2023年基于51单片机的超声波测距仪.doc

大连民族学院2023级通信工程专业微机系统课程设计报告 机电信息工程学院 单片机系统课程设计报告 系 别： 电子工程系 专 业： 通信工程 班 级： 051班 设计题目： 超声波测距 学生姓名： 王权 于建坤 指导教师： 董玉华 李厚杰 杨亚宁 李婷 完成日期：2023年03月19日 31 目 录 一、 设计任务和性能指标 1 二、设计方案 1 三、系统硬件设计 3 四、系统软件设计 5 五、调试及性能分析 8 六、心得体会 10 参考文献 11 附录1系统硬件电路图 12 附录2程序清单 13 一、 设计任务和性能指标 1.1 设计任务 设计一个超声波测距器，可应用在汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置测控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。 要求用Altium Designer 6画出系统的电路原理图〔要求以最少组件，实现系统设计所要求的功能〕，印刷电路板〔要求布局合理，线路清晰〕，绘出程序流程图，并给出程序清单〔要求思路清晰，尽量简洁，主程序和子程序分开，使程序有较强的可读性〕。 1.2 性能指标 1、 测量范围10—80 cm； 2、 测量精度1cm； 3、 测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果； 4、 测量范围扩展为10 cm—4m，提高测量精度。 二、设计方案 超声波测距仪是利用超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的本钱很高，并且没有显示，操作使用很不方便。超声波指向性强,穿透能力强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。但由于超声波传感器的本钱较高,所以一般运用于专业领域,民用产品中运用较少。考虑到一般情况下对测距的要求较低,可在一定程度上牺牲其精确度和测距范围,从而降低本钱,使其运用范围大大扩展。 超声波测距系统主要由声波发射电路、回波接收电路以及信号采集电路、温度补偿电路等组成。 2.1 硬件方案选择 〔1〕超声波发射电路 总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。  压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部主要由两个压电晶片和一个共振板组成。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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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。 这种压电式超声波传感器是利用内藏的压电晶体的压电效应。压电晶体在外电场作用下会产生机械变形，或者使压电晶体变形也会产生电压，前者称为逆压电效应，后者称为正压电效应。利用压电晶体的逆压电效应，电路的高频电压会转换为高频机械振动，以产生超声波，作为超声波发生探头，利用压电晶体的正压电效应可将接收的超声波振动转换成电信号，作为超声波接收探头。 〔2〕超声波接收电路 超声波接收电路的作用是对接收的超声波信号进行放大，并将放大后的信号处理成系统可以处理的电平信号。 〔3〕温度补偿电路 超声波是一种声波，其声速c与温度有关。如果测距精度要求很高时，那么应通过温度补偿的方法加以校正。温度测量可以使用数字温度传感器DS18B20。 〔4〕超声波测距器的算法设计 超声波测距的原理即超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后发射回来，就被超声波接收器所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到返回信号所用的时间，就可以算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为： 其中d为被测物体与测距器的距离，s为声波来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。 〔5〕系统硬件框图如图1所示。 图1系统硬件框图 2.2 超声波测距器的软件 系统软件主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成，如图2所示。 图2系统程序结构框图 超声波测距器主程序利用外部中断检测返回超声波信号，一旦接收到返回的超声波信号，立即进入中断程序。 三、系统硬件设计 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三局部组成。采用STC89C55来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 图3超声波测距原理框图 3.1 单片机系统及显示电路 单片机采用STC89C55。采用11.0592MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的LCD1602液晶显示电路，用P0做为数据口。单片机系统及显示电路如图4所示。 图4单片机及显示电路原理图 3.2 超声波发射电路 超声波发射电路原理图如图5所示。 图5超声波发射电路原理图 压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构图6所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接收转换器其结构稍有不同。 图6超声波转换原理图 3.3 超声波检测接收电路 超声波检测接收电路采用集成电路CX20106A，如图7所示，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 图7超声波接收电路图 四、系统软件设计 超声波测距软件设计主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序、温度补偿及显示子程序和距离测量及显示子程序组成。下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。 4.1 超声波测距器的算法设计 以下列图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。 距离计算公式： 其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。 程序框图如图8所示。 图8距离计算子程序 声速c与温度有关，如温度变化不大，那么可认为声速是根本不变的。如果测距精度要求很高，那么应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。在系统参加温度传感器来监测环境温度，可进行温度被偿。这里可以用DS18B20测量环境温度，根据不同的环境温度确定声速提高测距的稳定性。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。 不同温度下的超声波声速表 温 度 (摄氏度) -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声 速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 4.2 主程序 主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为防止超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才翻开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用11.0592MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数〔即超声波来回所用的时间〕按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,以20℃时的声速为344 m/s为例，那么有： 图9主程序框图 d=(CxT0)/2 =172xT0/10000cm〔其中T0为计 数器T0的计数值〕 测出距离后结果将以十进制BCD码方式显示,然后再发超声波脉冲重复测量过程。主程序框图如图9所示。 4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送5个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0翻开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号〔INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0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，那么定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值0以表示此次测距不成功。中断程序的框图如图10所示。 图10计数器T0中断程序〔左〕、计数器T1中断程序〔中〕 外部INT0中断程序〔右〕 4.4 温度补偿子程序和温度显示子程序 温度补偿子程序的作用是将当前实验环境的实际温度值准确测量、转换并存储，用以确定此时声波的速度值。本程序采用DS18B20的12位转换精度，温度存放器里的值是以0.0625为步进的，即温度存放器里的二进制值乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。温度处理子程序判断温度值的“+〞和“-〞并将转换好的温度整数位和小数位存入显示缓存区50H～53H中，50H为最高位，53H为最低位。温度显示子程序用来判断高位是否有灭零需要，以及符号位的选择和显示。程序框图如图11所示。 图11温度显示子程序〔左上〕、温度