超声波在高精度测距系统中的应用

1、目 录摘要 AbstractII第1章绪论11.1 课题研究的意义11.2 超声波测距的应用及发展现状11.2.1 超声波测距的应用11.2.2 超声波测距的发展概况2第2章 超声波测距的基本原理42.1 超声波的基本特点42.2 超声波传感器52.2.1 超声波传感器的分类52.2.2 压电式超声波传感器工作原理62.3 超声测距原理6第3章 超声波高精度测距系统的关键技术方案83.1超声波测距的方法83.2盲区处理93.3测量精度的问题- 10 -3.3.1 影响测量精度的因素- 10 -3.3.2 提高测量精度的措施- 12 -第4章 超声波高精度测距系统设计- 13 -4.1 超声波高

2、精度测距系统总体组成- 13 -4.2 超声波高精度测距系统的工作原理- 13 -4.3 超声波高精度系统各部分硬件组成- 13 -4.3.1 C8051F040单片机特点及外围电路的设计- 13 -4.3.2 超声波发射电路- 17 -4.3.3 超声波接收电路- 18 -4.4超声波显示电路- 20 -4.5 超声波高精度测距系统的软件设计- 21 -4.5.1 系统软件设计原理- 21 -4.5.2 系统软件设计框图- 25 -4.5.3单片机的C程序设计- 27 -总结- 37 -参考文献- 38 -致谢- 39 -附录- 40 -超声波在高精度测距系统中的应用摘 要超声波测距是一种非

3、接触式的测量方式,与其它方法相比(如电磁的或光学的方法),它不受光线、被测对象颜色的影响，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，研究超声波在高精度测距系统中的应用具有重要的现实意义。 在本文中，首先阐述了超声波测距的发展及应用，超声波传感器，超声波测距的基本原理，超声波侧距系统的关键技术以及如何提高超声波测距的精度。然后设计一个小型的超声波高精度测距系统，详细论述了超声波测距系统的整体结构设计和工作原理，超声波发射与接收一体电路的实现，单片机C8051F040的特点以及单片机的外围电路和相应的集成开发环境，以及相关程序的设计。关键词：超声波，单片

4、机，高精度测距 Apply of The Ultrasonic Ranging in The High-precision RangingAbstract Ultrasonic ranging is a kand of non-contact styled manner, compared with other methods(for instance electromagnetic or method of optics), it is not affected by light,color of the object, as to examining the thing is in dar

5、k, has dust , smog, interferes , poisonous etc. having certain adaptive capacity electromagnetically under the abominable environment.So,study the apply of the Ultrasonic Ranging in the High-precision Ranging has important reality meanings.This article, first introduces the development and applicati

6、on of ultrasonic ranging, the basic working principle of ultrasonic sensors and ultrasonic ranging, the core technologies of ultrasonic ranging system and the methods of how to improve the ranging precision of ultrasonic distance measurement system. And then, through designing a small high-precision

7、 ultrasonic ranging system, this article discusses the structure and the working principle of ultrasonic ranging system in detail. This article also analyses the implementation of transmit-receive circuit, the characteristics of C8051F040 singlechip, and the singlechip's peripheral circuit and t

8、he development environment of such integrated circuit and its programme.Keyword：Ultrasonic，Singlechip， High-precision Ranging第1章 绪论1.1 课题研究的意义随着现代社会的发展，对测量的精度的要求越来越高，而超声波的速度相对于光速要小得多，其传播的时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，所以利用超声波的高精度性的测距技术得到了越来越广泛的应用。超声波高精度测距是一种利用超声波的可定向发射、指向性好等特性、结合电子计数等微电子技术来实现的非接触式检测方

9、式，在使用中不受光线、电磁波、粉尘等因素影响，加之信息处理简单、成本低、速度快，在避障、车辆的定位与导航、液位测量等领域应用更为广泛。因此，研究超声波高在精度测距系统的应用具有重要的现实意义。1.2 超声波测距的应用及发展现状1.2.1 超声波测距的应用利用超声波来实现定位是蝙蝠等生物作为防御和捕捉猎物的手段，生物体可以发射出人们不能听到的超声波（20KHz以上的声波），借助空气或其它介质传播。通过捕捉障碍物反射回来的时间间隔长短和反射回来的信号强弱来判断反射物的类型及距离的远近。超声学是近年来发展十分迅速的一门技术，人们采用仿真技能，利用超声波，已应用在很多方面。超声技术可分为检测超声和功率

