摘要
随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。
介绍了一种以A T 89C2051 单片机为核心, 利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Psp ice 对硬件的主要部分进行了模拟仿真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进, 电路达到了预期的效果。
关键词：AT89C2051; 超声波；测距
Abstract
With the development of science and technology, the improvement of people's tandard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban rainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However,due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction.Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder.
A kind of u lt rason ic telem eter based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem eter is provided w ith som e m er it s such as low co st and h igh2accu racy becau se of the u lt rason ic w ave character ist ic. The hardw are p r incip le elect r ic circu it and them ain sof tw are design idea are show ed. The sim u lat ion of the m ain par t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A t last, acco rding to the theo ret ical analysis and the exper ience som e imp rovem en t s of the design are m ade. The system has ach ieved the an t icipated effect.
Key words:AT89C2051; Silent Wave；Measure Distance
一、设计任务和性能指标
1.1设计任务
利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个超声波测距仪器，用LED数码管把测距仪距测出的距离显示出来。要求用Protel 画出系统的电路原理图，印刷电路板，绘出程序流程图，并给出程序清单。
1.2性能指标
距离显示：用三位LED数码管进行显示（单位是CM）。测距范围：25CM到 400CM之间。误差：1%。
二、超声波测距原理概述
超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。由于超声波指向性强，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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、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，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，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随温度变化，其对应值如表2-1 ，根据计时器记录的时间t (见图2-1)，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即: s = v t / 2 。
表2-1 声速与温度的关系
图2-1 超声波测距时序图
2.1超声波传感器
2.1.1 超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。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。
2.1.2 压电式超声波发生器原理
压电型超声波传感器的工作原理：它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图2-2所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
图2-2压电逆效应图
2.1.3单片机超声波测距系统构成
单片机AT89C2051发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。
限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
图2-3 超声波测距系统框图
三、设计方案
按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。
单片机主控芯片使用51系列AT89C2051单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。
发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。
接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。
图3-1：系统设计框图
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89C2051。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
3.1 AT89C2051单片机
AT89C2051是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），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MCS-5l 指令系统，片内置通用8位央处理器和Flash存储单元，功能强大。AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
1）性能参数：与MCS-51 产品指令系统完全兼容；2k字节可重擦写闪速存储器；1000次擦写周期；2.7V－6V 的工作电压范围；全静态操作：0Hz－24MHz；两级加密程序存储器；128×8字节内部RAM；15个可编程I／O 口线；2个l6位定时／计数器；6个断源；可编程串行UART 通道；可直接驱动LED 的输出端口；内置一个模拟比较器；低功耗空闲和掉电模式。
2）特性概述：AT89C2051提供以下标准功能：2k字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O 口线，两个16位定时／计数器，—个5 向量两级断结构，一个全双工串行通信口，内置—个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降至0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2 超声波测距系统构成
本系统由单片机A T 8 9 C 2 0 5 1控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图3-1 所示。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89C2051。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.7输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.7由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。
