基于AT89S51单片机的超声波测距仪设计学生姓名：所在系：专业名称：班级：学号：指导教师：基于AT89S51单片机的超声波测距仪设计学生：指导教师：内容提要：咱们明白，当物体振动时会发作声音。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。
咱们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。
当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，咱们便听不见了。
咱们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
超声和可闻声本质上是一致的，它们的一起点都是一种机械振动。
其不同点是超声频率高，波长短，具有方向性强、能量集中、不受光和电磁波和粉尘等外界因素的干扰等优势。
因此，超声波可用于非接触测量，利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。
而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。
正由于如此，目前关于超声波精准测距的需求也愈来愈大，在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域具有普遍地应用。
另外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重腹地位。
本文要紧介绍基于AT89S51单片机，辅助以CX20206A红外接收专用放大电路，TCT40-10超声波传感器和数字化的温度传感器DS18B20设计的超声波测距仪。
测距原理采纳一样的方式：渡越时刻法TOF（time of flight）来测量物体与发声源的距离。
测量距离可能5m，测量精度约为0.01m。
关键字：超声波渡越时刻法 AT89S51 CX20206A TCT40-10 DS18B20AT89S51 MCU-BASED DESIGN OF ULTRASONICRANGE FINDERAbstract：We know that objects will sound when they vibrate. Scientists call the number of vibrations per second frequency of sound, its unit is the Hertz. Our human ears can hear the sound frequency between 20 ~ 20,000 Hz. When the sound wave frequency is greater than 20000 Hz or less than 20 Hz, we can’t listen it. We have higher than 20000 Hz frequency sound waves known as "Ultrasonic". The sound wave which we can listen and ultrasonic have the same essence, they are also a mechanical vibration. Their difference is that the ultrasonic have a high-frequency and a short wavelength, furthermore it is high directivity, concentrated energy, and free form light and dust, such as electromagnetic interference from external factors, etc. Therefore, ultrasound can be used for non-contact measurement, the use of ultrasound in the calculation of the measured objects and the transmission between the ultrasonic probe to measure the distance of the measured target without damage.This paper mainly introduces single-chip based on the AT89S51, auxiliary CX20206A infrared receiver to a dedicated amplifier and TCT40-10 ultrasonic sensor designed ultrasonic range finder. Ranging general principle of the method used: transit-time method TOF (time of flight) to measure objects with the sound source distance. Measuring the distance about 5m, the measurement accuracy of about 0.01m.Key words：ultrasonic time of flight ultrasonic-sensor AT89S51 CX20206A TCT40-10 DS18B20目录一、引言............................................................................................................ 错误!未定义书签。
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AT89C51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。