10、超声，作为检测用的超声波显然属于检测超声的范畴1。检测超声主要是利用超声的信息载体作用，即通过超声在媒质中的传播、吸收、散射、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。利用超声对目标进行检测有其独特的优点2：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，几乎沿直线传播；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波对色彩、光照度不敏感，对外界光线和电磁干扰不敏感，可以用于黑暗、有烟雾或灰尘、电磁干扰强等恶劣的环境中；超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。正因为超声波有着这些独特的优点

11、，在国民经济和国防中越来越被人们所重视。目前，超声波已广泛应用在民用及国防工业中。例如，用超声波可以探测海洋潜艇的位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置；利用超声波传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物的反射来确定物体内部损伤的位置，称之为无损探伤；利用超声波测距辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预先规划好的行进方向来完成预定任务。另外还有应用于矿井探测、液面探测、物位的测量、汽车报警等领域。超声波测距主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技术难度相对较小，成本比

12、较低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业实用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用。1.2.2 超声波测距的发展概况超声波测距虽然被大量应用于各种工业领域，但他在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距条件下会产生相互影响，另外测距的盲区较大，这些固有的特点也限制其进一步广泛应用。在目前使用的超声测距技术中，应用最多的是Pellam 和Galt于1946年提出的脉冲回波检测法3，其原理是通过超声传感器发射超声波，并接收从被测目标反射回来的回波信号，确定超声脉冲从发射到接收的时间，然后再根据超声波传播的速度，计算出超声波传

13、感器与被测物体之间的距离。为了提高超声波位移检测的精度，国外在这方面做了大量的研究45，国内的一些学者也做了相关的研究。厦门大学的童峰研究了一种回波轮廓分析法。提出在超声测距系统中，测距误差也即声脉冲传输时间的测量误差，实际上是对测距脉冲回波前沿的检测误差。根据声波的发射，反射及传输理论推出了测距回波包络曲线的近似方程，并用实验验证了这个方程，据此提出了一种高精度超声波测距的信号处理方法，通过这样处理后超声波的传输时间的精度得到了很大提高6。中国科学院上海声学实验室的王润田提出，超声波频率高，衰减系数大，传播的距离短，因此用来测距的超声波频率不能太高；但另一方面频率低，波长就长，测距的误差就增

14、大，实际上测量精度与测距范围是矛盾的。为了在一个较远距离的范围内提高测距的精度，王润田提出，在测距时同时发射两个频率的超声波，频率较高的进行近距离的测量，频率较低的进行远距离的测量，这样就实现了在较远范围内提高测距精度。东南大学无线电工程系研究了窄带超声传感器对测距精度的影响，采用了基于横向滤波器的解卷积的处理方法使接收信号的带宽得到了扩展，并利用最小均方误差算法构造了解卷积滤波器。实验结果表明，这种处理方法有效提高了系统的测距精度。意大利的Carullo等人提出了一种自适应系统，采用特殊的发射波形使获得的回波包络比较理想，同时估测环境对噪声的影响，设置一定的回波阈值电平，且采用自动增益的控制

15、放大器，通过这些措施来提高超声波的测量精度。日本三菱电气公司的Tomonori等人采用两种的发射频率来发射超声波，通过比较两种回波的相位来决定回波的起点，也提高了传播时间的精度，从而提高了超声波的测距精度。另外也有大量的文献资料介绍了采用小波变换理论来提高传输时间的精度和数字信号处理技术，这些处理方法对于提到测距精度都有较好的效果。第2章 超声波测距的基本原理超声测距是一种非接触式的检测技术。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、灰尘、烟雾、电磁干扰，恶劣环境下有一定的适应能力。而且超声波测距系统具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此超声波作为非接触测量手段，越来越引起人们

16、的重视。2.1 超声波的基本特点超声波也是一种声波，简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言谐振频率高于20KHz的声波被称为超声波。1. 超声波传播的速度超声波的传播速度随介质的特性不同而改变。理论上，声波在13的海水里的传播速度为1500m/s，在25的空气中传播的速度为344m/s，在0时空气中的速度为334m/s。介质的温度、湿度、气压都影响超声波的传播速度，其中温度是影响超声波速度的主要因素，它和温度的关系可以用公式表示为：C=331.45+0.61t(m/s)。在实际应用中，如果温度变化很小，则可以认为声速是基本不变的。但是如果测距精度要求很高，则应采取相应的措施，

