超聲波測(cè)距器課程設(shè)計(jì)

1、徐州工程學(xué)院微機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)微機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名郝強(qiáng)學(xué)號(hào) 20110611113學(xué)院名稱機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)名稱機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師王前2013年12月27日 摘要隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣。本文對(duì)超聲波傳感器測(cè)距的可能性進(jìn)行了理論分析，利用模擬電子、數(shù)字電子、微機(jī)接口、超聲波換能器、以及超聲波在介質(zhì)的傳播特性等知識(shí)，采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過(guò)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。為了保證超聲

2、波測(cè)距傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，采取了相應(yīng)的抗干擾措施。就超聲波的傳播特性，超聲波換能器的工作特性、超聲波發(fā)射、接收、超聲微弱信號(hào)放大、波形整形、速度變換、語(yǔ)音提示電路及系統(tǒng)功能軟件等做了詳細(xì)說(shuō)明。關(guān)鍵詞： 超聲波 ；傳感器； 測(cè)量距離；控制目 錄 摘要 2 目 錄 3 1.設(shè)計(jì)目的 4 2.總體方案 4 3.硬件設(shè)計(jì) 5 3.1 超聲波測(cè)距器硬件電路設(shè)計(jì) 5 3.2.1 單片機(jī)芯片的選擇 63.2.2AT89C51定時(shí)計(jì)數(shù)應(yīng)用電路 6 3.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 63.3.1選擇超聲波發(fā)生器類型 6 3.3.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 7 3.4 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

3、83.5超聲波顯示電路設(shè)計(jì)9 4.軟件設(shè)計(jì) 9 4.1波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì) 10 4.2系統(tǒng)的主控制程序設(shè)計(jì) 11 4.3發(fā)生子程序設(shè)計(jì)12 4.4接收中斷程序設(shè)計(jì)13 4.5顯示程序設(shè)計(jì)144.6距離計(jì)算程序15 5.結(jié)論 17 參考文獻(xiàn) 181.設(shè)計(jì)目的超聲波測(cè)距器，可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。要求測(cè)量范圍在0.104.00m，測(cè)量精度1 cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。2.總體方案 硬件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成。采用AT89C1或其兼容

4、系列來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和74LS04系列超聲波發(fā)射模塊的控制。單片機(jī)通過(guò)P1.0引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。3.硬件設(shè)計(jì)3.1 超聲波測(cè)距器硬件電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,然后求出距離。路程、波速、時(shí)間之間的關(guān)系，可用下列簡(jiǎn)單的公式表示： 上式中

5、，d為超聲波傳播單邊的路程，s為超聲波來(lái)回的路程， c為超聲波波速, t為超聲波來(lái)回所用的時(shí)間。當(dāng)聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距的原理。超聲波測(cè)距的原理如圖所示。3.1超聲波測(cè)距原理根據(jù)超聲波測(cè)距原理，超聲波測(cè)距器需要有超聲波發(fā)生器、超聲波接收器、超聲波傳播的計(jì)時(shí)器。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，硬件電路由單片機(jī)計(jì)時(shí)及控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路、顯示電路及電源五部分組成。系統(tǒng)原理總框圖見(jiàn)圖。3.2超聲波測(cè)距器的原理總框圖3.2.1 單片機(jī)芯片的選擇89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmab

6、le and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。3.2.2AT89C51定時(shí)計(jì)數(shù)應(yīng)用電路AT89C51單片機(jī)片內(nèi)集成有兩個(gè)可編程

7、的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T14。它們既可以工作于定時(shí)模式，也可以工作于外部事件計(jì)數(shù)模式。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)計(jì)數(shù)器T0，根據(jù)需要，讓其工作于方式1。方式1的計(jì)數(shù)位數(shù)是16位，由TL0作為低8位，TH0作為高8位，組成16位加1計(jì)數(shù)器。其初值在65 5350范圍，計(jì)數(shù)范圍為165 536。具體應(yīng)用見(jiàn)程序設(shè)計(jì)部分。3.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)3.3.1選擇超聲波發(fā)生器類型壓電式超聲波換能器利用壓電晶體的諧振來(lái)工作，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。超聲波換能器有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加電脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將發(fā)生共振，從而帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果在共振板上外加