3.2.1 超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：A T 8 9 C 2 0 5 1单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。如图3-2。
图3-2：超声波测距单片机系统
3.2.2 超声波发射、接收电路
超声波发射、接收电路如图3-3。超声波发射部份由电阻R2及超声波发送头T40板成；接收电路由BG1、BG2X组成的两组三级管放大电路组成；检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。
40kHz的方波由A T 8 9 C 2 0 5 1单片机的P 3 .5驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到40kHz 的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。
该测距电路的40kHz方波信号由单片机A T 8 9 C 2 0 5 1 的P 3 .5发出。方波的周期为1/40ms，即25μs，半周期为12.5μs。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1μs，所以只能产生半周期为12μs或13μs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。
图3-3：超声波测距发送接收单元
由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3.3 所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是I N 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。
3.2.3显示电路
本系统采用三位一体L E D 数码管显示所测距离值，如图(见下页) 。码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
图3-4：显示单元图
四.系统软件设计
4.1 主程序设计
超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言编程。
主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。置位总中断允许位EA。进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位cl==1，即进行测量一次，程序设计中，超声波测距频度是2次/秒。测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生6-8个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5 -2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.7脚的电平判断程序。当检测到P3.7脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。由于采用单片机采用的是12 MHz 的晶振，计时器每计一个数就是1μs，当超声波测距子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）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。
设计时取15℃时的声速为340 m/s则有：d=(c×t)/2=172×T0/10000cm其中，T0为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
4.2 超声波测距子程序
void csbcj() //超声波测距子程序
{
if(cl==1)
{
TR1=0;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
i=20; //超声波脉冲个数10个
while(i--)
{
csbout=!csbout;
}
TR0=1;
i=150;
while(i--)
{
}
i=0;
while(csbint) //判断接收回路是否收到超声波的回波
{
i++;
if(i>=2450) //如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint置零,退出接收回波处理程序
csbint=0;
}
TR0=0;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
t=TH0;
t=t*256+TL0;
s=t*csbc/2; //计算测量结果
TR1=1;
cl=0;
}
}
4.3 超声波测距程序流程图
4.4 超声波测距程子序流程图
超声波测距程子序流程图如图（）所示。
图（）
五.调试及性能分析
5.1调试步骤
我们的步骤是先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的AT89C2051机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。如果一直显示“- - -”，则需将下限值增大。本测距板1S钟测量两次，若要修改测量间隔，可将程序“if(csbds>=40) //1S测量一次。”中的“40”增大或减小即可。超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s。
5.2 性能分析
从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到5到7米左右，而我们所能实现的最大距离只有4.00米，测量结果受环境温度影响。分析原因如下：1）超声波发送部份为了简化电路,没加设置专门的超声波驱动电路,而是用单片机的P3.5输出端加了一个上拉电阻后就直接驱动超声波发送头。理论上，驱电电压只有5伏。2）本测距板没设计温度补偿电路，来对测量结果进行修正。
参考文献
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[6] 王守中 51单片机开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2009
附录一：基于AT89C2051单片机超声波测距系统电原理图
附录二基于AT89C2051单片机超声波测距系统PCB图
附录三基于AT89C2051单片机超声波测距系统焊接组装图
附录四基于AT89C2051单片机超声波测距系统C语言原程序
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// A T89C2051超声波测距系统//
//
// https://www.doczj.com/doc/b414466874.html,/ //
// //
// 晶振：12M //
// 系统盲区值：25厘米//
// 测量上限：400厘米//
////////////////////////////////////////////////////////////
#include
#define csbout P3_5 //超声波发送
#define csbint P3_7 //超声波接收
#define csbc=0.034
#define bg P3_4
unsigned char csbds,opto,digit,buffer[3],xm1,xm2,xm0,key,jpjs,ki;//显示标识
unsigned char convert[10]={0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9段码unsigned int s,t,i,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1,sjtz,sja,sjb;