17、对声速加以校正。当确定声速后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。2. 超声波的衰减声波在介质中传播时，其强度会随着传播距离的增加而逐渐减弱，这种现象称为超声波的衰减。超声波的衰减主要有以下三种主要类型：吸收衰减、扩散衰减和散射衰减。其中，吸收衰减主要是由于介质的粘滞性造成一部分声能转换为热能，从而导致的超声波损耗；扩散衰减则是由声源特性引起的，是由于声波在传播过程中因波前的扩展而产生的能量损失；散射衰减是由于声波在遇到介质界面时，向不同的方向产生散射，从而损耗声波的能量，导致声波减弱。若声源辐射的是球面波(波阵面是同心球面)，其波阵面随的r平方增大，声强随r平方规律减弱。声波与电磁波的描

18、述方程是类似的，可表示为： （2-1）上式中，为振幅，为传播角频率，为传播距离，为传播时间，为波数，为超声波的波长。由于声波的衰减，会随传播距离的变化而变化。声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律3。对沿方向传播的平面波而言，由于不需要计算扩散衰减，则的变化规律可以由下式表示： （2-2）为声源处质子振幅，为不变量；为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为： （2-3）其中，为介质常数，为振动频率。超声波在空气中传播，由于空气分子运动摩擦等原因，会产生热量，能量被吸收损耗，在长度，平面声波的振幅衰减为原来的。而且，频率越高，衰减系数越大，传播的距离也越短4。在实际的应用中，

19、当选用超声波的频率的时候，要考虑到声波衰减对测距范围的影响。本文中我们的测距属于中近距离测量，所以选用频率较高的125KHz超声波，提高测距精度。 3. 超声波的回波假设超声波传播的介质是空气，任何物体都能反射、折射、吸收一部分通过它自身的声波，其比例取决于物体自身的特性。障碍物表面的尺寸、形状、方位是都影响反射波的强度，一部分声波发射到达障碍物的表面后被反射，一部分则进入物体，在物体中传输，最终遇到物体界面从而被反射。2.2 超声波传感器超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声波探头或超声波换能器。这种装置能发射超声波和接收超声波，并转换成相应的电信号。2.2.1 超声波传感器的分类要利

20、用超声波，首先要设计和制作超声波传感器。当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度的不同，在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象，利用超声波的这种性能就可制成超声传感器。它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。超声波换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能（机械能）转换为电能。超声换能器的种类很多，总体上讲超声波传感器可以分为两大类：一类是电气方式产生超声波，一类是机械方式产生超声波。电气方式包括压电式、电动式、电磁式和电致伸缩式等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超

21、声波的频率、功率和声波特性各有不同，因而用途也各不相同。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文中超声波测距系统选用的就是压电式超声波传感器。2.2.2 压电式超声波传感器工作原理压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振来工作的。当压电体受到应力作用时，能在材料表面产生与所受应力成正比的电位差的现象压电效应及其逆压电效应，实现超声波声压与电压之间的信号(或能量)转换。压电式超声波传感器内部结构是由两个压电晶片和一个共振板构成。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，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，并推动周围介质，从而产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，

22、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。2.3 超声测距原理超声波传感器发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算得从探头到障碍物的距离。根据所用探头的工作方式，可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。单探头方式就是探头发出的超声波在介质中传播，遇到障碍物反射后返回至同一探头而被接收。如图2-1所示，探头到障碍物的距离为S，测距表达式为： （2-4）式中：S为所测障碍物的距离，c为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发送到接收所经过的时间。从上式

23、可看出，只要已知声速c，就可以靠准确测量时间t的方法来精确测量距离S。图2.1 单探头测距原理图双探头方式是一个探头只负责发射超声波，另一个探头只负责接受反射回来的超声波。如图2-2所示，H 为两个探头之间的距离，声速从探头至障碍物的路径为D，而探头至障碍物的距离为S，则： （2-5） （2-6）式中：D为声速从探头至障碍物的路径，c为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发到收所经过的时间，S为探头至障碍物的距离，H为两个探头之间的距离。图2.2双探头反射式测距示意图在应用中一般发射探头与接收探头之间的距离很近，当探头与障碍物的距离较远时，D与2S相差很小，可以忽略不计，即所求的D就为所测探