并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，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：AT89C51，超声波，温度补偿，测距AbstractThe design introduces the principle of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMC-controlled: AT89C51 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.And the temperature compensation adjustment is used in the data processing, with four LED nixie tubes display distance or temperature by switching.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:AT89C51, Ultrasonic wave, Temperature compensation, Measure distans目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (1)第1章引言 (1)1.1 课题研究的背景 (1)1.2 课题研究的意义 (1)1.3 论文结构 (2)第2章超声波测距原理 (3)2.1 超声波简介 (3)2.2 超声波测距原理 (3)第3章方案论证 (5)3.1 设计思路 (5)3.2 系统结构设计 (6)第4章主要元件介绍 (7)4.1 单片机AT89C51 (7)4.2 超声波传感器T40、R40 (9)4.3 温度传感器DS18B20 (10)第5章硬件电路设计 (11)5.1 超声波发射电路 (11)5.2 超声波接收电路 (11)5.3 显示电路 (12)5.4 电源电路 (13)5.5 复位电路 (13)第6章软件设计 (14)6.1 主程序流程 (14)6.2 子程序设计 (15)6.2.1 超声波发送子程序及超声波接收中断子程序 (15)6.2.2 测温子程序 (17)6.2.3 距离计算子程序 (17)6.2.4 显示子程序和键盘扫描子程序 (18)第7章软件调试及系统仿真 (19)7.1 软件编译调试环境——Keil (19)7.2 系统仿真环境——Proteus (19)7.3 系统仿真 (19)7.4 误差及特性分析 (22)结论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)附录1 整体电路图 (26)附录2 程序 (27)第1章引言1.1 课题研究的背景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。
第３１卷 第４期 陕西科技大学学报 Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．４ ２０１３年８月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ．２０１３＊ 文章编号：１０００－５８１１（２０１３）０４－０１２７－０４基于ＡＴ８９Ｓ５１单片机的超声波测距系统设计林二妹（闽南理工学院，福建石狮 ３６２７００）摘 要：在分析超声波测距原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所要考虑的问题，详细介绍了以ＡＴ８９Ｓ５１单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件的设计方法，系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、易于做到实时控制，测量精度上达到了工业实用的要求．关键词：单片机；超声波；测距中图法分类号：ＴＰ２１６＋．１ 文献标识码：ＡＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＣＭ ＡＴ８９Ｓ５１ＬＩＮ Ｅｒ－ｍｅｉ（Ｍｉｎ Ｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｉｓｈｉ ３６２７００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｔｈｏｕｇｈｔ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｒａｎｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄｌｙ ｃｏｎ－ｓｉｄｅｒｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｄｉｇｉｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇＡＴ８９Ｓ５１ａｓ ｔｈｅ ｈｅａｒｔ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｓｔａｂｌｅ，ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ ｆａｓｔ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ，ｅａｓｙ ｔｏ ｄｏ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｒｅａｃｈｅｄ ｉｎｄｕｓ－ｔｒｉａｌ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＣＭ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｙｏｃｏ）；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｒａｎｇｉｎｇ０ 引言超声波是指频率高于２０Ｈｚ的机械波，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，而且在介质中传播的距离较远，反射能力较强，另外，测量时与被测物体无直接的接触，还能清晰稳定的显示出测量结果，所以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．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、车辆自动导航等方面有着广泛的应用．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．１ 超声波测距原理超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离．实现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．本测距系统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＊收稿日期：２０１３－０２－０２作者简介：林二妹（１９８３－），女，福建漳州人，实验师，研究方向：电子信息技术陕西科技大学学报第３１卷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．再由单机计算出距离，送ＬＥＤ数码管显示测量结果．超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表１，根据计时器记录的时间ｔ（见图１），就可以计算出发射点距障碍物的距离（ｓ），即ｓ＝ｖ＊ｔ／２．表１ 声速与温度的关系温度／℃－３０－２０－１０ ０ １０ ２０ ３０ １００声速／（ｍ／ｓ）３１３ ３１９ ３２５ ３２３ ３３８ ３４４ ３４９ ３８６图１ 超声波测距时序图２ 单片机超声波测距系统设计框图单片机超声测距系统框图如图２．该系统由单片机控制模块、超声波发射电路和接收电路、显示电路、供电电源及报警电路组成［１］．