bit cl;
void csbcj();
void delay(i); //延时函数
void scanLED(); //显示函数
void showOnce(); //显示循环函数
void timeToBuffer(); //显示转换函数
void offmsd();
void main() //主函数
{
EA=1; //开中断
TMOD=0x11; //设定时器0为计数，设定时器1定时
ET0=1; //定时器0中断允许
ET1=1; //定时器1中断允许
TH0=0x00;
TL0=0x00;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
csbds=0;
csbint=1;
csbout=1;
cl=0;
opto=0xff;
sj1=25;
sj2=100;
sj3=400;
ki=0;
TR1=1; //设定时值1为20ms
while(1)
{
csbcj(); //调用超声波测距程序
if(s>sj3) //大于时显示"CCC"
{
buffer[2]=0x39;
buffer[1]=0x39;
buffer[0]=0x39;
}
else if(s { buffer[2]=0x40; buffer[1]=0x40; buffer[0]=0x40; } else timeToBuffer(); //调用转换段码功能模块 offmsd(); //调用判断百位数为零模块，百位为零时不显示 scanLED(); //调用显示函数 } } void scanLED() //显示功能模块 { digit=0x04; for( i=0; i<3; i++) //3位数显示 { P3=~digit&opto; //依次显示各位数 P1=~buffer[i]; //显示数据送P1口 delay(20); //延时处理 P1=0xff; //P1口置高电平（关闭） if((P3&0x10)==0) //判断3位是否显示完 key=0; digit>>=1; //循环右移1位 } } void timeToBuffer() //转换段码功能模块 { xm0=s/100; xm1=(s-100*xm0)/10; xm2=s-100*xm0-10*xm1; buffer[2]=convert[xm2]; buffer[1]=convert[xm1]; buffer[0]=convert[xm0]; } void delay(i) //延时子程序 { while(--i); } void timer1int (void) interrupt 3 using 2 //终断处理程序，1秒测量一次 { TH1=0x9E; TL1=0x57; csbds++; if(csbds>=15) { csbds=0; cl=1; } } void csbcj() //超声波测距子程序 { if(cl==1) { TR1=0; TH0=0x00; TL0=0x00; i=20; //超声波脉冲个数10个 while(i--) { csbout=!csbout; } TR0=1; i=150; while(i--) { } i=0; while(csbint) //判断接收回路是否收到超声波的回波 { i++; if(i>=2450) //如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint置零,退出接收回波处理程序 csbint=0; } TR0=0; TH1=0x9E; TL1=0x57; t=TH0; t=t*256+TL0; s=t*csbc/2; //计算测量结果 TR1=1; cl=0; } } void offmsd() //百位为数0判断模块 { if (buffer[0] == 0x3f) //如果值为零时百位不显示 buffer[0] = 0x00; } 附录五元件清单 编号型号、规格描述数量编号型号、规格描述数量 R1 10k 1/4W电阻器 1 BG2 9013 NPN 1 R2 1k 1/4W电阻器 1 BG3 9013 NPN 1 R3 4.7k 1/4W电阻器 1 LED HS310561K 三位数码管 1 R4 150k 1/4W电阻器 1 C1 220uF 电解电容器 1 R5 4.7k 1/4W电阻器 1 C2 104 瓷片电容器 1 R6 150k 1/4W电阻器 1 C3 10uF 电解电容器 1 R7 4.7k 1/4W电阻器 1 C4 30pF 瓷片电容器 1 R8 4.7k 1/4W电阻器 1 C5 30pF 瓷片电容器 1 R9 4.7k 1/4W电阻器 1 C6 104 瓷片电容器 1 R10 470 1/4W电阻器 1 C7 104 瓷片电容器 1 R11 470 1/4W电阻器 1 IC1 A T89C2051 单片机 1 R12 470 1/4W电阻器 1 Y1 12MHz 晶振 1 R13 470 1/4W电阻器 1 T T40-16T 传声波传感器 1 R14 470 1/4W电阻器 1 R T40-16R 传声波传感器 1 R15 470 1/4W电阻器 1 D1 IN4148 开关二极管 1 R16 470 1/4W电阻器D2 IN4148 开关二极管 1 BG1 9013 NPN 1 Ⅰ.1课题设计目的及意义Ⅰ.1.1设计的目的随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以 满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。Ⅰ.1.2设计的意义随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。 芀一、超声波测距原理 肅超声波测距原理是通过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时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v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S , 即: 膂S = v·△t /2 ① 芀这就是所谓的时间差测距法。 蝿由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： 螅V = 331.45 + 0.607T ② 芄 声 速 确 定 后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 薂二、系统硬件电路设计 腿图2 超声波测距仪系统框图 蒆基于单片机的超声波测距仪框图如图 2 所示。该系统由单片机定时器产生 40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机 是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单 片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10 个脉冲信号加到超声 波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后， 单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数， 这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 莅1 、超声波发射电路 螀超声波发射电路如图3所示，89C51 通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250 μ s , 40kHz 的10 个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发 射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远, 可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 薈图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应 将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它 上面的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。