24、头与障碍物之间的距离。一般来说，单探头自发自收的工作方式是优先考虑采用的方式，这是因为：第一，单探头方式中计算距离的公式比较简单，而双探头方式的计算公式中都须进行一些修正；第二，探头多了，占地就多，所用的接插件和电缆等附件的数量都增多，出现故障的可能性也相应增大。从经济、安装和维修等各个角度来看，都较不利。第3章 超声波高精度测距系统的关键技术方案 这一章主要介绍超声波高精度测距系统中的关键技术，提出了影响测距精度的几个关键因素，并且提出了解决方案。3.1超声波测距的方法超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同介质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，

25、就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有以下几种测距方法：1. 脉冲回波检测法超声波传感器向空气中发射超声波脉冲，器中心频率为传感器的工作频率，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，遇到障碍物就立即返回，超声波接收器接收到反射波后就立即停止计时。2. 声波幅值检测法声波幅值检测法是检测回波的幅度大小，判断距离，输出脉冲的平均电压值（该电压的幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可得到距离。但是信号在传输过程中并不能保持其幅值一直固定不变，声波幅值检测法易受反射波的影响。3. 相位检测法通过检测反射回波与发射波之间相差多少相位，判断距离。相位测距法经常结合

26、渡越时间法来实现，超声波传感器发射一个序列的脉冲，测量时，先由第一回波脉冲到达时间决定被测距离所包含的整数波长个数n，然后在通过相位测量来确定余量，最后计算被测距离，表达式如式所示： （3-1） （3-2）式中，为测距余量，为超声波波长，为接收信号与发射信号之间的相位差，为被测距离值。这种测距方法所需的电路一般比较复杂。4. 基于小波变换的方法利用小波变换的时频局部化性质，对超声回波弱信号特征进行提取，能够得到较好的边缘信号，完成超声回波信号前沿的精确定位。比较以上四种测距方法：相位检测法最精确，但是测量距离也较短，电路复杂；小波分析的方法在改善信噪比的同时，还保持了很高的时间分辨力，具有准确

27、度高、抗噪声性能好等优点，但是这种方法具体实现较为复杂；声波幅值法最简单最廉价，也最不精确；脉冲回波检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现，测量距离、精度也都不错，所以应用比较广泛。故在系统中选用脉冲回波检测法。3.2盲区处理超声波是由压电晶片振动产生的，压电晶片的振动是由信号控制的，当信号停止的同时，晶片由于惯性要等一段时间才能停下来，之后才能接收回波信号，这段时间内超声波传感器仍然在发射信号，因此不能接收回波信号，故称之为盲区。当发射超声波时，虽然发射信号只保持一个很短的时间，但停止发射信号后，超声波探头上还存在一定的余振，因此在发射信号停止后的一段时间内，加在回

28、波检测电路输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到电路的限幅电平。另一方面超声波探头上接收到的反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近处的障碍物发射信号也达不到电路的限幅电平。当障碍物离探头越来越远时，接收信号与发射信号相隔时间越来越长，发射信号的幅值也相应地越来越小。在超声波检测中，接收信号的衰减程度设计的比发射信号余振的衰减慢得多，如图中实线所示。图3.1 测量盲区示意图为了保证有一定的信噪比，接收信号的幅值规定了一个阀值，也就是说接收信号的幅值必须大于这一阀值时才能使回波接收电路有输入信号。从图中可见，从b点以后接收信号将低于阀值，这相当于所测距离的最大值。从图中的a点以后，接收信号

29、才开始比发射信号大，但还将与发射信号相互迭加，较难分辨，因此这段时间内不能进行测量。从图中的c点以后，发射信号己低于阀值，接收信号才基本上摆脱了发射信号的影响而能明显地分辨出来。所以在要求较高时，把oc这段时间规定为盲区时间。从距离上说，可根据盲区时间和声速，求得盲区距离。因此，oc为盲区时间，cb为可测范围，b为可测距离的最远点。对盲区问题普遍处理办法是对绕射虚假信号作屏蔽，而屏蔽办法多种多样。可以从硬件上屏蔽，也可以从软件上采用信号滤波，或者延时接收。如果从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，采取关闭中断的方法，从而不会发生中断申请，躲避绕射干扰。这种方法优点是处理简洁，故本系统就选

