超声波测距系统的应用设计

1、目目 录录 前 言 .IV 1. 超声波测距仪 .1 1.1 检测技术.1 1.1.1 检测系统的组成 .1 1.2 传感器.2 1.2.1 传感器的定义 .2 1.2.2 传感器的基本组成部分 .2 1.2.3 传感器的分类 .3 1.2.4 传感器的性能参数及要求 .3 1.3 国内外超声波测距仪的现状.3 1.3.1 国外测距仪的现状 .3 1.3.2 国内测距仪的现状 .4 2. 超声波测距仪测距原理及总体设计 .6 2.1 超声波测距仪测距原理.6 2.1.1 测距原理 .6 2.1.2 超声波测距仪的理论分析 .7 2.2 超声波传感器工作原理.9 2.2.1 超声波传感器基本结构

2、及工作原理 .9 2.2.2 超声波传感器的工作方式 .10 2.3 超声波测距仪的总体设计.11 2.3.1 总体设计思想 .11 2.3.2 工作过程 .13 3. 系统结构及硬件设计 .14 3.1 超声波测距仪的硬件设计思想.14 3.2 8051 单片机系统 .15 3.3 复位电路设计.16 3.4 电源电路原理图.16 3.5 超声波发射电路设计.18 3.5.1 超声波发射电路功能 .18 3.5.2 超声波发射电路原理图 .18 3.5.3 超声波驱动电路原理图 .19 3.6 超声波接收电路.21 3.6.1 超声波接收电路功能 .21 3.6.2 超声波接收电路原理图 .

3、22 3.7 微弱信号换向选通电路原理图.24 3.8 74LS164 静态显示电路原理图 .27 4. 测温电路原理 .29 4.1 温度补偿目的.29 42 测温电路设计原理及原理图.29 5. 软件设计 .31 5.1 软件设计总体框图.31 5.2 软件程序设计.34 5.2.1 延时模块 .38 5.2.2 数据处理模块 .39 5.2.3 显示模块 .40 5.2.4 测温模块 .40 6. 结论 .42 参考文献 .44 致 谢 .46 前 言 随着社会生产和科学的发展，智能机器人的研究越来越受到 社会各界的广泛重视。机器人学包括控制、传感技术、视觉和人 工智能等多方面的知识，我

4、们仅在控制和传感技术方面进行了初 步的尝试，对一台微型电动车进行了改装，模拟轮式移动机器人， 设计出基于单片机控制的移动机器人超声波测距控制系统。 在现场生产中，在某一段距离上用机器运输一定的物料至指 定地点，运送机器如果具有自动避障的功能，会节省很大的成本 和人力资源，提高工作效率的作用。在很多现场中具有自动运行 功能的小车很多，但是在小车行进的过程中可能会遇到障碍，于 是研究具有自动避障功能的小车就很有意义了。要解决自动避障 问题，首先小车的眼睛即检测系统要能很好的反应小车的距离 及位置，常用的距离检测系统有红外检测，超声波检测，差动传 感器系统等等1。这里用到的是超声波检测系统。超声波具

5、有穿 透性强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较 强的优点。这种采用微型单片机控制的自动避障小车具有一定的 智能，能识别一般大小的障碍物体，并具有自动避障的能力，具 有快速响应的能力。 1. 超声波测距仪 1.11.1 检测技术检测技术 1.1.11.1.1 检测系统的组成检测系统的组成 检测技术几乎已应用于所有的行业，它是多学科知识的综合 应用，设计半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感 技术、自动化技术、计算机应用技术，以及数理统计、控制论、 信息论等近代新技术和新理论。检测系统的最终目的就是从测量 对象中获取反映其变化规律的有用信息，为了实现此目的，一个 广义的检测

6、系统一般由激励装置、测试装置、数据处理与记录装 置所组成。 测试对象 激励信号 传感器信号调理电路信号分析与记录 电信号输出 图 1-1 检测系统原理图 Fig 1-1 Detection system diagram 为了保证测量结果的准确性，上述各环节的输出量与输入量 之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，这种关系通常是线性 关系，而且尽能地减少或消除各种干扰，使有用信号进入系统。 1.21.2 传感器传感器 1.2.11.2.1 传感器的定义传感器的定义 传感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、 计量核算、检测诊断等系统中必不可少的基础环节6。通常是检 测系统与被测对象之间的

