基于51单片机的超声波测距电路

1、. . . . 南华大学电气工程学院2010年十二月“超声波测距电路”作品简介（论文）作品名称：基于单片机的超声波测距电路姓名：某 某班级：自动化？班学号：？联系：？摘 要距离，又可称为位移量，是工业五大量度之一。测距广泛用于诸如汽车倒车、物位检测、智能避障等方面。距离的测量对于生产工作是至关重要的。现行的测距方法有很多种，本电路采取了超声波测距方案。由于超声波指向性强、传输距离远，采用超声波测距是一种既方便又快捷的方法。本方案使用了MCS-51单片机作为主控芯片，且采用了集成芯片CX20106A作为超声波接收电路的主要芯片，如此大大简化了外围电路的复杂程度，提高了电路的稳定性。通过测试，本电

2、路基本上可以测得探头到障碍物之间的距离，达到了目的。关键词：超声波测距，MCS-51单片机，CX20106A目 录1、 作品名称······························（4）2、 方案的比较与选择·······

3、···············（4）3、 电路设计思路与总体结构················（5）4、 电路的设计与成型··············

4、;········（5）4.1供电部分·····························（5）4.2微控制器部分·········&

5、#183;···············（6）4.3超声波发射部分·······················（6）4.4超声波接收部分·······

6、;················（7）4.5温度补偿部分·························（8）4.6显示部分·····&

7、#183;·······················（9）4.7整体电路与其PCB图··················（9）5、电路软件的设计···

8、83;······················（10）5.1初始化部分·························

9、83;··（11）5.2超声波发射部分························（12）5.3温度检测部分···················

10、·······（12）5.4定时与中断部分························（13）5.5液晶显示部分··············

11、83;···········（13）5.6主程序································（14）6、总结···

12、83;································（14）7、参考文献················

13、;················（15）1、作品名称:基于单片机的超声波测距电路。2、 方案的比较与选择：目前基于电子技术测量距离的常用方法主要有雷达测距、激光测距、光电测距和超声测距等。其中由于雷达测距和激光测距的条件较为苛刻且成本高，故不在方案选择的考虑围之。下面着重比较光电测距和超声测距两种方案。方案1：采用光电测距。一般来说，光电测距使用红外光电管作为发射接收传感器，如图2.1为红外发光二极管和接收管。图2.1 红外发射/接收

14、管红外发射/接收信号滤波、放大信号处理、计算距离显示 图2.2 系统流程图红外测距反应灵敏，且安全可靠，但测量围很窄，并且如果要求提高精度的话，需要提高成本。方案2：采用超声波测距。图2.3 超声波发射/接收头超声波发射/接收信号滤波、放大信号处理、计算距离显示 图2.4 系统流程图 采用超声波测距的优缺点如下：优点：超声波对色彩和光照度不敏感，可在黑暗、有粉尘和测量透明物体的环境下使用；超声波对电磁干扰不敏感，可在有电磁干扰等恶劣环境下工作；超声波易于集成化、小型化。缺点：超声波会受温度、气流、材质等影响；超声波测距如欲达到一定精度，需要复杂的外围电路支持。方案的确定：经比较方案1与方案2，

15、可知选用超声波测距不失为一种可行的办法。超声波测距的方法主要有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测法的测量精度高，但检测围有限；声波幅值检测法易受环境反射波的影响；渡越时间检测法工作原理简单、直观，在硬件控制和软件设计方面容易实现。本电路采用渡越时间检测法，其原理为通过检测超声波的发射和接收之间的渡越时间t，通过公式s=vt计算出障碍距离，其中v为超声波在空气中的传播速度。3、 电路设计思路与总体结构：MCU显示部分温度补偿部分分析本电路的方案，总体为下面几个部分：供电部分超声波发射部分超声波接收部分图3.1 结构框图根据总体结构可知，本电路的工作流程为：超声波发射>