30、用这种办法。3.3测量精度的问题3.3.1 影响测量精度的因素在测距公式中，声波在介质中的传播速度c是一个受多种因素影响的变量，声时t是由计时电路测量得到的，并随着被测距离的改变而变化的，对式(2.4)两边微分得到 （3-3）式(3-3)说明，超声波测距系统的测量精度是由声时和声速两个参数决定的。1声时的影响修正在影响声时精度的诸多因素中，计时电路的计时频率和超声波的发射频率有是两个重要因素。(1) 计时电路的计时频率取为常数，则（3-3）为： (3-4)假设计时频率为，则(3-3)为 (3-5)(3-5)表明：计时电路的计时频率越大，测试精度越高。(2) 超声波频率超声波传感器收到回波信号后

31、转换为电信号输出，电信号（接收信号）的幅值随时间的变化规律如图3-2所示。如果将触发计时电路的阀值设为A点所在的水平电信号，那么，计时电路的计时时间比接收信号的开始时间滞后了2个周期，在测量距离时将产生1个波长的误差，即： （3-6）式中：T为超声波的周期，为测量距离内将产生的误差；图3.2 接收信号示意图所以，超声波频率越大，周期就越小，传感器的测量精度越高。并且超声波频率高，绕射能力弱，扩散角小，波束细，则盲区比较小。但在选用超声波换能器时，还应考虑到超声波换能器的频率越大，传播过程中的衰减系数越大，将影响它的有效测试距离。本系统属于近距离测量，因此选用频率较高的125KHz 超声波。式(

32、2-4)明：超声波测距系统在测量距离时，必须知道超声波在介质中的传播速度，才能根据计时值中求出所测物体的距离。超声波的传播速度是一个变量，受多种因素影响，即使在传播介质确定的情况下，介质温度、压力、风力等因素的改变，也将影响超声波的传播速度。所以，在超声波测距系统的实际应用中，很难得到一个稳定不变的超声波速度，因此必须对超声波的速度进行实时校正。对于在大气中传播的声波而言，引起声速变化的主要原因是温度的变化。(1) 温度传感器校正如果传播介质比较稳定，而且温度是影响传播速度的最主要因素，那么就可以采用温度传感器对超声波速度进行实时校正。校正方法：通过试验确定在传播介质中超声波速度与温度之间的关

33、系曲线，按照一定的温度间隔得到一个温度与速度的关系表格，最后将温度与速度的关系表存入超声波测距系统的软件系统。在实时测距时，系统通过温度传感器获得介质的实时温度，然后从速度与温度关系表格中取出对应速度，（如下表3.1所示数据）从而清除温度对超声波的影响，则求出实际测试距离。表3.1 超声波的传播速度与温度关系温度/-30-20-100102030100声速m/s3133193253333383443503883.3.2 提高测量精度的措施针对上述测量精度的影响因素，采取如下措施可以提高超声波测距传感器的测量精度。1. 提高计时电路的计时频率如果选择1 MHz脉冲频率，则计时频率周期可达到，如果

34、，则测试精度为：。可见，如果提高计时电路的计时频率，则精度会提高。2. 提高超声波换能器的固有频率如果超声波的固有频率为40 KHz，并假设接收信号滞后两个周期，则式(3.6)得测试误差为：。如果超声波的固有频率为125KHz，则测试误差将缩小3.125倍。3. 超声波的传播速度与温度关系根据当时的温度情况，对照超声波的传播速度与温度关系，采用适合的声速来进行计算。第4章 超声波高精度测距系统设计4.1 超声波高精度测距系统总体组成本超声波测距系统分为三个部分：信号处理部分，信号采集部分和显示部分。信号的处理部分是由单片机组成。将由传感器得来的信号进行处理，按照所选算法进行计算，得到所测距离值

35、并储存在相应的内存单元。信号采集部分采用超声波传感器发射和接收超声波。这一部分还需要设计相应的硬件辅助电路，以实现信号的调制、放大等功能。显示部分采用CM12864液晶显示模块，当单片机结算完结果后，数据发送给LCD，并在其显示出来。总体上看来，首先，超声波发射并接收（在此期间，定时器开始计数定时），然后信号经调制、运算放大，提出中断请求停止计数，接着进行数据的处理，最后显示数据。如图4.1所示。单片机收发同体超声波电路显示电 路(LCD)图4.1 系统组成及其工作原理框图4.2 超声波高精度测距系统的工作原理本系统采用了超声脉冲回波检测法，通过单片机发出发出125kHz的信号，此信号通过超声

