 超声波传感器T40、R40图4.2.1超声波是指频率高于20kHz的机械波。超声

33、波在恒定环境条件下的传播速度不变。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成接收器和发送器。超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成，当压电晶片的两极加上频率等于其固有谐振频率的脉冲信号时，压电晶片产生共振，并带动共振板产生振动，同时带动压电晶片也一起振动，将机械能转换为电能，称为超声波接收器。超声波传感器利用压电效应进行电能和超声波机械能的相互转换，也称为超声波换能器。超声波发射换能器与接

34、收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志，但外观基本一致。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。本设计采用的就是发送超声波传感器T40及接收超声 波传感器R40,其外观如图4.2.1。4.3 温度传感器DS18B20温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜

35、热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而增加）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而下降）。本设计采用的是美国Dallas 半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。DS18B20支持“一线总线”接口

36、（1-Wire），测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20采用3脚TO-192封装（图4.3.1）： DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下：1) 适用电压为3V5V；2) 912位分辨率可调，对应的可编程温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625；3) TO-92、SOIC及CSP封装可选；4) 测温范围：-55125；5) 精度：-1085范围内0.5；6) 无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起；7) 每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待

37、。图4.3.1 PR-35封装图4.4 时钟芯片DS1302DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚分配如图4.4.1所示及内部结构如图4.4.2所示。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意

38、义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。图4.4.1 DS1302的外部引脚分配图4.4.2 DS1302的内部结构各引脚的功能为： Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2 Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。 SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出； I/O：三线接口时的双向数据线； CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。4.5 CX1602A接受处理芯片CX1602A芯片是索尼公司生产的一款用于处理红外线信号的芯片，由于其处理的中心频率在38KHZ和超声波

39、的频率40KHZ非常接近，所以我们选这块芯片来处理超声波的接受信号，各引脚如图4.5.1所示。图4.5.1 CX20106的引脚图各引脚的功能：1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚： 该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7，C1=1F。3脚： 该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高

40、，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4脚： 接地端。5脚： 该脚与电源间接入一个电阻，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。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚： 遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8脚： 电源正极，4.55.5V。第5章 硬件电路设计5.1 超声波发射电路超声波发射电路原

41、理图如图5.1.1所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P2.4端口输出的40kHz的方波信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，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。前级的三极管电路是用于电路的稳定的作用，也是提高电路对高低电平的判断让74LS04工作在导通和断开作用。图5.1.1 超声波发射电路原理图5.2 超声波接收电路超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。超声波传感器接收到的反射波信号非常微

42、弱，两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求。锁相环CX20106内部压控振荡器的中心频率由5脚的电阻大小决定，一般接上200K电阻使锁相环的中心频率为40kHz，只响应该频率的信号，避免了其他频率信号的干扰。当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz，则从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。超声波接收电路如图5.1.2所示。图5.1.2 超声波接收电路5.3 显示电路显示电路如图5.3.1和图5.3.2所示，我用的是1602

43、A的液晶显示器，单片机的P0口接显示器的并行数据口上，P2.5 P2.6 P2.7分别接显示器的RS RW E控制端口，1602A有216位的数字和字母及特别字符显示位，这对数据的显示极为方便，可以同时显示时间温度距离等，使功能有很大的提高，让超声波测距仪功能不再单一。图5.3.1 显示电路图图5.3.2 显示事物图5.4 电源电路电源电路如图5.4.1所示。为方便起见，本设计采用的是9V电池供电，直流电送入三端稳压器LM7805稳压，输出+5V稳恒直流电，作为电路的电源。电容C7 C8 是高频低频滤波电容，LED是电源指示灯，通电后发光。图5.4.1 电源电路5.5 复位电路AT89C51复

44、位有一个专用的外部引脚RESET，外部可通过此引脚输入一个正脉冲使单片机复位。所谓复位，就是强制单片机系统恢复到确定的初始状态，并使系统重新从初始状态开始工作。本设计采用的是电平式开关与上电复位电路，为了能使运行中的系统，经人工干预，强制系统进行复位。其电路图如5.5.1所示：图5.5.1 复位电路5.5 时钟电路时钟电路是扩展的一个模块，在不用超声波测距仪的时候，用户可以看一下时间，当做时钟一样去用，其中时钟可以校时，定时闹钟等功能，这样更能方便用户的使用，这也是电子产品功能多样化的一个发展方向，如图5.6.1所示，就是时钟芯片DS1302的电路图，DS1302是用SPI总线结构，所以电路图