7、接口，处于检测系统的输入端，其性能 直接影响着整个检测系统，对检测精确度起着主要作用。一般来 讲，自动检测装置中最初感受被测量并将它转换为可用信号输出 的器件叫传感器，在工程上也称为探测器、换能器、测量头。传 感器也可定义为能把特定的被测信息（物理、化学、生物等）按 一定的规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 1.2.21.2.2 传感器的基本组成部分传感器的基本组成部分 传感器由敏感元件、转化元件和其他辅助元件组成。 数据敏感元件传感元件信号调理转换电路 转换电路 电 源 图 1-2 传感器电路原理图 Fig 1-2 sensor circuit diagram 1.2.31.2.3 传

8、感器的分类传感器的分类 传感器的分类 由于工作原理、测量方法和被测对象的不同，传感器的分类 方法也不同。目前，采用较多的分类方法如下。 按信号变换的特征、用途、工作的物理基础、能量关系、测 量方式、输出信号的形式等 1.2.41.2.4 传感器的性能参数及要求传感器的性能参数及要求 传感器的优劣，一般通过若干主要性能指标来表示。除了前 面已在一般检测系统中介绍的特征参数如灵敏度、线性度、分辨 率、准确度、频率特性等特性外，还常用阀值、漂移、过载能力、 稳定性、可靠性、以及与环境相关的参数、使用条件等。不同的 传感器常常根据实际需要来确定其主要指标参数，有些指标可以 低些或可不考虑。下面简单介绍

9、一下阀值、漂移、过载能力、稳 定性、重复性的定义，可靠性的指标内容以及传感器工作要求。 1.31.3 国内外超声波测距仪的现状国内外超声波测距仪的现状 1.3.11.3.1 国外测距仪的现状国外测距仪的现状 国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技 术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原 理8。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很 大的改善，功能有了很大的提高。从国外测距仪表发展的技术动 向看，当前国外测距仪新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动 化(EDA)、计算机辅助测试(CAT),数字信号处理(DSP)、专用集成 电路(ASIC)等。呈现出(1)

10、智能化测距仪;(2)非接触测量方式的测 距仪;(3)新原理的小型测距仪。 1.3.21.3.2 国内测距仪的现状国内测距仪的现状 国内的早期的测距仪也是基于机械原理的，但是随着世界的电 子技术的发展，国内位移测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一 方面科技含量更高。 在国内有超声波测距仪，精度不高，而且用于多方向的测距 仪也不多见，以下是几种超声波测距仪。 1）深圳莱德电子超声波测距仪 测量范围：0.5m13.0m 测量精度： (1cm+0.5% 距离) 分辨率：1cm 2）北京友邦公司 Sonic Tape 测量范围：0.6m-10m 精确度： 05% 分辨率：0.01m 总结: 综合国内外超声

11、波测距仪，精度都不高，国内分辨率是lcm ，存在盲区，技术保密。本文设计的测程较之前面所述的超声波 测距仪稍短，但精确度高，误差为士3cm，分辨率是lemma，且没 有盲区。在测量原理中，激光测距仪测程远，但是在自动避障机 器人中，受光线影响不适宜采用激光原理测距。人工检尺方式不 可能，雷达造价高，Y射线需事先定性定量，因此，在自动避障机 器人中只能用超声波测距原理来设计测距仪。 2. 超声波测距仪测距原理及总体设计 本章分析超声波测距仪的测距原理，及讲述几种检测方法。 重点完成对超声波测距仪的总体设计。 2.12.1 超声波测距仪测距原理超声波测距仪测距原理 2.1.12.1.1 测距原理测

12、距原理 距离公式: 距离(S)=时间(T)X速度(V)。 在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距 离。 利用超声波测的时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和 渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有 限，声波幅值检测法易受反射波影响。本超声波测距仪采用渡越 时间检测法。超声波测量原理图如图2.1 图2-1 超声波测距原理图 Fig 2-1 Ultrasonic Ranging diagram S 在超声波发射器两端输入10个40KHz脉冲串，脉冲电信号经过 超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面; 由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器

13、两端信号 是毫伏级别的正弦波信号。传播的渡越时间即为超声波发射器发 出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。如图2.1所示， 测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为 V=344m/s(20时)，依据公式S=(1/2)V X T，得出距离S。 渡越时间测量法: 1 直接计时法 2 相位法 2.1.22.1.2 超声波测距仪的理论分析超声波测距仪的理论分析 超声波是机械波，在介质中传播是受介质影响的，下面介绍 超声波在空气介质中的传播特点2。声波概述如下： 在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波的频率在20Hz到 20,OOOHz之间，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的振动