36、波发射模块驱动超声波传感器发出频率为125kHz的超声波，每次发射8个脉冲序列，当发完脉冲序列后，单片机C8051F040发出信号使系统关闭发射信号，并且关闭中断，从而不会发生中断申请，躲避绕射干扰，同时启动计时计数器开始计时，经被测面反射至超声波接收模块后送入单片机的中断端口INT0，同时开启中断，使单片机产生一个中断信号，计数器停止计数，并通过程序计算出距离，显示到LCD上。4.3 超声波高精度系统各部分硬件组成4.3.1 C8051F040单片机特点及外围电路的设计单片机在控制领域中，具有很多优点，它体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向控制，能针

37、对性的解决从简单到复杂的各种控制任务，而能获得最佳的性能价格比；它抗干扰能力强，适用范围宽，在各种恶劣的环境下都因能可靠的工作，这是其它类型计算机无法比拟的；此外，可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高，所以我们可以利用单片机与超声波技术的的结合来实现高精度测距。基于单片机的超声波测距系统易实现，成本低，精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性.本系统中，单片机模块由C8051F040单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。C8051F040是一种低功耗、高性能的含有64K字节在系统可编程FLASH程序存储器的8位微控制器。1. C8051F

38、040单片机的特点单片机自20世纪70年代末诞生至今，经历了单片微型计算机、微控制器MCU及片上系统SoC三大阶段，前两个阶段分别以MCS-51和80C51为代表。随着在嵌入式领域中对单片机的性能和功能要求越来越高，以往的单片机无论是运行速度还是系统集成度等多方面都不能满足新的设计需要，这时Silicon Labs 公司推出了C8051F系列单片机，成为SoC的典型代表。 C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)的特点，其性能优势具体体现在以下方面：基于增强的CIP-51内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051

39、的组织架构，可以使用标准的8051汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51采用流水线结构，70%的的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；是目前世界上速度最快的8位单片机。增加了中断源。标准的8051只有7个中断源，Silicon Labs 公司 C8051F系列单片机扩展了中断处理。这对于时实多任务系统的处理是很重要的，扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断，一个中断处理需要较少的CPU干预却有更高的执行效率。集成了丰富的模拟资源，绝大部分的C8051F系列单片机都集成了单个或两个ADC，在片内模拟开关的作用下可实现对多路

40、模拟信号的采集转换；片内ADC的采样精度最高可达24bit，采样速率最高可达500ksps；片内温度传感器则可以迅速而精确的监测环境温度并通过程序作出相应处理，提高了系统运行的可靠性。集成了丰富的外部设备接口。具有两路UART和最多可达5个定时器及6个PCA模块，此外还根据不同的需要集成了SMBus、SPI、USB、CAN、LIN等接口，以及RTC部件。外设接口在不使用时可以分别禁止以降低系统功耗。与其他类型的单片机实现相同的功能需要多个芯片的组合才能完成相比，C8051单片机不仅减少了系统成本，更大大降低了功耗。增强了在信号处理方面的性能，可对所采集信号进行实时有效的算法处理并提高了数据传送

41、能力。 具有独立的片内时钟源(精度最高可达0.5%)，设计人员既可选择外接时钟，也可直接应用片内时钟，同时可以在内外时钟源之间自如切换。片内时钟源降低了系统设计的复杂度，提高了系统可靠性，而时钟切换功能则有利于系统整体功耗的降低。 提供空闲模式及停机模式等多种电源管理方式来降低系统功耗。实现了I/O从固定方式到交叉开关配置。固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。在C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置，外设电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。 复位方式多样化，C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位，提供了上电复位

42、、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。 从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试。C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口（IEEE1149.1）。通过4脚的JTAG接口和调试器，就可以进行全速在系统调试。基于上述特点，Silicon Labs 公司C8051F系列单片机作为SoC芯片的杰出代表能够满足绝大部分场合的复杂功能要求，并在嵌入式领域的各个场合都得到了广泛的应用：在工业控制领域，其丰富的模拟资源可用于工业现场多种物理量的监测、分析及控制和

