南京理工大学
毕业设计说明书(论文)
作者: 朱健宇准考证号：
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摘要
本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由AT89S52控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。用四位LED数码管切换显示距离和温度。
整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。
关键词：AT89S52 超声波测距
ABSTRACT
The design introduces the principle of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMC-controlled: AT89S52 controls timers to produce the ultrasonic wave pulse and time,count the time of ultrasonic wave spontaneous emission to receive round-trip,thus obtains the measured distance.with four LED nixie tubes display distance.
The entire hardware circuit is composed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the power circuit, display circuit, and other modules. The probe signals are integrated analysised by SCMC to achieve the various functions of ultrasonic distance measurement instrument. Based on this has designed system's overall concept, final adoption of hardware and software to achieve the various functional modules. The relevant parts have the hardware schematics and process flow chart.It has given the system constitution, the circuitry and the programming. The instrument system has features: ease of control, stability of operation, highness of precision and distinctness of programme process ,etc. After the realization of the works can be used for needs of the various parameters measured distance applications.
Keywords: AT89S52 Ultrasonic wave Measure distance
目次
1 绪论 (1)
1.1 课题研究的背景 (1)
1.2 课题研究的意义 (1)
2 总体设计方案及论证 (3)
2.1 设计思路 (3)
2.2 系统结构设计 (4)
3 硬件实现及单元电路设计 (5)
3.1 主控制模块 (5)
3.2 超声波测模块 (7)
3.3 测距分析 (10)
3.4 时钟电路的设计 (12)
3.5 复位电路的设计 (12)
3.6 声音报警电路的设计 (13)
3.7 显示模块 (14)
3.8 按键控制模块 (15)
3.9 电源开关电路 (16)
4 系统软件的设计 (17)
4.1 超声波测距仪的算法设计 (17)
4.2 超声波探测程序流程图 (20)
5 系统的误差分析 (21)
5.1 声速引起的误差 (21)
图5.1 空气中温度-声速图 (22)
5.2单片机时间分辨率的影响 (22)
6 总结 (24)
7 参考文献 (25)
附录 (27)
附件1：原理图 (27)
附件2：程序 (28)
附件3：元件清单 (43)
附件4：实物图 (44)
1绪论
1.1 课题研究的背景
随着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。
随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，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，超声波传感器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。毋庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器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。
1.2 课题研究的意义
在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵
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敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89S52单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。
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2 总体设计方案及论证
2.1 设计思路
测量距离方法有很多种，短距离可以用尺，远距离有激光测距等，超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。
目前比较普遍的测距的原理：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。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要求。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM （EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。所以，8051是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，它控
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制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用锁相环LM567对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC 值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控,可对测得数据优化处理；AT89S52还控制显示电路，用动态扫描法实现LED数字显示。
2.2 系统结构设计
超声波测距仪系统结构如图2.1所示。它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、键盘、LED显示电路及电源电路组成。系统主要功能包括：
1)超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；
2)LED显示器显示距离、温度；
3)键盘接收用户命令并处理；
4)当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位。
图2.1 超声波测距仪系统结构框图
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3 硬件实现及单元电路设计
硬件电路总设计见图 3.1，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件：AT89S52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。其中D1为电源工作指示灯。电路中用到3个按键，一个是设定键, 一个加键，一个减键。
图3.1 总设计电路图
3.1 主控制模块
本设计采用以AT89S52单片机为核心的单片机最小系统为控制核心,也称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最
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小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.
复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.至于如何具体定量计算,可以参考电路分析相关书籍.
晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)
单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机
特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.这一点是初学者容易忽略的.
