超声波测距仪的设计

1、超声波测仪的设计基于 AT89C52 超声波测距系统设计吴兴波，李明*（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022）摘要本设计基于单片机 的超声波测距系统重点阐述了该系统硬件 电路设计和软件设计，并利用温度检测电路有效消除了环境温度变化对传播速度的影响；在盲区消隐方面， 通过在软件上采用延迟接收技术有效消除了串绕信号进一步提高了捡测的精 度及灵敏度。关键词：AT89C52超声波 SPI 通信协议中图分类号：TP23超声波技术在日常生活中有着广泛的应用例如探伤技术清洗技术测距技 术等等超声波测距多应用于汽车倒车雷达建筑工地以及一些工业现场的位 置监控如液位井深的测量等场合超声波测距

2、是一种传统而实用的非接触测量 方法和激光涡流和无线电测距方法相比具有不受外界光及电磁场等因素影 响的优点，在恶劣环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在 工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。1 超声波测距原理超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间超声波传播 时间和传播速度来确定距离障碍物的距离即所谓的脉冲回波方式该方式 的基本电路框图如图 1 所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大 电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。单片机发射电路信号处理接收电路 图 1 基本电路框图1 / 7发射电路通常是一个工作频率为 kHz，可由

3、 555 时基集成电路或其他电路 构成。本设计用单片机产生一定数量的 40 kHz 发射脉冲(通常为 5 个)，用 于驱动超声波发射传感器激励出超声波在空气中传播碍物反射而返回。 超声波接收传感器通过压电转换的原理由障碍物返回的回波信号转换成电 信号，由于该信号幅度较小(几到十几毫伏)因此须由低噪声放大、40 kHz 带 通滤波电路将回波信号放大到一定幅度且干扰成分较少并由回波信号处理电 路转换成方波信号，送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。单片机根据脉冲发射时间和接收到回波的时间计算出时间差 即超声波在空 气中传播的时间，并由式(1)：S=c*t/2(1) 计算出距离 S，式中参数 c

4、是超声波在空气中的传播速度，由于在不同温度 情况下超声波在空气中传播速度差异较大，因而设置一温度传感器进行实时修 正，具体实现方法见下文。2 系统结构及功能框图本系统主要由控制器模块、电源模块、 发射放大电路模块、接收放大 滤波电路模块温度补偿模块蜂鸣报警模块以及液晶显示模块等模块构成本 系统的方框图如图 2-1 所示：NOKIA5110 显 5V 电 MAX232 发射放大电路 AT89C52 温度补偿接收放大电路 图 2-1 超声波测距仪的系统框图AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 单片机，片内含 8k bytes 的可反复 擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 b

5、ytes 的随机存取数据存储器（），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 令系 统片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元功能强大的 AT89C52 片机 可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52 单片机是主控芯片，用其控 制显示、键盘扫描、报警、超声波的发射机接收的控制。3 硬件设计3.1 MAX232 发射电路设计 芯片是美信公司专门为电脑 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换 芯片,使用+5v 单电源供电。MAX232 多用于串口通信，起到电平转换的作用，而2 / 7本设计只用到其电平转换，将 40kHz 的方波由 转换成 2

6、0V，提高发射功率。 发射如图 3-1 所示：图 3-1 超声波发射电路图超声波在空气中传播功率及精度与频率成正比较和分几个常用超声波频率 的特点，最终选取频率为 。为了便于超声波的发射和接收，超声波发射头 采用共振频率为 40kHz 的 TCT40-16 探头，接收头采用 。由单片机端口 输出 40kHz 间断两路反相方波，此时定时器开始计时，信号经 电平转换芯片送到超声波换能器 的两个电极，可以提高超声波的发射强度。3.2 接收电路设计超声波接收电路基本思想是将接收到的回波信号先经过前置放大器和限幅放 大器，将信号调整到合适的幅值，再将放大后的信号整形，送回单片机。由于接 收到的方波频率为

7、 40kHz 左右所以普通的运算放大器很难采集到因此我们采 用 MX4167 高速运算放大器MX4167 里面含有两路，回波信号通过第一路将被放 大 20 多倍，再通过第二路放大 1 到 5 倍，也就是将回波信号放大 100 多倍。而 第二路的反馈电阻由数字电位器控制以根据采集到的方波的强弱来改变数字 电位器的阻值从而达到改变放大倍数再将放大后的方波通过二极管进行峰值 检波并通过电容检波滤波积分电路进行过滤，发光二极管 的限流电阻与 2K 电阻一起组成脉动信号的输出内阻。接收电路图如图 所示。图 3-2 超声波接收电路图3.3 Nokia5110 显示设计Nokia5110 LCD 支持多种串

8、行通信协议，我们采用 通信协议。 总线系 统是一种同步串行外设接口可以使 MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信 以交换信息SPI 总线系统一般使用 4 条线串行时钟线 SCK主机输入/从机输 出数据线 MISO机输出从机输入数据线 MOSI 和低电平有效的从机选择线 CS。3 / 7SPI 的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一 个或多个从设备，需要至少 4 根线，事实上 根也可以（单向传输时）。其中 CS 是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时 （高电位或低电位对此芯片的操作才有效这就允许在同一总线上连接多个 SPI 设备成为可能下来