14、称 为声振动，声振动所激起的纵波称为声波。超声波在实际介质中 传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，称为衰减。引起衰 减的原因大致有三个: 1）由声束扩展引起的衰减。 2）由散射引起的衰减。 3）由介质的吸收引起的衰减。 由定性分析，超声波被混泥土等墙面反射，只需考虑反射波， 不考虑透射波。超声波方向性强，扩散少，多次被反射，但多次 反射的反射波不易被超声波接收器接收，可以不予考虑。折射波 不会被接收，也不予考虑。 声波理论分析结论: 超声波在传播过程中存在能量损耗，波束多种路径传播，存 在着多种干扰信号，但接收器一般只能接收到被被测面垂直反射 的信号，因为这个信号最强，因此，也就滤掉了其它

15、回波等干扰 信号。使正确地接收正确信号成为可能。时间由单片机定时器TO 得到。超声波测距仪己经应用于某些领域，与传统的测距仪相比， 它具有原理简单，易于控制，且具有非接触测量、价格低廉等优 点。超声波测距仪的接收器可能接收到三种干扰信号: 1）面反射的信号； 2）侧面物体漫反射的信号； 3）直达信号，即从超声波发射器直接接收信号。 当三种信号幅值足够大，放大后淹没了有用信号时，将会使 处理器产生误解，输出错误结果。因此，设计中需避免此类信号 进入超声波接收器，或者进入接收器后滤掉，或者处理器及时辨 识，不予处理。处理方法在第六章抗干扰中介绍。 超声波测距仪理论分析结论: 利用超声波传感器及设计

16、的硬件电路，可以及时辨识有用的 超声波回波信号，利用单片机计时，得时间，时间与速度相乘， 得距离。 利用超声波测距方便快捷有效，具有可行性。 2.22.2 超声波传感器工作原理超声波传感器工作原理 2.2.12.2.1 超声波传感器基本结构及工作原理超声波传感器基本结构及工作原理 利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、 可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。很早以前，人们 便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围 己达m级，频率已扩大到GHz领域，分辨率达m量级的超声波显 微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状， 与传统的形状大相径庭，它的进

17、步将对电子学的发展起重要作用。 人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声 波发生器:机械方式和电气方式产生超声波发生器。实质上，超声 波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波 的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检 测的能量(接收换能器来完成)。 超声波传感器是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引 线、金属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷品片是传感器的核心， 锥形辐射喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一 定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射 喇叭的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超 声波。 2.

18、2.22.2.2 超声波传感器的工作方式超声波传感器的工作方式 超声波传感器的基本特性有频率特性和指向恃性。 1 频率特性 下图是超声波发射器的频率特性曲线。图中，f。为超声发射 器的中心频率，在f。处，超声发射器所产生的超声机械波最强， 也就是说在f。处所产生的超声声压能级最高。而在f。两侧，声 压能级迅速衰减。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心 频率f。的交流电压来激励(或称驱动)。如图2.3 0 40fKHz KHz 0 灵敏度最高 图2-3 超声波发射传感器的发射频率特性 Fig 2-3 fired ultrasonic sensor characteristics of the

19、 transmitting frequency 2 指向特性 指向特性用指向图表示。超声传感器的指向图是由一个主瓣 和几个副瓣构成，其物理意义是时声压最大，角度逐渐增大 0 0 时，声压减小。超声传感器的指向角一般为。 00 4080: 2.32.3 超声波测距仪的总体设计超声波测距仪的总体设计 2.3.12.3.1 总体设计思想总体设计思想 超声波测距仪是根据“回波测距”的原理设计。由超声波的 发射器发射超声波，超声波接收器接受回波。测出从超声波发射 脉冲串时刻到接受回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传 输速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显 示。四方向轮流测距，软件处

20、理，超声波测距仪的总体设计框图 如图2.4所示。 左方发射 右方发射 超声波接受 静态显示 后方发射 前方发射 微弱信号放大整 形 电源系统 测温电路 8051 MCU(1) INT0 Txd(rxd) 图2-4 超声波测距仪系统硬件分布结构图 Fig 2-4 ultrasonic range finder system hardware distribution chart 超声波测距仪由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括8051 单片机、复位电路、超声波发射电路、超声波接收电路、静态显 示电路、测温电路等、换向通道选择部分、温度检测部分;软件部 分主要包括系统初始化模块、超声波驱动及信号处