图２ 系统设计框图３ 单片机超声波测距系统硬件电路设计本设计主要包括单片机控制系统、超声波发射电路和接收电路、显示电路、供电电源、报警输出电路等几部分［２］．３．１ 单片机控制系统超声波测距单片机控制系统采用ＡＴ８９Ｓ５１为核心芯片，系统晶振采用１２ＭＨｚ的晶振．各端口定义为：Ｐ２．７为输出超声波换能器所需的４０ｋＨｚ的方波信号，Ｐ３．５为监测超声波接收电路输出的返回信号．显示电路采用三位一体ＬＥＤ数码管，Ｐ２口为段码输出，Ｐ３．２、Ｐ３．３、Ｐ３．４为位码输出端，Ｐ３．１、Ｐ０．２为报警控制端口，Ｐ３．６为数值调整键，Ｐ３．７为功能键［３］．该系统如图３所示．图３ 超声波测距单片机控制系统３．２ 超声波发射电路和接收电路３．２．１ 超声波发射电路超声波发射电路如图４所示，超声波发射电路由电阻Ｒ１、三极管ＢＧ１、超声波脉冲变压器Ｂ及超声波发送头Ｔ４０构成，超声波脉冲变压器的作用是提高加载到超声波发送头两端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离．由ＡＴ８９Ｓ５１单片机的Ｐ２．７输出４０ｋＨｚ的方波，经三极管ＢＧ１推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成６０ＶＰ－Ｐ的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波．３．２．２ 超声波接收电路超声波接收电路如图５所示，接收电路由ＢＧ２、ＢＧ３组成的两级放大电路构成．超声波的检波电路、比较整形电路由Ｃ８、Ｄ５、Ｄ６及ＢＧ４组成．发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到．由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收到的信号加到ＢＧ２、ＢＧ３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Ｉ Ｎ４１４８检波二极管检波得到解调后的信号，最后输出一负跳变，输入单片机的Ｐ３．５脚．３．３ 显示电路显示电路采用三位一体ＬＥＤ数码管显示所测距离值，如图６．数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的Ｐ２口，位码输出端口分别为单片机的Ｐ３．４、Ｐ３．２、Ｐ３．３口，数码管位驱运用ＰＮＰ三极管要Ｓ８５５０驱动．·８２１·第４期林二妹：基于ＡＴ８９Ｓ５１单片机的超声波测距系统设计图４ 超声波发射电路图５ 超声波接收电路３．４ 供电电源电路供电电源电路采用ＬＭ７８０５集成稳压器作为稳压器件，２２０Ｖ电源经降压、整流、滤波后送入ＬＭ７８０５稳压，输出端接一个４７０ｕＦ和０．１ｕＦ电容滤除纹波，得到＋５Ｖ稳压电源，电路如图７所示．同时为调试系统方便，供电方式另采用由电脑ＵＳＢ接口供电．３．５ 报警输出电路为提高测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式．方式一：报警信号由单片机Ｐ３．１端口输出，图６ 显示部分电路结构图７ 供电电源电路继电器控制，可驱动较大的负载，电路由电阻Ｒ６、三极管ＢＧ９、继电器ＪＤＱ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开．方式二：报警信号由单片机Ｐ０．２口输出，提供声响报警信号，电路由电阻Ｒ７、三极管ＢＧ８、蜂鸣器ＢＹ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…．．”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响．报警输出电路如图８．４ 单片机超声波测距系统软件设计单片机超声波测距系统的软件设计采用Ｃ语言编程．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几部分组成［４］．超声波测距程序流程图如图９．本设计主程序首先是对系统初始化，设定时器０为计数，１为定时．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ＥＣ＝１时，测量一次，程序设计超声波测距频度是·９２１·陕西科技大学学报第３１卷图８ 报警输出电路图９ 超声波测距程序流程图４～５次／秒．测距间隔中，整个程序主要进行循环扫描显示测量结果．当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生４个频率为３８．４６ｋＨｚ超声波脉冲，加载到超声波发头上．超声波头发送完超声波后，计时器Ｔ０开始计时，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，单片机延时约１．５～２ｍｓ后，才启动对单片机Ｐ３．５脚的电平判断程序．当检测到Ｐ３．５脚的电平由高转为低时，Ｔ０停止计时［５］．由于单片机采用的是１２ＭＨｚ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）按公式计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离．５ 系统安装与调试编写程序与调试，用编程器将ＫＥＩＬ软件对应源程序编译生成．ＨＥＸ文件烧写到ＡＴ８９Ｓ５１单片机中．按图焊接硬件电路，焊接完后单独测试确保整个系统能正常工作，最后将写好的单片机插入到测距板上，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测量４～５次，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，该值为１５℃时的超声波值．经测试表明，本系统实现了预期的控制要求．６ 结束语本系统利用单片机ＡＴ８９Ｓ５１实现超声波测距功能，该系统设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业的要求．可应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场，如：液位、井深、管道长度等场合．该设计具有很大的现实意义．参考文献［１］沈红卫．基于单片机智能系统设计与实现［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．［２］赵建领，薛园园．５１单片机开发与应用技术详解［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９．［３］楼然苗，李光飞．５１系列单片机设计实例［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．［４］杨国田，白 焰，董 玲．５１单片机实用Ｃ语言程序设计［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００９．［５］李鸣华，余水宝．单片机在超声波料位测量中的应用［Ｊ］．电子技术应用，１９９８，２４（９）：１４－１６．·０３１·。