8、適當(dāng)?shù)臋C(jī)械振動(dòng)，使壓電晶片發(fā)生共振，將在壓電晶片之間產(chǎn)生交變的電信號(hào)。這時(shí)它就成為了超聲波接收器。本設(shè)計(jì)選用壓電式超聲波換能器TCT40l0Fl作超聲波發(fā)射器。使用時(shí)注意分清器件，因?yàn)樗c接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同。 3.3超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，如圖所示。圖中T為超聲波發(fā)射器，采用TCT40l0Fl，外型尺寸15 。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R2，R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。工作時(shí)，單

9、片機(jī)的定時(shí)器T0產(chǎn)生40 KHz方波信號(hào)，從P1.3端口輸出，一路經(jīng)過(guò)一級(jí)反向器后送到超聲波發(fā)射器T的一個(gè)電極，另一路經(jīng)過(guò)兩極反向器后送到超聲波發(fā)射器T的另一個(gè)電極，從而將40 KHz電脈沖信號(hào)加到超聲波發(fā)射器T，使T發(fā)射超聲波。電路采用推挽形式，向超聲波發(fā)射器T提供電脈沖信號(hào)，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。3.4超聲波發(fā)射電路原理圖3.4 超聲波接收電路設(shè)計(jì)超聲波接收電路主要由超聲波接收換能器R和超聲波檢測(cè)接收模塊構(gòu)成，如圖所示。圖中R為超聲波接收器，采用TCT40l0Sl，外型尺寸15 。U5是超聲波檢測(cè)接收模塊，設(shè)計(jì)時(shí)選用了紅外線檢波接收專用集成電路芯片CX20106A。選用的原因是CX20

10、106A常用的載波頻率為38KHz，與測(cè)距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以將發(fā)射的超聲波之頻率控制為38KHz。電路中設(shè)置的電容C4，適當(dāng)更改其大小，可以改變接收電路的抗干擾能力；適當(dāng)改變電路中的電容C6，可改變電路的靈敏度。工作時(shí)，接收的超聲波信號(hào)經(jīng)R轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，加到CX20106A的輸入端（1腳），處理后由CX20106A的輸出端（7腳）送達(dá)單片機(jī)的中斷口INT0，申請(qǐng)CPU處理。3.5超聲波檢測(cè)接收電路3.5超聲波顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式，本系統(tǒng)采用并行輸出的動(dòng)態(tài)顯示方式。顯示電路結(jié)構(gòu)根據(jù)本超聲波測(cè)距器顯示測(cè)距數(shù)據(jù)的需要

11、，采用4位LED動(dòng)態(tài)顯示電路。 其中2位顯示小數(shù)部分，2位顯示整數(shù)部分。顯示信息輸入部分由單片機(jī)P0輸出端，連接74LS244相應(yīng)輸入端，驅(qū)動(dòng)器輸出端經(jīng)限流電阻連接相應(yīng)字段碼端；字位控制部分分別由三極管驅(qū)動(dòng)，選用PNP型晶體管9012，其基極經(jīng)限流電阻連接單片機(jī)的P2口相關(guān)端子，集電極連接數(shù)碼管的共用端，發(fā)射極連接電源。顯示電路如圖所示5。3.6超聲波測(cè)距動(dòng)態(tài)顯示電路4軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的軟件主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序以及顯示子程序組成。4.1波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)從前面距離的計(jì)算公式可知，c為聲速，對(duì)于超聲波，在常溫20時(shí)，其數(shù)值為344米/秒；若能準(zhǔn)確測(cè)量出超聲波從發(fā)