21、理模块、换向 模块及显示模块、喂狗模块、温度转换测量模块。软件采用模块 化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。为了提高系统 的稳定性，采用了一些抗干扰措施。如采用看门狗电路防止系统 进入死循环，对信号的处理采用了放大、滤波等措施。软件处理 辅助各硬件部分工作。 2.3.22.3.2 工作过程工作过程 启动超声波测距仪测距时，工作过程如下： 1）由单片机发出40KHz的脉冲串，每10个脉冲为一串； 2）脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超 声波； 3）单片机在发送脉冲的时刻开始计时； 4）超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其 输出的正弦波经过两级放大； 5）再经

22、过电压比较器，下降沿中断信号中断单片机的计时； 6）读THOTLO时间值； 7）接收实时温度的声波速度值，从串口接收； 8）时间x速度，数据计算； 9）显示； 10）满足条件进入自动避障程序，重复1. 3. 系统结构及硬件设计 本章阐述了超声波测距仪的硬件设计思想，论述了设计中用 到的器件，重点讲述了对硬件的设计和完善其功能。 3.13.1 超声波测距仪的硬件设计思想超声波测距仪的硬件设计思想 按设计要求，根据超声波测距原理，以8051单片机系统为核 心，开发超声波测距仪。它的各部分电路的说明如下。 1 8051单片机系统是超声波测距仪的核心部分，主要任务: 1）控制一个4KHz的脉冲驱动振荡

23、电路，启动振荡电路工作， 振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同频率，使换能器 能最大效率工作; 2）延时程序延时一个4KHz的脉冲; 3）T1工作在方式2，自动装载，实现串口通讯，波特率 2400bit/s晶振频率12MHz; 4）TO计时，工作方式一; 5）根据渡越时间与串口接收的速度数值相乘，进行有关参数 计算得出距离; 6）数据的显示; 7）软件除干扰。 2 超声波发射电路作用是将振荡电路振荡出40KHz的脉冲信号， 信号幅值18V(可调节)，脉冲信号将驱动超声波发射传感器，发射 超声波。 3 超声波接收电路主要包括微弱信号放大、电压比较中断信 号输出等部分。它是用来对接收到的回波

24、进行放大和整形，即将 回波信号转换成单片机的中断信号。 4 换向通道选择电路。 5 温度测量电路是实时测量出测量时空气中的温度，再将实 时温度换成实时的速度，以保证测量距离的精度。 6 根据设计要求，距离要通过显示器实时地显示出来。 7 看门狗电路是由MAX5045芯片组成，主要完成对系统实时监 测。 8 电源电路。该电路可以产生稳定的+5V 和可调的电压 +5 +37V.: 3.23.2 80518051 单片机系统单片机系统 8051单片机系统由8051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。 8051是属于MCS-51系列中的产品，MCS-51是一种低功耗、高 性能的含有

25、4K字节只读存储器(FPEROM Read Only Memory)的8位 微控制器系列，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与该系 列其他新型单片机的指令系统和引脚完全兼容4。 3.33.3 复位电路设计复位电路设计 计算机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件 都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作9。 复位电路目的:在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作 循环。如图3.2所示: RESET P1.7 8051 P1.6 P1.5 P1.4 SO RESET SCK SI CSTP 按 键 Vcc R1 R2 X5045 图3-2 测距传感器系统复位电路 Fig 3

26、-2 ranging sensor system reset circuit 3.43.4 电源电路原理图电源电路原理图 电源电路目的:给控制电路及其它电路提供电源。电源设计是 电路设计很重要关节。它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。 遵照要求需要一个+5V电压，一个+9V左右可调电压。可调稳压电 路原理图如图3.3 Vin Vout LM317 AD1 GND C2C1 C3 VoutVin R1 R1 D1 D1 图3-3 LM317可调稳压电路原理图 Fig 3-3 LM317 adjustable Regulators circuit diagram +5V电压也是利用三端稳压集成电

27、路得到的，是7805芯片。其 用法和317差别不大，如图3.4所示。 7805 UiUoC1C2 2 3 A 图3-4 W7805三端+5V稳压电路 Fig 3-4 W7805-3 +5 V Regulators circuit 3.53.5 超声波发射电路设计超声波发射电路设计 3.5.13.5.1 超声波发射电路功能超声波发射电路功能 发射电路目的:为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号 依据电路需要，发射电路满足下列要求: 1）振荡电路振荡频率可调; 2）驱动能力较高; 3）I/O口控制. 3.5.23.5.2 超声波发射电路原理图超声波发射电路原理图 超声波发射电路如图3.5所示。 发