市售的超声 波传感器有专用型和兼用型,专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接 目录 一、课程设计目的 (2) 二、内容及要求 (2) 2.1、设计内容 (2) 2.2、设计要求 (2) 三、超声波传感器的工作原理 (2) 四、系统框图 (3) 五、单元电路设计原理 (3) 5.1、51系列单片机的功能特 (4) 5.2、超声波发射电路 (4) 5.3、超声波检测接收电路 (5) 六、完整的电路图………………………………………………………………… 七、程序流程图 (6) 八、参考文献 (7) 九、设计中的问题及解决方法 (7) 十、总结 (7) 一、课程设计目的 通过《传感器及检测技术》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、内容及要求 超声波测距系统设计 2.1设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量范围：30cm～200cm。 3）误差＜0.5cm。 4）其它。 2.2设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。 三、超声波传感器的工作原理 由于超声波指向性强，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。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。 目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89C51单片机作为控制器，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。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 理论计算 如图1所示为反射时间法，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式(T/2) C S=其中，S为被 * 测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T2 =），这样可以求出距离： T1 T+ 10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪，可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米，测量精度1cm，测量时与被测物体不接触，并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1．单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波换能器所需的40Hz方波信号，利用外中断0口监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4位共阳极LED数码管，段码用74LS244驱动，位用PNP8550驱动。 2．超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3．超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片，可利用它做接收电路。 4．系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序： 开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化，设置T0为方式1，EA=1，P0，P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器，需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz，计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s，则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序：通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号，脉宽12us，同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波，一旦接收到返回的信号，立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波 中北大学 物联网工程专业 无线传感器网络课程设计 报告 课题名称：超声波测距系统设计 班级： 13270841 指导教师：马永 开设时间： 2016 年 6 月 目录 一、课程设计目的 (1) 二、课程设计题目 (1) 三、课程设计内容、要求 (1) 1、设计内容 (1) 2、设计要求 (1) 四、传感器工作原理 (1) 1.超声波传感器 (1) 2.温度传感器DS18B20 (3) 五、系统框图 (3) 六、单元电路设计原理 (4) 1、超声波发射电路 (4) 2、超声波检测接收电路 (4) 3、单片机最小系统 (5) 3.1、STC89C52芯片 (5) 3.2 复位电路 (5) 3.3 晶振电路 (6) 4、显示部分 (7) 5、温度检测电路 (7) 七、软件设计与系统调试 (8) 1、主程序流程图 (8) 1.1发射程序与接收程序流程图 (9) 1.2 中断子程序流程图 (10) 1.3 距离计算与显示子程序 (11) 2.系统调试 (12) 八、设计中的问题及解决方法 (12) 九、总结 (13) 十、参考文献 (14) 一、课程设计目的 通过《无线传感器网络》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、课程设计题目 超声波测距系统设计 三、课程设计内容、要求 1、设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。采用发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。根据温度传感器DS18B20所采集的温度数据来修正测距系统中的声速，从而使超声波测得的距离更准确。 功能：1）所有测距和温度数据均通过液晶显示器LCD1602 显示出来，距离精确到毫米，温度精确到小数点后一位（单位：摄氏度）。 2）测量范围：30mm～2000mm。 3）误差＜5mm。 4）其它。 2、设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图 四、传感器工作原理 1. 超声波传感器 本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波传感器分机械方式 一款串口输出超声波测距模块使用范例 一、模块简介： 该串口输出超声波测距模块采用STC11F04E单片机作处理器,工作电源：DC5V，工作电流10mA。测量数据输出方式为TTL串口输出，数据格式为标准的ASCII码，数据由：空格位(起始位)+百+十位+个位。工作方式有两种：一是连续测量方式；二是查询测量方式。 测量范围：方式一：5cm～200cm(盲区5cm)；方式二：25cm～350cm(盲区25cm)。 测量过程中，当接收不到障碍物反射的回波时，输出“C C C”，当测量低于下限值（在盲区内）时显示“- - -”。测量结果由模块上的输出端口输出，输出方式为串口（TTL电平）输出。测量结果可通过电脑进行显示。模块使用串口通讯可靠性更高， 同时可以通过电脑串口采集数据，编写通讯程序非常的 便捷。 波特率：1200 校验位：无 数据位：8 停止位：无 ASCII码数据格式：空格位(起始位)+百+十位+个位。 