16、超声波接收>检测时差>计算出距离>显示如此就能细分每个环节的工作了。下面将就每个部分进行详细解析。4、 电路的设计与成型：根据总体结构，电路可分解为以下部分，在此进行详细分析。4.1供电部分：供电部分为整个电路提供可靠的电源。图4.1.1为电源电路部分。 图4.1.1 电源电路电源电路部分依旧使用78系列稳压芯片作为稳压芯片。由于本电路只需要使用到5V电压，故此方案简单方便且合用。4.2微控制器部分：本电路采用了STC89C52作为主控电路，图4.2.1为微控制器电路。图4.2.1 微控制器电路STC89C52为STC公司的一款通用单片机，其操作简便，功能强大，适用于简单的控

17、制系统的数据处理和动作控制方面。4.3超声波发射部分：超声波发射部分需要用单片机产生一个频率为40kHz左右的方波来带动发射头的压电晶片来起振，从而发射出超声波。图4.3.1 超声波换能器 图4.3.2 压电式超声波传感器结构如图4.3.3为超声波发射部分的电路：图4.3.3 超声波发射电路由于单片机端口输出功率不够，所以经单片机产生的40 kHz方波脉冲信号T分成两路，一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极。再加上两个上拉电阻TR1和TR2，可有效提高74LS04的带负载能力。4.4超声波接收部分：超声波接收部分的任务是接收到返回的超声

18、波信号并对其进行滤波、放大、整形。由于用分立元件搭建超声波接收电路的效果很差，而且电路元件的参数不容易用常用元件达到，故超声波接收电路采用了索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。CX20106的部结构如图4.4.1所示：图4.4.1CX20106部结构CX20l06A是日本索尼公司生产的红外接收芯片，也适用于超声波接收。其采用单列8脚直插式，小型封装，+5V供电，使用方便，功能强大。超声波接收电路如图4.4.2所示。图4.4.2 超声波接收电路超声波接收电路工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到

19、合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率38kHz相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平。将此低电平信号输出给单片机的外部中断0，即可产生一个中断信号。4.5温度补偿部分：由常识可知，声波在空气中的传播速度首温度的影响。如果在计算距离时忽略这个影响，会造成不小的误差，尤其在对距离测量有精度要求时，温度因素更加不可忽略了。所以本电路特地加上了温度补偿环节。如图4.5.1为温度测量电路。图4.5.1 温度测量电路本电路采用了DALLAS公司生产的集成温度传感器DS18B20作为测温电路芯片，它具有结构小巧、操作简便

20、且功耗小的优点，被广泛用在各种温度测量的场合。4.6显示部分： 本电路采用12864液晶显示器作为显示部分，其突出优点就是可以显示汉字等字符，且与单片机的借口简单，操作方便。如图4.6.1为显示部分的电路图。图4.6.1 显示部分电路图4.7整体电路与其PCB图：整体电路（不包含单片机部分）的电路图如图4.7.1所示。图4.7.1 整体电路如图，接口P1用来与单片机交流。PCB图如图4.7.2所示。图4.7.2 PCB印制板图5、电路软件的设计： 图5.1 软件流程图由图可知，软件部分包括初始化部分、超声波发射部分、定时与中断部分、温度检测部分和液晶显示部分。下面分别对这几部分进行列举：5.1

21、初始化部分：初始化部分完成对温度检测部分、液晶显示部分和定时中断部分的初始化，其函数分别如下：温度检测初始化函数：void init_18B20(void) reset_18B20();/总线复位 wbyte_18B20(0xcc);/忽略检查ROM匹配操作 wbyte_18B20(0x4e);/设置写模式（写暂存器） wbyte_18B20(0x1f);/写温度计配置寄存器12864液晶初始化函数：void init_12864() delay_ms_12864(40); /大于40MS的延时程序 psb=1; /设置为8BIT并口工作模式 delay_12864(1); /延时 res=0