28、射电路有555振荡器，SR双稳电路，低频脉冲发射器，六分 频器（除6电路）组成。555振荡器输出端接换能器，换能器将电 信号转换成机械波向空间发射。 IC1 NE555 =1 0 0 0 =1 0 0 0 =1 0 0 0 =1 0 0 0 IC3 401 7 R1 4.7K R2 10K RP1 10K 8 4 1 2 6 7 C2 1n Q 3 2 1 Q 4 6 5 R3 2.2M D1 R4 4.7K IN4140 12 13 11 11 8 9 +9V 去IC6的2脚 四个或非门14脚接9V 7脚接地 图3.5 超声波发射电路 Fig 3.5 ultrasonic transmitt

29、er 3.5.33.5.3 超声波驱动电路原理图超声波驱动电路原理图 驱动电路目的:为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。 驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频 率的超声电脉冲去激励发射器，由发射器将电能转换为超声机械 波机械能。驱动电路有多种方案 1）采用专用芯片驱动。 2）由分立元件组成的驱动电路，其价格便宜，元件普通，调 试方便。 3）采用变压器提升电压，增加驱动能力。 4）采用非门并接提高芯片的驱动能力。 声波在空气中传播受空气介质影响，距离越大衰减越大。为 能接收远距离得回波，采取有效措施有: 1）增加驱动功率。 2）减小声波频率(频率越低，衰减越慢)。 3）设计合理

30、的电路与负载功率匹配电路设计方便简单，为进 一步增加驱动能力，并列的非门换成3个。要求6个非门来自一个 芯片上的非门，以保证信号上升沿下降沿的同步。在非门输出的 两端直接接上一个电容防止直流直接加载超声波发射器上而导致 损坏。 驱动电路两端输出波形如图3.6 +9v -9v 图3-6 超声波发射器两端波形图 Fig 3-6 ultrasonic wave transmitters at both ends of the map 由第二章的讨论可以知道，测距仪所用的T/R40-16型超声波 仪在频率40KHz,幅值9V(可调)的电压驱动下，各种性能最佳，所 以通过单片机的P1.0管脚输出4KHz

31、的脉冲信号给振荡电路。由振 荡电路送给驱动电路。由于单片机Pi口的输出电压为5V，其驱动 能力达不到要求，所以用了一个大功率的CMOS管CD4069来驱动超 声波传感器的发射器。它的工作原理是这样的:几个非门并接，即 可提供较大的驱动能力。而且到发射器两端的是反向的，使得超 声波的发射器得到足够的能量。 3.63.6 超声波接收电路超声波接收电路 3.6.13.6.1 超声波接收电路功能超声波接收电路功能 根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求: 1）微弱信号放大，放大倍数要求。mVV: 2）波形整形。 3）实时选通不同方向的微弱信号口。 如图所示,不同方向的超声波接收器将接收到回波信号转

32、换成 电压信号(正弦波)，信号经过两级放大以后，被送入电压比较器 进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入INTO中断口，该 低电平作为AT89S52外部中断0的中断信号使AT89S52产生中断，在 中断服务程序中停止计数器TO的计时，并计算出有关数据。由此 可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转换、信号 的放大和整形以及产生中断信号等功能。如图3.7，进行波形处理: 图 3-7 接收电路信号变化关系图 Fig 3-7 receiver circuit diagram signal changes 如上图所示微弱信号一一一一放大信号一一一一整形信号。 3.6.23.6.2 超声波接

33、收电路原理图超声波接收电路原理图 放大电路目的:微弱信号放大。 微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由放大电路、 电压比较电路构成。根据所用的T/R40-16型超声波传感器的资料 以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时， 有一部分声波从发射器直接传到接收器，这部分信号直接加到回 波信号中，干扰回波信号的检测。此问题在软件中处理。 超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、 放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机INTO端口辨 识。接收电路可采用新产品专用集成电路，也可用传统的滤波、 放大、检波、整形的电路。过去均采用分立元件构成，现在可以 用集成电路来代

