基于单片机的测距系统设计

沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）

- 1 - 第1章 课题及功能分析

本系统是基于单片机的测距系统设计。在本系统的设计当中，主要是应用单片机AT89C52控制超声波发射与接收，运用压电式超声波技术来实现基本测距的功能。

1.1 题目来源

本次毕业设计的题目是基于单片机的测距系统设计。 在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。测距电路在人们的日常生活及工作中都有广泛的应用，可谓是源于生活，贴近生活，是和生活密不可分的。而在本测距系统的设计中主要应用超声波技术来实现测距的功能，我们知道，超声波是指频率大于20kHz的在弹性介质中产生的机械振荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点，因此常被用于非接触测距，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

超声波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。

由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力，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，所以将此技术应用到生活中可以节省很多人力、物力等资源，而且利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，在测量精度方面能达到日常使用的要求，大大提高了产品的性能及质量。此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。 沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）

- 2 - 1.2 主要任务

本次毕业设计的任务比较明确，主要是测量超声波到反射物的距离，此设计中最关键的是计算从超声波发出到途中遇到障碍物反射回来的往返时间，然后利用有关参数根据距离计算公式算出所测距离，要求测距的范围是0.5到10米，所测到距离要能够实时显示，如果距离小于0.5米，将采用声光报警来提示用户。

1.3 功能分析

本次毕业设计的基于单片机的测距系统设计主要是应用超声波技术，以单片机系统为设计核心的控制系统，该系统要实现以下功能：

1．测距范围为0.5到10米；

2．数码管实时显示所测到的距离；

3．距离小于0.5米发生声光报警。

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- 3 - 第2章 方案论证

2.1 系统设计要求

本设计要求设计一测距系统，测距的范围是0.5到10米，所测到距离要能够实时显示，如果距离小于0. 5米，将采用声光报警来提示用户。在设计当中以单片机为核心器件，形成相应的测距电路，信号处理电路及报警电路，自行编制单片机控制程序，并进行硬件调试、软件调试，最后进行软硬件联调，达到性能要求。

系统性能要求如下：

1．收发传感器均选用超声波传感器；

2．距离要求显示；

3．探测距离0.5m—10m；

4．工作温度-20—45℃。

2.2 系统方案论证

超声波测距原理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。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、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的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射或接收的设计方法。

2.2.1方案1

本系统主要是基于单片机的测距系统，在系统的设计当中要以单片机为核心器件，分为超声波发射电路和超声波检测接收电路、显示及报警四部分。超声波测距电路的设计框图如图2.1所示： 沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）

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图2.1 超声波测距电路的设计框图

本方案采用单片机作为控制系统，用单片机产生8个40kHz的超声波，脉冲持续时间为0.2ms左右，时隔59.8ms反复进行。此脉冲信号作为计时的起始脉冲，由单片机输出的端口的高频脉冲经过74LS04六反相器功率放大、升压后与超声波探头产生共振，使超声波探头工作，则超声波由超声波发射头发射出去。接收电路由超声波接收器、CX20106A集成电路组成。使用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大、滤波。当CX20106A接收到反射40kHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，停止计数器T0计数，并读取T0计数值存储。显示用4位共阳极LED数码管，声光报警是用发光二极管和蜂鸣器组成的，单片机输出一定频率的脉冲驱动蜂鸣器发出报警声，同时点亮发光二极管。系统中采用的是压电式超声波发生器，这个发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成。发射超声波时，压电传感器中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。接收超声波时，两电极间未外加电，共振板接收到超声波，将压迫压电晶片作振动将机械能转换为电信号。

2.2.2方案2

原理框图如图2.2所示。 74LS04反相器

CX20106A集成电路 超声波发射器

超声波接收器

MCS-52

单

片

机

显

示

报

警 沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）

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图2.2 方案原理框图

本方案主要是对方案1的发射和接收电路做了改动，在本方案中的发射电路是由单片机I/O口编程输出40kHz的方波，持续时间为0.2ms，每隔59.8ms左右再发一次，常温下超声波在空气中的传播速度为340米/秒，这样决定了仪器的最大探测距离为msmms2.102/34060。直接由单片机产生40kHz的超声波，在发射电路中，由于单片机的P1口作为I/O口使用时吸电流能力小，所以外接一个三极管来提高其输出电流的能力，保证40kHz的脉冲有一定的功率。在接收端方案二采用FPS4091接收组件，需要将红外接收管PH302换为超声波接收头。因为在距离较远时，回波信号很弱，使用此接收组件，可以在有效的测距范围内保证接收到的信号其输出达到TTL电平避免了为达到几十万倍的放大量而采用多级运放组成的调试困难的高增益放大电路，十分便于制作，且电路无需调试。