9、就负责通讯的 3 根线了讯是通过数据交换完成的， 这里先要知道 SPI 是串行通讯协议也就是说数据是一位一位的传输的这就是 SCK 时钟线存在的原因，由 SCK 提供时钟脉冲， 和 SDO 则基于此脉冲完成数 据传输。数据输出通过 SDO 线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着 的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在 至少 8 次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次就可以完成 8 位数据的传输具 体电路图如图 3-3 所示。图 3-3 Nokia5110 显示电路图要注意的是，SCK 信号线只由设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在 一个基于 SPI 的设备

10、中至少有一个主控设备这样传输的特点这样的传输方 式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少 位数据而 SPI 允许数据一位一位的传送甚至允许暂停因为 时钟线由主 控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备 通过对 SCK 时钟线的控制可以完成对通讯的控制。 还是一个数据交换协议： 因为 SPI 的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。 不同的 SPI 设备的实现方式尽相同Nokia5110 LCD SPI 通信协议中的 SDO 省去，而增加了 D/C（模式选择）、RST（复位）、SEN（使能）。其驱动时序如 图 3-4 所示

11、。图 3-4 Nokia5110 驱动时序图3.4 温度补偿设计4 / 7由于超声波的声速和温度有关，如果温度变化不是很大，认为声速基本不变。 如果测距精度要求很高那么可以通过温度补偿的方法来加以校正不同温度下 超声波在空气中的传播速度随温度变化关系如表 。表 3-1 声速与温度的关系温度 声速-30 313-10 3180 32510 33820 34430 348100 386为了克服外界温度环境的干扰，我们采用数字温度传感 DS18B20，独特的一 线接口，只需要一条口线通信多点能力。温度传感器可编程的分辨率为 位 温度转换为 12 位数字格式最大值为 750 毫秒，描述该 的数字温度计

12、提 供 9 至 12 位（可编程设备温度读数。信息被发送/从 DS18B20 通过 1 线接口， 所以单片机与 DS18B20 只有一个一条口线连接读写以及温度转换可以从数据 线本身获得能量，不需要外接电源。 因为每一个 DS18B20 的包含一个独特的序 号，多个 DS18B20 可以同时存在于一条总线。其硬件电路如图 所示。图 3-5 DS18B20 电路图单片机通过 DS18B20 采集到温度并将当时的温度转换成速度其转换公式如 下：5 / 7(2)V = 331.4 + 0.61T 4 程序设计 4.1 程序路程图其中，T 为实际温度；V 的单位为 m/s开始初始化外部中断 定时器 T

13、1Flag=0 生 8 个 40KHzPWM 开外部中断 0及定时器 T1 外部中断入口关外部中断 定时器 时间及温度采集否延时等待 Flag=1？是数据处理并显示 Flag=1 外部中断返回关外部中断 T0关定时器 T1 并清零图 4-1 主程序流程图图 4-2 外部中断子程序首先，系统初始化单片机的外部中断 、定时器 T1 的工作方式，让 计时， 外部中断 0 接收回波的下降沿当超声波发射出 个 40KHz 的 PWM 波后启动外 部中断 0 及定时器 T1，等待是否收到回波，当接收到回波则进入外部中断子程 序，进行时间及温度的采集，并 Flag 置一，如 Flag 为一，则根据时间和速

14、度的关系计算出距离并将其显示否则重新发送流程如图 图 4-2 所示。5 结论本系统解决了温度变化带来超声波测距精度不高以及距离不远等问题。能 达到设计任务的基本要求此外整机系统智能化具有蜂鸣报警提示和液晶屏 显示功能体现人性化使用起来非常方便一系统可以安装在各种汽车尾部， 用于倒车监测车后障碍物情况，功能良好，效果显著。参考文献：6 / 7【1】牛余朋，成曙基于单片机的超声波测距系统J兵工自动化， 2005(4):77-79 【2】吴山，聂惠娟，吴东芳，等智能超声波测距系统的 设计J河南师范大学学报：自然科学版；【3荣怡倩 在温控系统中的应用机 化研究2005(1)： 224226 【4贾莉娜

15、. 高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应 用J. 计量与测试技术 ,2004(9):23-26.【5童诗白华成英.模拟电子技术基（第四版华大学电子教研组 【6】 俞志根 等编著. 传感器与检测技术(第二版. 科学出版社出版Design of Ultrasonic Distance Testing System Based on AT89C52 Singlechip Microcomputer(College of Information & Engeering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin City 132022,China

16、)Abstract: The design is based on AT89C52 microcontroller ultrasonic ranging of the system and software design, and the temperature detection circuit effectively eliminate the use of environmental temperature on the propagation velocity; in the blind spot blanking, through the software using delay receiving