34、替。 1 采用超声波微弱信号放大芯片，如图3.8 A A A 输出 10K 1Kf 47K 1M 1M 100f 100K 100K 1M 680pf 22K 100K 100uf 600pf1.5K 图3-8 运放构成接收电路图 Fig 3-8 constitute receive operational amplifier circuit 由集成运放Al、A2、A3来构成，R、C、为滤波网络，二极管、R9 为检波网络。 2 除了上述两种电路外，还可使用价格便宜的极普通的 Mpc08C作为超声波的放大电路，采用独特的连接方式，可获得非 常好的应用效果。 通过比较几个电路，用集成芯片固然能简单

35、快捷，外围元件 少，但是通过多级运放作为放大电路能改变放大倍数，能适应小 信号的采集。综合因素考虑，本论文中采用图3.9。 1）放大电路两级放大，放大倍数分别为45.5 X 45.5。 2）在此电路中R108并接接收器两端，其目的取微弱信号为电 压信号，供放大电路放大，放大电路的输入阻值为18M，远远大于 100K，灵敏度高，放大电压幅值为2.5士1V,士1V随距离远近而变 化。 3）CA3140连接前后两极放大，阻两极间直流，通两极间交流。 4）运放芯片采用CA3140，供电电压为9V(可调)，单电压供电。 5）在接收器的输入端接入2.5V是为了将微弱信号加载在2.5V 使信号更有利于放大，

36、除去不必要的干扰。 0 0 0 0 IC5 4017 工作在方式1时，Tmax= 65.536ms;工作在方式2和 方式3时，Tmax=O.256ms；故我们只能将TO用于方式1。我们来确 定TO工作于方式1，定时30ms时，所需的定时器初值: 16 230355368TCmssADOH （5-1） 即THO应装8AH, TL0应装DOH。 系统的程序清单为： ORG 0100H INIT：MOV TMOD,#09H ；令T0为定时器方式1 MOV TL0,#D0H ；置T0初值 MOV TH0, #8AH MOV IE,#82H ；开T0中断 START: SETB TR0 ；允许TR0控制

37、T0的启动 SETB P1.0 ；启动P1.0=1，发射超声波 LOOP：MOV A，P3 JB Acc.2，LOOP ；若P3.2()=1,则LOOP0INT MOV TL0，#D0H ；否则P3.2()=0，表示已0INT 经接受到反射回波，重置T0 初值 MOV TH0,#8AH ；送入显示接口电路，显示距 离值 ORL P1,#10H ；准备P1.4的输入 MOV C,P1.4 ；检验P1.4的状态 JC START ；若电动机有信号输入，保持， 转START ACALL FLOAT ；否则调FLOAT，发出指令，使 小车进入避障行驶状态。 AJMP START ；转START，重新发

38、射超声波 END TO中断服务清单 ORG 000BH ；TO中断程序入口 AJMP T0 ORG 0060H TO:MOV TLO,#D0H ；重置T0初值 MOV TH0, #8AH ORL P1,#02H ；准备P1.1输入 MOV C,P1.1 ；检验P1.1的状态 JC START ；若P1.1=1，小车继续前进运行， 保持，转 START ACALL OUT ；否则调 OUT，发出指令，小车进入 开始比较 状态 DELAY:MOV R7,#25H ；延时约5秒 DELAY1: MOV R6, #0FFH DELAY2: MOV R5, #0FFH DELAY3: DJNZ R5,

39、DELAY3 DJNZ R6, DELAY2 DJNZ R7, DELAY1 AJMP START ；转START,重新发射超声波 RET1 A/D转换程序清单 A/D启动子程序 A/D：PUSH A SETB EA ；开中断 SETB IT1 ；外中断1定义为跳变触发 MOV DPTR，#0BFFFH ；送ADC0809口地址 MOV A,#00H ；选通IN0通道 MOVX DPTR，A ；启动A/D转换 NOP ； NOP ； NOP ； 延时10s NOP ； NOP ； SETB EX1 ；开外中断1 POP A RET : : A/D转换结束中断处理程序 ADINT1：PUSH P

40、SW ；保护现场 PUSH A PUSH DPH PUSH DPL MOV DPTR, #0BFFFH MOVX A,#DPTR ；读A/D转换结果 MOV 60H,A ；送入内部RAM60H中 MOV A,#00H ；再次启动IN0通道 MOVX DPTR, A POP DPL ；恢复现场 POP DPH POP A POP PSW RETI 5.2.15.2.1 延时模块延时模块 延时模块1(延时2s): 延时目的:在单片机上电瞬间，发射控制位是高电平，因此可 能会瞬间使振荡电路工作，使有超声波发射接收，超声波接受器 接收产生误中断，为此在程序开始时清除发射控制位，关断中断， 需要延长足够