12、射到返回所用時(shí)間，則可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)障礙物之間的距離。測(cè)量距離時(shí)，由超聲波測(cè)距器的主控制器中定時(shí)器記錄時(shí)間，設(shè)計(jì)中要求超聲波測(cè)距時(shí)精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間。測(cè)量超聲波來(lái)回所用的時(shí)間，當(dāng)送出一個(gè)超聲波脈沖后，需要延時(shí)約0.1ms，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)，這是為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起直射波觸發(fā)。單片機(jī)工作時(shí)晶振頻率為12MHz，計(jì)數(shù)器每計(jì)1個(gè)數(shù)就是1 s，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將停止計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)。計(jì)算距離，將計(jì)數(shù)器T0中的計(jì)數(shù)值T0帶入距離的計(jì)算公式計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離。具體為計(jì)算的結(jié)果，以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示，顯示時(shí)間約

13、0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。4.2系統(tǒng)的主控制程序設(shè)計(jì)主程序包括對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式，調(diào)用超聲波發(fā)生子程序，等待反射超聲波，計(jì)算距離，顯示距離；重復(fù)。主程序流程圖如圖。4.1主程序流程圖主程序START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H ;40H43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40H為最高位） MOV R7, #0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ；T1為8位自動(dòng)重裝模式，T0為16位定時(shí)器 MOV TH0, #00H

14、;65ms初值 MOV TL0, #00H MOV TH1, #0F2H ;40kHz初值 MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制（為賦值的一半） SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ；開(kāi)啟測(cè)試定時(shí)器START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1 CLR EA LCALL WORK SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新開(kāi)啟測(cè)試定時(shí)器 MO

15、V R2, #64H ;測(cè)量間隙控制（約4ms×100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2,LOOPSJMP START14.3發(fā)生子程序設(shè)計(jì)超聲波發(fā)生子程序，主要功能是單片機(jī)控制，通過(guò)P1.3端口發(fā)送2個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)，頻率為約40kHz的方波，其脈沖寬度為12s左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RE

16、TI4.4接收中斷程序設(shè)計(jì)超聲波接收中斷程序，主要功能是單片機(jī)控制，檢測(cè)外中斷0返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示本次測(cè)距不成功。；T0中斷，65ms中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0，用以計(jì)算超聲來(lái)回時(shí)間 SETB TR1 ；開(kāi)

17、啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1OUT: RETI；T1中斷，發(fā)超聲波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETOUT CLR TR1 ;超聲波發(fā)完畢，關(guān)T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;開(kāi)啟接收回波中斷RETIOUT: RETI;外中斷0，收到回波時(shí)進(jìn)入PINT0: CLR TR0 ;關(guān)計(jì)數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H,TL0 ;將計(jì)數(shù)值移入處理單元 MOV 45H,TH0 SETB 00H ;接收成功標(biāo)志 RETI如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成

18、功標(biāo)志字賦值2，以表示本次測(cè)距不成功。4.5顯示程序設(shè)計(jì)；40H為最高位，43H為最低位，先掃描高位DISPLAY: MOV R1,#40H;GMOV R5,#0E7H;GPLAY: MOV A,R5 MOV P0,#0FEH MOV P2,A MOV R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DL1MS INC R1 MOV A,R5 JNB ACC.0,ENDOUT;G RR A MOV R5,A AJMP PLAYENDOUT: MOV P2,#0FEH MOV P0,#0FEH RETTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0

19、H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H, 0FEH,88H,0BFH;共陽(yáng)段碼表 “0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“不亮”，“A”，“-”4.6距離計(jì)算程序PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18h MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #17D LCALL MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4Y2 MOV 400H, R4 MOV A, 40H JNZ JJ0 MO

20、V 40H,#0AH ;最高位為0，不點(diǎn)亮JJ0: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A, 41H JNZ JJ1 MOV A, 40H ;次高位為0，先看最高位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ1 MOV 41H, #0AH ;最高位不亮，次高位也不亮JJ1: M0V A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A, 42H JNZ JJ2 MOV A, 41H ;次次高位為0，先看次高位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