45、接线就比较的简单，在电路中扩展这样一块芯片，不会增加电路的难度，也非常的实用。图5.6.1时钟电路5.7 温度传感器电路这里采用的是DS18B20温度采集传感器，此传感器的体积非常的小，用起来也非常的方便，采用的是TO-192三极管的封装，虽然体积小，但是功能非常的强大，特别是它采用的单总线结构，使硬件电路变得非常简单，如图5.7.1所示，同时增加了软件驱动程序的复杂程度，这种硬件裁剪转化为软件的补偿，也是非常符合现在节约的方法的。图5.7.1 温度传感器电路第6章 软件设计6.1 主程序流程我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而

46、超声波测距仪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语言和汇编语言混合编程。因为本设计对时间要求精度较高的部分全部由单片机内部的定时器完成，而虽然温度传感器的读写对时间精度要求也高，但经详细计算所得出的C程序已被广泛应用，故直接借用已有程序也能作到对温度的准确读取，所以本设计全部使用C语言编程，这样能使设计中所用到的公式能方便快捷的体现和实现，又缩短了论文的篇幅。软件采用模块化设计方法，由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断子程序、温度测量子程序、距离计算子程序、显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成。系统上电后，对液晶显示器，

47、时钟芯片，温度传感器和系统内部用的资源进行初始化，初始化完以后，显示器上固定显示是时间，温度，年月日，还有星期，如图6.1.1所示，同时系统也在不停的扫描三个按键，S2，S3，S4，这三个按键是复用的，他们之间的逻辑关系有点复杂，但每个按键都有其主要的功能，S2是进入超声波测距模式的按键，S3是进入校时模式的按键，S4是进入闹钟定时模式的按键，下面对每一种模式进行详细的讲解：图6.1.1 主界面当按下S2时，系统进入超声波测距模式，屏幕第一行前半部分显示的是距离，单位是厘米（CM），后半部分显示的是当前的温度，如图6.1.2所示，当再次按下S2时，系统开始测距的一些列工作，把测量计算出来的距离

48、显示出来，每次按下S2时候，都重新始测量显示数据，当按下S3时候，系统就退出了超声波测距模式，重新回到时间模式。图6.1.2 超声波测距模式当按下S3时，系统进入的是时间校时模式，这时屏幕上会有跳动的光标，从时间的时分秒开始，如图6.1.3所示，按下S2时，光标跳动的那一位自动加一，不停的按下，会出现循环加一，按下S3时，光标调到下一位，一次类推，直到校完所有的数据，当最后一次按下S3时，系统将输入的新数据写入DS1302时钟芯片中，然后自动退出校时模式。如果在校时的过程中，按下S4，系统将强制退出校时模式，所输入的新数据也不会被写入时钟芯片中，此键是用于误入校时模式时，强制退去所用的。图6.

49、1.3 校时模式当按下S4时，系统将进入定时模式，第一行显示所要设定的时间，同样会有光标跳动，第二行显示set beep time !，如图6.1.4所示，按下S2时候，光标跳动的那一位数字加一，不停按下，数字循环加一，按下S4时，光标跳到下一位，以此类推，当按下最后一次S4时候，系统将所设定的数据写入DS1302的静态RAM中，然后自动退出定时模式，S3强制退出键，功能不再赘述。图6.1.4 定时模式由于我们这个设计的主题就是关于超声波测距的，所以这里我们把第一部分拿出来重点再讲一下，当单片机工作工作在主界面时候，内部就不停的采集温度，然后经过公式计算得到当前的声速，也就说声速是一个动态的量

50、存在于单片机的RAM中，当按下S2，系统进入超声波测距模式时，单片机就采集了这个量，去完成下面的操作，下面是给出的超声波模式的一个流程图，这让读者更直观的了解超声波模式的工作情况。NYNYYN按下S2采集温度显示测量距离根据温度和时间计算距离发射超声波，T2计时S3闭合？T2停止定时，保存定时值接收到反射波？S2闭合？超时报错退出到主界面超声波模式工作流程图超声波模工作式流程图6.2 子程序设计6.2.1 超声波发送子程序及超声波接收中断子程序超声波发生子程序的作用是通过P2.4端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T2打开进行计时，定时器T2

51、工作在方式1。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T1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T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成功，出现超时会报错。超声波发射程序：while(again=1)/超声波发射IE0=0;EX0=1;TR1=1;for(a=0;a200;a+)fashe=!fashe;kong();again=0;超声波接收（外部中断0）程序：void int_0(void)interrupt 0ulong COUNT;ulong num;TR1=0;EX0=0; IE0=0;COUNT=TH1*256+TL1;num=(sound_speed*COUNT)/20000;/*换算成厘米*/qwei=num/1000;bwei=(num-qwei*1000)/100;shwei=(num-(qwei*1000+bwei*1