41、的时间(2s)，使超声波回波渐渐消失才可以开发射 控制位开始发射接收测距，在此期间，各特殊寄存器还在复位状 态，即中断禁止。另外，在一个方向测距完毕，也需要延时足够 时间(2s)消除后续的回波影响，此时INTO中断关断，总中断关断， 在延时后继续进行另一方向的测距10。 延时模块2(延时250):s 延时目的:依据原理，需要一个250(4KHz)的脉冲控制发射，s 而这脉冲即可以用延时模块得到。MOV Rl,# 07DH DJNZ R1,$。 5.2.25.2.2 数据处理模块数据处理模块 (1) 计算距离值 数据处理主要是将时间乘以速度，得出距离，然后将十六进 制数据十进制化，将之显示。从T

42、1读出的时间是双字节，速度是 V=331.4+0.607t，是浮点数，在单片机里浮点运算难，为此需要 对速度的浮点值进行处理，处理成双字节，便于计算。 本文处理方式: 时间: THOTLO 速度=331.4+0.607t (转换后的速度拟存放在R4R5，小数位忽略，R4R5R6R7拟放距 离值。) 距离: S=R4R5R6R7/2 S=THOTLO()X R4R5(s)/2000 (在通过上方法后计算出来的s 是mm) 000065536 * 4 5* 4 5 2000655362000 TH TLFFFFTH TL SR RR R FFFF 0000 *32.768* 4 5* 4 * 5

43、6553665536 TH TLTH TL R RRR （5-2） 其中，即某温度下变换速度等于某温度下速 4 * 532.768* 4 5RRR R 度乘以32.768然后十六进制化。 5.2.35.2.3 显示模块显示模块 本课题中用静态串行口显示，静态串行口显示节约CPU资源， 每显示一次需送一次显示速据。 RXD、TXD用于串口显示，本系统 用P3.4 P3.5两个I/O口为显示接口，一个提供数据一个提供脉冲。 5.2.45.2.4 测温模块测温模块 温度测量是利用温度传感器DS18B20与单片机8051组成测温系 统，测得的温度速度由串口输出，8051的串口接收。DS18B20工作

44、是严格讲究时序的，在使用中特别注意。检测DS18B20是否存在。 1）延时640;s 2）复位D18B20; 3）写跳过DS18B20的ROM匹配命令，即写入OxCCH; 4）发出温度转换命令，即写入Ox44H; 5）延时750ms, 750ms是最大转换时间; 6）重复4，读取温度。即写入OXBEH; 7）依据温度，得到即0时的2A72+T*Oxl4，该数据即为温度 数据; 8）串口输出，在输入AT89S52的同时也输入PC机，串口软件 显示。 6. 结论 本文针对超声波测距仪的原理及控制，提出设计方案，考虑 多种误差因素，保证测量精度。在此基础上完成硬件控制器的设 计调试，软件设计调试。

45、主要工作包括: 1）根据文献资料，了解国内外超声波传感器的研究现状，理 解各种测距原理，理解声波等相关知识。 2）依据现有各种测距仪的设计方案，选择最佳方案，并在此 基础上加入了关键的电路方案，保证了测距仪的测量精度。 3）完成超声波测距仪上8051汇编程序的设计与软件设计，并 且调试通过，最终完成程序写入。 4）设计了由温度传感器DS18B20组成的温度采集电路。仅用 一线完成与微控制器通讯，完成测温系统与PC通讯。 5）对样机性能进行了试验，精度达到要求。 通过对样机的试验，测量参数如下: 最大范围：8m，测量精度：13cm。 当然由于时间和精力等多方面的原因，此控制系统多少还存 在一些不足之处，有待进一步改进和提高。主要包括: 1）PCB抗干扰能力有限。超声波发射接收器之间依然存在直 达波间或影响。 2）放大电路中，由于集成芯片、电阻、电容的热噪声影响， 对远距离的微弱信号放大有干扰作用。 3）在远距离测量时，驱动功率相对不够。 在此设计的超声波测距仪与市场上的测距仪相比，精度可以 满足要求，还有自动避障功能，在机器人位置信息定位和自动避 障能起到至关重