43、显示；在便携式仪器领域，其低功耗和强大的外设接口也非常适合各种信号的采集、存储和传输。 图4.2 C8051F040管脚图2 外围电路由C8051F040单片机及其外围电路组成单片机模块，是整个超声波测距仪的核心电路之一。JTAG是一种使用软件技术减少设计、调试与维护成本的标准。C8051F040单片机采用了这一标准，可通过JTAG口进行编程调试，在硬件上安置好4线的JTAG接口及相应的电源和地，通过JTAG下载线与PC电脑相连，并配合C8051F040 IDE软件开发环境就可对单片机进行编程调试，在C8051F040中，TMS，TCK，TDI，TDO分别对应1，2，3，4管脚；复位脚对应5管

44、脚；26，27管脚接晶振；所以单片机最小系统的构成如图所示。(1) 时钟电路在本系统中的时钟电路我们才用外部时钟，如图4.3所示：图 4.3 晶振电路(2) 复位电路复位电路的目：在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环，如图4.4所示。图 4.4 复位电路(3) JTAG接口电路在C8051F040单片机中，我们通过4脚的JTAG接口和调试器，就可以进行全速在系统调试。图 4.5 JTAG接口电路4.3.2 超声波发射电路发射电路部分主要包括超声波信号产生、超声传感器功率驱动。超声波的发射频率主要是由C8051F040单片机产生。功率驱动电路功能是用来对超声波换能器进行功率驱动，经过驱动

45、放大达到足够功率之后，推动超声波换能器产生超声波。图4.6 超声波传感器驱动电路原理图 4.3.3 超声波接收电路超声波会随着传播距离的增加而衰减，经过目标反射回来的超声波的回波信号弱，在距离较远的情况下只达毫伏级，甚至微伏。因此为了加大超声波测距系统的量程范围，需加以驱动电路。根据电路需求，接收电路的功能是将接收到的微弱信号放大并进行滤波整形。接收电路部分主要包括限幅保护电路、带通滤波电路、比较放大电路三部分电路构成。1 限幅保护电路因为此探测系统驱动电压较高，为了防止放大器过载，限制高电平振幅，同时也可以消除寄生调幅干扰，因此有必要对回波信号先进行限幅保护。本系统采用一对稳压二极

46、管IN4148构成双向限幅保护电路。图4.7 限幅保护电路2 带通滤波电路超声波回波信号非常弱，一般为几个毫伏，并且会接收到干扰信号，因此信号滤波电路是回波接收的关键电路。本文采用单个集成运放构成二阶有源带通滤波电路，由运算放大器LM837和RC阻容网络构成的，如图所示，其输出与输入同相。当R1=R3=R4=R，R2=2R，C1=C2=C时，滤波器的谐振频率为： (4-1)品质因数为： (4-2)谐振增益为： (4-3)LM837RfRR1R2R3C1C2输入输出图4.8 带通滤波电路在本系统中发射频率为125khz，品质因数值越大，频带越窄，选频特性越好，但是值取得过大，会使输入信号严重衰减

47、，综合考虑后取=4，则可先选定电容=80pF，由以上三式得：R1=R3=R4=16， R2=32， =28，谐振增益=11。3 回波放大电路采用集成运算放大器构成的放大电路具有放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低的特点，是一种直接耦合式放大电路。这种电路比较简单，放大倍数容易调整。图4.9 接收电路原理图本系统设计时选择了各项性能优越的LM387作为放大器，能充分满足放大的要求，可双电源供电，本系统考虑到电源的问题，采用单电源供电，因此设计了电压跟随器提供4V的基准电压，可以有效防止干扰。由于回波信号非常弱，一般为毫伏级，因此由LM387构成了三级放大电路，每一级放大10倍，共放大1000倍左右

48、，完全能够满足要求，并且三级放大可选，可以根据测距的远近选择合适的放大倍数。 4.4超声波显示电路显示电路采用液晶显示模块CM12864液晶显示模块CM12864是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中汉字（16×16点阵）、128个字节（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。表4.1 CM12864液晶显示模块的外部接口管脚号管脚名称LEVER管脚功能描述1VSS0电源地2V

49、DD5.0V电源电压3V0-6.0V-10V液晶显示器驱动电压4D/IH/LD/I=“H”表示DB7DB0为显示数据D/I=“L”表示DB7DB0为显示指令数据5R/WH/LR/W=“H”，CS=“H”数据被读到DB7DB0R/W=“L”，CS=“HL”数据被写到IR或DR6CSH/LR/W=“L”，CS信号下降沿所存DB7DB0R/W=“H”，CS=“H”DDRAM数据读到DB7DB07DB0H/L数据线8DB1H/L数据线9DB2H/L数据线10DB3H/L数据线11DB4H/L数据线12DB5H/L数据线13DB6H/L数据线14DB7H/L数据线15CS1H/LH：选在芯片信号（右）1