二、模块的使用设置 下图为模块的背面图片。图中标有A、B、C短接焊 盘是作为设置测量方式用；标有0-7的短路焊盘是设置 查询方式下的模块地址用。 方式1：设置为小盲区期测量。设置方法，标号为B 的焊盘即单片机的P3.5 脚与地断开,这时的测量范围为:5-200；这种方式下，测量盲区值小，适合长时间近距离测量用。 方式2: 设置为远距离测量，这种方式，盲区值相对较大，测量相对较远一些，设置方法：将标号为B的焊盘即单片机的P3.5 脚与地短接,这时的测量范围 为:25-350厘米。 方式3：连续方式测量。将标号为A的焊盘即单片机的P3.4 脚与地断开，这时模块测量方式是连续的进行 测量，测量间隔为1-2次/秒，每测量一次，就将测量结果通过串口送出。 方式4：查询方式测量。将标号为A的焊盘即单片机的P3.4 脚与地短接，这时的测量方式为查询方式测量，即通过控制设备向模块发出一个命令后，模块才测量一次。查询方式下，每向测距模块发送一次查询命令，模 块才进行测量一次，完成测量后即将测量结果通过串口 发送出来。设置成查询方式，模块可多块模块连接在一 起组网测量。 查询命令格式：AT+CL=1-255（1-255为模的的地址 编码，每个模块的地址编码由模块上单片机P1口与地短接的情况决定，各块模块的编码可独立，由使用者自己 设定，设定范围1-255，只在查询方式下有效），数据格式为16进制数据。 三、模块使用 为减小本超声波测距模块外形尺寸，该超声波测距 元件采用双面安装，全部元件安装在一块长6cm宽2.5cm 的PCB上。模块可用作应用系统的测距模块。因为它是 串口TTL电平输出的。可应用在倒车雷达、机器人避障、 自制一个由你掌控的 —— 超声波测距传感器（硬件篇） 一、背景 四年多前，我曾尝试自己制作一个超声波测距传感器。 当时是想为 LEGO 的 RCX 配套，因为我是Semia 的技术支持，那时RCX 还没有配置任何测距传感器。由于可查阅的资料有限，且不详细，最后以失败告终 /（也许在网络搜索上我属于“菜鸟”）。 为了达到目的，只好选用了 Sharp 公司的 GP2D12。但自制超声波测距传感器的愿望一直没被遗忘。一是觉得超声波用于测距从原理上讲应该效果不错（GP2D12的测距范围太小，只有 10 — 80 cm）；二是市售成品不够灵活，为了适应它还得做转换接口，费力耗财。 前段时间协助一个单位搞项目，涉及到超声波测距；有幸的是解剖了一款进口的超声波测距传感器 —— SensComp公司的6500，使我对相关原理和技术有了比较透彻的了解。 本想项目结束后立刻动手设计一个自己的传感器，后因忙于“圆梦小车”耽搁了。 现在圆梦小车已初具雏形，可以腾出一点时间，而且小车也需要一些传感器与之配套，便着手实现了这个夙愿。 基于嵌入之梦工作室的宗旨 —— 为学习单片机的大学生服务，将设计和制作的细节与大家分享，希望能有助于读者做出属于你自己的超声波传感器，也让和我有类似想法的人不至于再次失望于网络。 二、需求分析 ?能在测距范围上弥补 GP2D12 的不足，将距离延伸到 80cm以外； ?可以提供给大学生和爱好者 DIY，具有学习功能； ?方便自己随时修改程序，使学习的作用得以充分发挥； ?成品具有一定的使用价值，可方便的应用于小车等需要测距的装置上。 三、概要设计 总体设计参照 SensComp公司（https://www.doczj.com/doc/b414466874.html,）6500测距模块，其核心是两片专用的超声波测距IC：TL851和TL852。 TL852是一片专门设计用于超声波接收、放大、检测的芯片，集成了可变增益、选频放大器，可通过四根控制线变换11级增益，对于检测超声波信号十分有效。 TL851 与TL852 配套，它可实现超声波发射及控制TL852的增益变换，通过定时控制增益，使TL852的增益与回波时间相匹配，一方面提高了检测的灵敏度，同时减小了干扰。 如果不能随时间变换增益，为增加检测距离，就需要加大灵敏度；而开始时灵敏度就很高，无疑会收到一些不想要的信号。（6500测距模块的相关资料及芯片资料见附件） 解剖此模块时，对TL852的功能十分感兴趣，当初我制作时就是“栽”在这个环节；而TL851的功能基本属数字控制范畴，输出还需要配合单片机才能得到结果，接口也不是十分灵活，笔者认为完全可以用单片机替代。 所以，本次设计的主要改变就是用单片机替换6500模块的TL851。 单片机还是选用圆梦小车所用的STC12系列，一是考虑是51兼容，符合国内多数教材；二是下载程序方便。此次选用的是 STC12LE4052（4K FlashROM，256 RAM）。考虑体积因素，选择了SOP20封装。 安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了SensComp公司生产的Polaroid 6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。 1、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[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，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，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]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（time of flight）[2]。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，即 1、硬件电路设计 我们设计的超声波测距系统由Polaroid 600系列传感器、Polaroid 6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机构成。 2.1 Polaroid 600系列传感器 此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VAC pk-pk的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4kHz的超声波。当接收回波时，Polaroid 6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。 Polaroid 600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角[3]，如图1所示： 高精度超声波测距系统设计。 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差， 然后按照下式计算，即可求出距离： 由于超声波指向性强，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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求， 因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上， 给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播 的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μｓ的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在 1 mm的测量范围内。 摘要 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。 介绍了一种以A T 89C2051 单片机为核心, 利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Psp ice 对硬件的主要部分进行了模拟仿真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进, 电路达到了预期的效果。 