22、; /复位 delay_12864(1); /延时 res=1; /复位置高 delay_12864(10); worder_12864(0x30); /功能设定 delay_12864(37); /大于37uS的延时程序 worder_12864(0x08); /显示状态开/关 delay_12864(100); /大于100uS的延时程序 worder_12864(0x10); /游标或显示移位控制 delay_12864(100); /大于100uS的延时程序 worder_12864(0x0c); /显示状态,D=1,显示开 delay_12864(100); /大于100uS的延时程

23、序 worder_12864(0x01); /清除显示 delay_12864(10); /大于10mS的延时程序 worder_12864(0x06); /Enry Mode Set,光标从右向左加1位移动 delay_12864(100); /大于100uS的延时程序定时中断初始化程序：void int_init()TMOD=0x02;/设置定时器为8位自动重装模式TH0=206;/定时器0,计时中断一次为50us，用于记INT0时间TL0=206;EA=1;/开总中断ET0=1;/开定时器0中断EX0=1; IT0=1;TR0=0;5.2超声波发射部分：超声波发射部分由空函数“_nop_

24、()”进行延时并把端口反相，如此在延时适当的时候就能从端口得到40kHz的方波脉冲了。超声波发射部分的函数如下：void waveo()_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();wave=wave;5.3温度检测部分：由于DS18B20为单总线结构，所有数据都是串行输入输出的，所以需要单片机对其进行控制。这里需要注意，单总线协议的时序要求非常严格，所以编写程序时需要多加小心。以下为温度检测部分的程序。uint getdat_18B20()float c;uint temp;uchar h,l;conv_18B20();reset_18B20();delay

25、_18B20(1);/稍作延时wbyte_18B20(0xcc);wbyte_18B20(0xbe);/发送读取温度数据的命令l=rbyte_18B20();/读取低8位h=rbyte_18B20();/读取高8位flag_18B20=h&0x80;if(flag_18B20) /最高位为1，温度为负temp=h;temp=temp<<8;/读取的高8位数据装在temp高8位temp=temp|l;temp=temp+1;c=temp*0.0625;temp=c*100+0.5;elsetemp=h;temp=temp<<8;temp=temp|l;c=temp

26、*0.0625;temp=c*100+0.5;return(temp); /温度整数部分2位，小数部分2位5.4定时与中断部分：定时部分用来量度超声波发射与接收之间的时差，中断部分用来确定接收到回波的具体时间。以下为定时与中断的程序：定时器0：void timer0() interrupt 1tim+;外部中断0：void EX0_int()interrupt 0TR0=0;cal();display();其中，定时器0中的tim用来计数，代表tim个定时时间，超声波跑了一个来回；外部中断中，先把定时器给关掉，然后调用cal()子函数对渡越时间进行处理，接着把距离计算出来。最后调用displa

27、y()函数，把结果显示在液晶屏上。5.5液晶显示部分：液晶显示部分用来把数据显示出来，以下为其函数。void worder_12864(uchar dat)/给12864写指令rs=0;/rs为0表示指令，为1表示数据rw=0;/rw为0表示写，为1表示读delay_12864(10);en=1;delay_12864(10);P0=convert(dat);/convert()只用在开发板上，若是自己做的正常的12864则去掉之delay_12864(10);en=0;void wdata_12864(uchar dat)rs=1;rw=0;delay_12864(10);en=1;dela

28、y_12864(10);P0=convert(dat);delay_12864(10);en=0;5.6主函数：为了节省空间，本程序的测温部分和显示部分都被封装在了头文件里，主函数中只需要负责初始化部分和发出脉冲部分，以下为其函数体：void main()uchar q=10;init_12864();init_18B20();int_init();while(1)TR0=1;while(q-)waveo();q=10;delay();在主函数的循环体while(1)中，先发出五个40kHz脉冲，然后延时20ms。延时过后再检测回波信号，这样可以避免接收头直接接收到从发射头发射来的信号，避免了误差。6、总结：以前看到学长们跑的小车上有俩大眼珠似的东西，能自动壁障，羡慕的不得了。后来知道那是超声波探头，就决