主控制最小系统电路如图3.2所示。
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图3.2 最小系统
3.2 超声波测模块
3.2.1 模块功能
超声波模块采用现成的ＨＣ－ＳＲ０４超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。实物如下图3.3。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。
图3.3 超声波模块实物图
超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下：IO口触发，给Trig口至少10us的高电平，启动测量；模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口Echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*340）/ 2，单位为m。程序中测试功能主要由两个函数完成。
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实现中采用定时器0进行定时测量，8分频，TCNTT0预设值0XCE，当timer0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式为（单位：ms）：
T = （定时器0溢出次数 * （0XFF - 0XCE））/ 1000
其中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。
3.2.2 超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图3.4所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
图
3.4 超声波发射电路原理图
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3.2.3 超声波接收电路
超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求。锁相环LM567内部压控振荡器的中心频率为)211.1/(10C R f P ，锁定带宽与C3有关。由于发送的超声波频率为40kHz ，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为40kHz ，只响应该频率的信号，避免了其他频率信号的干扰。
当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz ，则从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。超声波接收电路如图3.5所示。
图3.5 超声波接收电路
3.2.4 超声波的特性
声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。
超声波的特性有： （1）束射特性 （2）吸收特性
（3）超声波的能量传递特性
（4）超声波的声压特性
3.2.5超声波换能器
完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多用作探测方面。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。
超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高。
3.3 测距分析
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
最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中
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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面的距离s ，即：s =340t /2。
由于超声波也是一种声波，其声速V 与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。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基本原理。如图3.6所示：
t
超声波发射 障碍物 S H θ
超声波接收
图3.6 超声波的测距原理
θcos S H = （3-1）
)
(
H L
arctg =θ （3-2）
式中:L---两探头之间中心距离的一半. 又知道超声波传播的距离为:
vt
S =2
( 3-3)
式中:v —超声波在介质中的传播速度; t —超声波从发射到接收所需要的时间.
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将（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：
]
cos[21H L
arctg vt H = ( 3-4)
其中,超声波的传播速度v 在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H 远远大于L 时,则(3—4)变为:
vt
H 21= ( 3-5) 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.
3.4 时钟电路的设计
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ ，一个振荡周期为1/12us ，故而一个机器周期为1us 。如图3.7所示为时钟电路。
图3.7 时钟电路图
3.5 复位电路的设计
单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，给单片机一个复位信号（一个一定时间的低电平）使程序从头开始执行；复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET 端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz 时，则复位信号持续时间应不小于2us 。本设计采用的是
自动复位电路。如图3.8示为复位电路。
图3.8 复位电路图
3.6 声音报警电路的设计
蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器，原理图见下面图3.9：
图3.9 声音报警电路图
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如图所示，蜂鸣器的正极接到VCC（＋5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P2.3引脚控制，当P2.3输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P2.3输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P2.3脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。
3.7 显示模块
数码管分为共阳极的LED数码管、共阴极的LED数码管两种。本设计的是共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。要使数码管显示数字，有两个条件：1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。
在单片机系统中，LED数码管的驱动方式主要有动态显示和静态显示两种类型，每种类型的驱动电路各部相同。
本设计使用LED动态显示，动态显示的原理就是，把所有LED数码管相同的段码连在一起，作为数据总线，连接至单片机的I/O端口上，每个LED数码管的公共端单独留出来，作为区分LED数码管的地址线，分别连接到单片机的I/O端口上，在某一时刻，单片机发送要显示的数据到LED数码管的数据总线上，同一时刻接通需要显示数据的数码管的公共端，这样对应的数码管就亮了，而没有选通公共端的数码管，虽然数据端上有数据存在，但是公共端未接通，形不成通路，所以段码就不会亮。这样就把要显示的数据和数码管的位置就对上了，总体一句话，把待显数据放在数据总线上，同时接通某一数码管的公共端，点亮数码管后，延时一定时间（一般5---10ms 左右），然后断开刚才数码管的公共端；再向数据总线发送下一组数据，接通另一个数码管的公共端，再延时一定时间，断开数码管的公共端；用同样方法使所有的数码管都显示一遍，然后从头开始循环扫描下去，只要每个数码管在每秒内能够显示25次以上，我们看到的显示效果就是稳定的数值。这就是数码管的动态扫描驱动方式。
显示模块采用数码管显示接口电路如图3.10
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图3.10 数码管电路
3.8 按键控制模块
图3.11 按键控制电路
如图3.11所示，S2为调整按键，当按下S2后，P2.0端口电平被拉低成为低电平，单片机检测到低电平后有效，进入报警距离设定。S3为距离加键，当单片机检测到P2.1变为低电平后将报警距离加1cm ，S4为减键，当单片机检测到P2.1变为低电平后将报警距离减1cm 。