关键词：AT89C2051; 超声波；测距 Abstract With the development of science and technology, the improvement of people's tandard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban rainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However,due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction.Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. A kind of u lt rason ic telem eter based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem eter is provided w ith som e m er it s such as low co st and h igh2accu racy becau se of the u lt rason ic w ave character ist ic. The hardw are p r incip le elect r ic circu it and them ain sof tw are design idea are show ed. The sim u lat ion of the m ain par t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A t last, acco rding to the theo ret ical analysis and the exper ience som e imp rovem en t s of the design are m ade. The system has ach ieved the an t icipated effect. Key words:AT89C2051; Silent Wave；Measure Distance 文献综述 题目超声波测距技术综述学生姓名 专业班级 学号 院（系）电气信息工程学院指导教师 完成时间2014 年06月01日 超声波测距技术综述 摘要 我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点，同时它是一种非接触式的检测方式，不受光线、被测对象颜色等影响，因此经常被用于距离的测量。超声测距技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值，目前已应用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合。因此，深入研究超声波测距的理论和方法具有重要的实践意义。 关键词超声波超声波测距车辆导航物位测量 1 引言 1.1 超声波简介 一般认为，关于超声的研究最初起始于1876年F1Galton的气哨实验。当时Galton 在空气中产生的频率达300K Hz,这是人类首次有效产生的高频声。而科学技术的发展往往与一些偶然的历史事件相联系。对超声的研究起到极大推动作用的是,1912年豪华客轮Titanic号在首航中碰撞冰山后的沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家们提出用声学方法来预测冰山，在随后的第一次世界大战中，对超声的研究得以进一步的促进。 近些年来，随着超声技术研究的不断深入，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。 而我国，关于超声波的大规模研究始于1956年。迄今，在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。 1.2 超声波测距简介 超声测距指的是利用超声波的反射特性进行距离测量，是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控和移动机器人的研制上，也可在潮湿高温，多尘等恶劣环境下工作。例如：液位、厚度、管道长度等场合。 超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量，机器人视觉识别，倒车防撞雷达，海洋测量，物体识别等方面得到广泛的应用。超声波具有指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远的优点。与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、 （一）题目 超声波测距系统设计 （二）内容及要求 1）设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LCD液晶显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量方式可通过硬件开关预置。 3）测量范围：30cm～200cm， 4）误差＜0.5cm。 5）其它。 2）设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。（三）传感器工作原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则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的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 （四）系统框图 图1 超声波测距系统框图 （五）单元电路设计原理 1、AT89C2051的功能特点 AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。 AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0t Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。 图2 ATC2051示意图 2、LCD的工作原理 在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。 LCD器件是由背光源发射的光通过偏振片和液晶盒时，控制投 最近做超声波测距，就是简单的测量引脚高电平的时间。 思路是这样的 1.使用8MHZ时钟，不分频 初始化Timerx_Init(235,1);//8Mhz的计数频率，计数到235为1cm距离 2. PA0高电平时，打开定时器，测量时间 while(PAin(0)) { TIM3->CR1|=0x01; //使能定时器3 } TIM3->CR1|=0x00; //关闭定时器3 S=temp/2 //测量距离为总路程一半 temp=0；//计数值清零 3.计数到235时，产生中断，进入中断函数。执行temp++操作 void TIM3_IRQHandler(void) { if(TIM3->SR&0X0001)//溢出中断 { temp++; } TIM3->SR&=~(1<<0);//清除中断标志位 } 4.得出距离值S 初学定时器，这样测距思路对吗 实际测试后，S值一直为0，为什么 超声波测距模块说明 1．模块引脚 从左到右（见图）模块引脚分别为：VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、out（空脚）、GND 2．主要技术参数： 1：使用电压：DC5V 2：静态电流：小于2mA 3：电平输出：高电平VCC-0.2V 低<0.2V 4：感应角度：不大于15 度 5：探测距离：0.02m-5m 6：探测精度：3mm(既然探测精度精确到毫米，就是说数据可以显示到毫米级，也就是四位数了！) 板上接线方式：VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、out（空脚）、GND。OUT 脚为防盗模块时的开关量输出脚，测距模块不用此脚！ 3．使用方法： （1）采用IO 触发测距，给TRIG 至少10us 的高电平信号（实际上25us 最佳);此处通过IO口给一个高电平就行了。