用单片机设计超声波测距系统的设计原理及电路(附源程序).docVIP

基于51单片机的超声波测距仪说明书 引言 超声波测距仪，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波指向性强，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。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。 一、性能要求 该超声波测距仪，要求测量范围在0.08-3.00m，测量精度1cm，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。二、工作原理及方案论证 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。用超声波传感器产生超声波和接收超声波，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器.超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 根据要求并综合各方面因素，采用AT89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距仪的系统框图如下图所示： 图1 超声波测距仪系统设计框图三、系统硬件部分 硬件部分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部分组成。 单片机系统及显示电路 单片机采用AT89C52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P1.1引脚发射脉冲控制超声波的发送，然后单片机不停的检测外中断0口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。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动。 单片机系统及显示电路如下图所示： 图2 单片机系统及显示电路 2.超声波发射电路 利用555时基电路振荡产生40kHz的超声波信号，使之与换能器的40kHz固有频率一致。12V电源保证555时基具有足够驱动能力。P1.1为超声波发射控制信号，由单片机控制。发射电路如图3所示：  图3 超声波发射电路原理图3.超声波检测接收电路 超声波接收电路采用集成电路CX20106A，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，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 接收电路如图4所示：  图4 超声波接收电路图四．系统软件部分 超声波测距程序设计软件部分主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。下面对超声波测距仪的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介绍。1．超声波测距仪的算法设计 下图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T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R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：d=s/2=(c*t)/2*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 2.主程序 主程序框图如右图所示： 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，为避免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，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz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,设计时取20℃时的声速为344m/s则有：d=(C*T0)/2=172T0/10000cm（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LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。