2.2.3方案比较

通过分析上述两个方案，可以发现他们的主要区别在超声波的接收和发射部分，方案一的发射电路采用74LS04六反相器来驱动40kHz的超声波，而方案二采用直接通过对单片机的编程由I/O口直接产生40kHz的超声波，方案一虽然增加了六反相器，但这能保证超声波一定能发射出去，提高驱动能力。在接收部分方案一采用CX20106A集成电路，使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤

MCS-51

单

片

机 超声波发射器

显

示

报

警 超声波接收器 FPS4091接收组件 沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）

- 6 - 波。当CX20106A接收到反射40kHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，停止计数器T0计数，并读取T0计数值存储。而方案二采用FPS4091接收组件，结构虽然简单且不用调试，容易实现，但是大大的增加了投入费用，这与我们的实际情况不符，同时FPS4091接收组件在市场上不是很容易买到，尤其是小批量的购买很难。

2.2.4结论

通过方案比较，方案一更加节省资金，容易实现，与我们的实际情况相符，因此确定选择方案一为最终实施方案。

2.3 元器件的选择

在整个的系统设计当中，元器件的选择是否适合本设计的需求，对于系统设计的成功与否起着相当重要的作用，所以在系统的设计过程中，一定要慎重地选择所要用的元器件。在本系统中，单片机采用AT89C52，具有较高的数据存储空间；晶体振荡器采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差；超声波传感器选择T/R40-16（T发射/R接收）；LED七段数码管选用简单实用的四位LED共阳数码管，位码采用PNP三极管8550驱动；超声波发射电路采用六反相器74LS04构成的推挽形式将方波信号加到超声波传感器两端，以提高超声波的发射强度；超声波检测接收电路主要采用CX20106A集成电路。

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- 7 - 第3章 系统硬件电路的设计

本系统是利用超声波技术来实现其测距的功能，它不仅包含硬件电路的设计，也包含了软件程序的编程。下面就先以硬件电路的设计加以说明。

3.1 系统硬件电路的设计思想

本系统主要是用单片机来实现的测距电路的设计，按照设计的要求，主要是根据超声波测距原理，以AT89C52单片机控制系统为核心来设计本系统。

以下是对超声波测距系统的各部分电路的说明：

1、AT89C52单片机最小系统是本系统设计的核心部分。它的主要作用是：

① 发射40kHz的方波信号用来驱动超声波传感器发生超声波信号；

② 利用计数器T0对超声波从发射到返回所用的时间进行计数；

③ 利用外部中断0口来检测超声波回波信号；

④ 根据所测出的时间及有关参数来计算距离；

⑤ 控制有关参数的输入与显示。

2、显示电路的作用是采用动态扫描法使4位LED共阳数码管实时显示。

3、超声波发射电路的作用主要是将单片机发射过来的40kHz的方波信号放大加到超声波发射传感器两极，用以驱动超声波传感器发生超声波信号。

4、超声波检测接收电路的作用主要是对接收到的超声波回波进行放大和整形，将其转换成单片机中断信号。

5、声光报警电路的作用主要是根据有关参数及设计要求使系统按要求发出相应的报警信号。

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- 8 - 3.2 系统硬件电路的设计

本系统的硬件电路主要分为单片机最小系统、显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路及声光报警电路五部分。

3.2.1 单片机最小系统电路

单片机最小系统电路是整个硬件电路中非常重要的一部分。单片机系统主要起控制电路中的各部分能够按照设计要求正常工作的作用，在本电路中单片机采用AT89C52，采用了12MHz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AT89C52最小系统电路如图3.1所示：

图3.1单片机AT89C52最小系统电路