（2）模块自动发送8 个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； （3）有信号通过ECHO 返回，ECHO 输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．此处用定时 超声波测距系统设计 论文题目：超声波测距系统设计 摘要 超声波具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，超声波测距作为一种有效的非接触式测距方法已被应用于多个领域。 本设计采用渡越时间法，硬件系统分为发射模块、接收模块、显示模块、中央处理模块四个部分。本设计采用STC89C52单片机作为微型中央处理器并由软件实现40kHz脉冲经放大电路从超声波发射探头T-40发射出超声波，接收探头R-40收到声波后经集成芯片CX20106A放大滤波整形后回送到单片机计算，通过发射与接收的时间差和声速计算出距离。本系统使用四位共阳极LED数码管显示距离，能实时显示即时距离。 经测试,在30cm～200cm范围内，误差能控制在2cm以内。根据实验数据进行了误差分析，并提出了解决方案，最后对超声波测距技术的发展进行了展望。通过系统的调试和测试，本设计基本完成了设计要求。 【关键词】单片机，超声波，测距，渡越时间法； 【论文类型】应用型 Title: The design of ultrasonic distance measurement system Major:Electronic and Information Engineering Name: Zhang Yankun Signature:_______ Supervisor: Zhang Xiaoli Signature:_______ ABSTRACT The advantages of ultrasound without the influence of outside light and electromagnetic fields and other factors , ultrasonic distance measurement as an effective non-contact distance measurement method has been used in many fields. This design uses the transit time method, the hardware system is divided into transmitter module, receiver module and display module, the central processing module. This design uses a microcontroller STC89C52 as micro central processing unit and 40 kHz pulse by the software, The ultrasonic emission from the ultrasonic probe the T-40 via the amplifier circuit. Acoustic 电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪 目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18) 摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 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。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，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。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波 一、超声波测距原理 超声波测距原理是通过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时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v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 ① 这就是所谓的时间差测距法。 由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： V = 331.45 + 0.607T ② 声 速 确 定 后, 只 要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 二、系统硬件电路设计 图2 超声波测距仪系统框图 基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 1 、超声波发射电路 超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它上面的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。市售的超声 开题报告 电子信息工程 超声波测距系统的设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 现在认为，超声波最先是从1876年F.Galton的气哨实验开始，这是人类首次产生高频声波。在以后30年内，人们对超声波仍然了解的比较少，发展较为缓慢，对超声波研究没有非常重视。接着在第一次世界大战中，超声波的研究慢慢的受到各国的重视。这时期法国人Langevin使用了一种晶体传感器，并使其在水下接收一些相对较低频率的超声波，并且提出是否可以使用超声波对水中的潜艇进行检测或者在水下利用超声波进行通信。 在1929年，前苏联科学家Sokolov最先提出了利用超声波探进行检查金属物内部是否存在缺陷的想法。在间隔两年后，德国人Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，但是他却没有在这方面进行深入的探索研究。在1934年Sokolov发表了关于超声波在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，使用了多种方法用来检测穿过试验物品的超声波中含有的能量，在这些方法中最为简单的是使用光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹的大小。 之后德国人Bergrnann发布了关于超声波的经典著作《uLTRAsoNIC》，在该著作中对超声波早期的大量资料进行了详细的论述，这本著作也一直被认为是超声波领域中的经典之一。美国的Firestone和英国的Sproulels两人对超声波脉冲回波探伤仪进行了首次介绍，并使超声波检测技术发展到了更为重要的一个阶段。在各种各样的超声波检测系统中，这是最为成功的一种检测系统，因为它具有最广泛的代表性，而且其检测结果也是最容易解释的。这种方法除了可用于手工检测外，还可以和各种先进的系统进行联用。直至当前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍然是应用最为广泛的一种。 在50年代由于雷达的快速发展大大的促进了超声波技术的发展；而后随着电子技术的不断快速发展，又使超声波的发展有了一次快速的飞跃。超声波被广泛的应用于医疗诊断、无损检测及工业控制中。在60年代，随着新材料新技术的应用以及对超声波的深入研究，产生了一些超过 100GHz的超高频超声波，而且这些超高频的超声波开始应用于物理学基础研究、通信和计算机技术等领域当中。 在1992年FigneroaJ.F提出一种新的超声回波计时方法，该方法利用峰值和相位相加得到回波时延冈。利用这种测量方法能够达到18一34米的测量范围，误差精度为2%。在2007年，超声波传感器测距原理
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