50、6CS2H/LH：选在芯片信号（左）17RETH/L复位信号，低电平复位表4.1 CM12864液晶显示模块的外部接口（续）18VEE-10VLCD驱动负电压19LED+5VLED（+5V）或EL背光源20LED-LED（0V）或EL背光源4.5 超声波高精度测距系统的软件设计在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。4.5.1 系统软件设计原理1.单片机C语言C语言是一种结构化的程序设计语言，它的特点就是可以尽量减少你对硬件进行操作，具有很强的结构性、功能性和可移植性，常常被用来作为单片机系统的编程语言。但是用于单片机的C语言和标

51、准C语言区别很大。如何结合单片机的系统资源，用C语言开发符合实际工程需要的单片机系统，对编程者来说具有十分重要的意义。用C编写程序比汇编更符合人们的思考习惯，开发者可以摆脱与硬件无必要的接触，更专心的考虑功能和算法而不是考虑一些细节问题，这样就减少了开发和调试的时间。C语言具有良好的程序结构，适用于模块化程序设计，因此采用C语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能地采用结构化的程序设计方法，将功能模块化，由不同的模块完成不同的功能，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。不同的功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数，对于一些要重复调用的程序一般把其编成函数，这样可以减少程序代码

52、的长度，又便于整个程序的管理，还可增强可读性和移植性。应用C语言的优越性： (1)不懂得单片机的指令集，也能够编写完美的单片机程序；(2)无须懂得单片机的具体硬件，也能够编出符合硬件实际的专业水平的程序；(3)不同函数的数据实行覆盖，有效利用片上有限的RAM空间；(4)程序具有坚固性: 数据被破坏是导致程序运行异常的重要因素。C语言对数据进行了许多专业性的处理，避免了运行中间非异步的破坏；(5)C语言提供复杂的数据类型 (数组、结构、联合、枚举、指针等)，极大地增强了程序处理能力和灵活性；(6)中断服务程序的现场保护和恢复，中断向量表的填写，是直接与单片机相关的，都由C编译器代办；(7)提供常

53、用的标准函数库，以供用户直接使用；(8)头文件中定义宏、说明复杂数据类型和函数原型，有利于程序的移植和支持单片机的系列化产品的开发；(9)有严格的句法检查，错误很少，可容易地在高级语言的水平上很快被排除。2.定时控制部件定时控制部件起着控制器作用，由定时控制逻辑、指令寄存器（IR）和振荡器（OSC）等电路组成。指令寄存器（IR）用于存放从程序存储器中取出的指令码，定时控制逻辑用于对IR中指令码译码，并在OSC配合下产生指令的时序脉冲，以完成相应指令的执行18。定时控制部件起着控制器作用，由定时控制逻辑、指令寄存器（IR）和振荡器（OSC）等电路组成。指令寄存器（IR）用于存放从程序存储器中取出

54、的指令码，定时控制逻辑用于对IR中指令码译码，并在OSC配合下产生指令的时序脉冲，以完成相应指令的执行。 OSC是控制器的心脏，能为控制器提供时钟脉冲。引脚XTAL1为反向放大管Q4的输入端，XTAL2为Q2的输出端。只要在引脚XTAL1与XTAL2上外接定时反馈回路，OSC振荡器产生矩形时钟脉冲序列，其频率是单片机的重要性能指标之一。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。而且也决定着系统时钟和定时器时钟与频率。3.中断系统计算机中的中断是指CPU暂停原程序执行转而为外部设备服务，并在服务完后回到原程序执行的过程。中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的那部分电路。 CIP-51 包含一个扩展的中断系统，支持20 个中断源，每个中断源有两个优先级。中断源在片内外设与外部输入引脚之间的分配随器件的不同而变化。每个中断源可以在一个SFR 中有一个或多个中断标志。当一个外设或外部源满足有效的中断条件时，相应的中断标志被置为逻辑1。 如果中断被允许，在中断标志被置位时将产生中断。一旦当前指令执行完，CPU 产生一个LCALL到一个预定地址，开始执行中断服务程序（I