#用51單片機(jī)設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和電路

1、基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀說明書引言超聲波測(cè)距儀，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、管道長度的測(cè)量等場(chǎng)合。 利用超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因 而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、 計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制。一、性能要求該超聲波測(cè)距儀，要求測(cè)量范圍在，測(cè)量精度1cm， 測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。二、工作原理及方案論證超聲波傳感器及其測(cè)距原理超聲波是指頻率高于20KHZ的機(jī)械波。用超聲波傳感器產(chǎn)生超 聲波和接收超聲波，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感

2、器有發(fā)送器和接收器.超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電 能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超 聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF( timeofflight )。 首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。根據(jù)要求并綜合各方面因素，采用 AT89C5單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定 時(shí)器完成，超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)框圖如下圖所示：圖1超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖三、系統(tǒng)硬件部分硬件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路

3、、 超聲波發(fā)射電路和超聲 波檢測(cè)接收電路三部分組成。1. 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路單片機(jī)采用AT89C52來實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過P1.1引腳發(fā)射脈沖控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)外中斷 0口 INTO引腳， 當(dāng)INTO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， 通過換算就可以得到傳 感器與障礙物之間的距離。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示:61514dTO BOhT- B2ocy0

4、alA7mip5S-CL4*txK7 43r席OJT $ dbss8VY1301A iAA3 i021042SL4Z31+-ZL/JC3-OlZL/IC3-QXFOC3-2U3S-CL2Jr/nMIPI51/-C2LT4CA6C2LO-CA5C2LC2CA4C2L-V<A3C2LelaNESP03OVCA2C2L<9jt- .Aro8/> oth7qa-.c£l6QAD.C0L5QAD.C0L4qa/-.c£l3QAO.C0L2CD/I.C0L1DAn._nOQAD.C0L92TSR2Lalx1Lalx1U001圖2單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路2. 超聲波發(fā)射電路

5、利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，使之與換能器 的40kHz固有頻率一致。12V電源保證555時(shí)基具有足夠驅(qū)動(dòng)能力。P1.1為超聲波發(fā)射控制信號(hào)，由單片機(jī)控制。發(fā)射電路如圖3所示:lkK65k圖3超聲波發(fā)射電路原理圖3. 超聲波檢測(cè)接收電路超聲波接收電路采用集成電路 CX20106A這是一款紅外線檢波接 收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用 的載波頻率38KHZ與測(cè)距超聲波頻率40KHZ較為接近，可以利用它作 為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能 力。適當(dāng)改變C4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。接收電路如圖4所示:四.

6、 系統(tǒng)軟件部分超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì)軟件部分主要由主程序，超聲波發(fā)射子程 序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。 下面對(duì)超聲波測(cè)距儀的 算法，主程序，超聲波發(fā)射子程序和超聲波接受中斷程序逐一介紹。1.超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)下圖示意了超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā) 出的一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來， 就被超聲 波接收器R所接受。這樣只要計(jì)算出發(fā)生信號(hào)到接受返回信號(hào)所用的 時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計(jì)算公式：d=s/2=(c*t)/2*d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時(shí)間2.主程序主程序框圖如右圖所示:

7、 主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí) 器TO工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式， 置位總中斷允許位EA并給顯示端口 P0和 P2青0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出 一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器 直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需 延遲0.1ms（這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最 小可測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷0接 收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHZ勺晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù) 器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè) 物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20C時(shí)的聲速為344m/s則有:d=（C*T0）/2=172T0/10000

8、cm （其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD碼方式LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。3.超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.1端口發(fā)送超聲波發(fā)射控制脈沖 信號(hào)，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外 中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT 0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亭止計(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以表示此次測(cè)距不成功。五. 軟硬件調(diào)

9、試及性能超聲波發(fā)射和接收采用 15的超聲波換能器TCT40-10F1（ T發(fā) 射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz,保持兩換能器中心 軸線平行并相距4 8cm。主要性能指標(biāo)：測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.083.00m,測(cè)距儀精度1cm。程序清單以下是用匯編語言編寫的超聲波測(cè)距控制源程序：采用AT89S52 12mh?晶振顯示緩沖單元在4oh43H，使用內(nèi)存 軸H、45H、46H用于計(jì)算距離用于標(biāo)志脈沖輸出端口中斷入口程序卡ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP PINTOORG OOOBHLJMP INTTOORG 0013HRETIORG 001BH

10、LJMP INTT1ORG 0023HRETIORG 002BHRETI主程序*S : MOV SR#4FH為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40為最高位）MOV R7,#0BHCLEARD1SP:MOV ®R0, OOHNC RODJNZ R7.CLEARDISPMOV 2OH¥OQHMOV 1MOD, 21H 時(shí)器MOV TH0，#00HMOV lltHOOHMOV TH1 岸0F2HMOV 1L1J0F2HMOV PO用OFFHMOV PLWFHMOV P2.#0FFHMOV P玄鮒FFHMOV R4.#04HSETB PXOSETB ETOSTEB EACLR OOHSETB T

11、ROSTART1: LCALL DISPLAYJNB OOH. START 1CLR EALCALL WORKSETB EACLR OOHSETB TROMOVR1 #6 斗 HLOOP:LCALL DISPLAYDJNZ R2. LOOPSJW START 1:T1為8位自動(dòng)重裝模式，TO為16位定初值初值；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制（為賦值的一半）；開啟測(cè)距定時(shí)器:收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1；計(jì)算距離子程序；重新開啟測(cè)距定時(shí)器；測(cè)量間隔控制（約00=400ms）*中斷程序*:TO中斷,65ms中斷一次NTT0:CLREACLRTROMOVTHO, #00HMOVTLO, #00HSETBET1SET

12、BEA來回時(shí)間SETBTRO:啟動(dòng)計(jì)時(shí)器TO，用以計(jì)算超聲波SETBTRI:開啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1OUT:RETI中斷，發(fā)超聲波用NTT1:CPLVOUTDJNZR4.RETIOUTCLRTRI7超聲波發(fā)送完畢，關(guān)T1CLRET1MOVR404HSETBEXO開啟接收回波中斷RETIOUT:RETI；外中斷0,收到回波時(shí)進(jìn)入PINTO:CLRTRO；關(guān)計(jì)數(shù)器CLRTRICLRET1CLREACLREXOMOV44H, TLO；將計(jì)數(shù)值移入處理單元MOV45H THOSETBOOH；接收成功標(biāo)志RETI*延時(shí)程序iDL1MS:MOVR6J14HDL1:MOVR7+19HDL2:DJNZR6.

13、DL2DJNZ R6, DL1RET*顯示程序*：40H為最高位，為最低位，先掃描高位DISPLAY：MOVR140H:GMOVR50F7H;GPLAY:MOVA. R5MOVPO. #OFFHMOVP2.AMOV扎R1MOVDPTR. TABMOVC A邂A-DPTR MOV PO.ALCALL DLIMS INC R1MOV A.R5,JNB ACC.O. ENDOl；T;G RR AMOV R5,A AM PLAYENDOUT; MOV PZ#0FFHMOV 嗆 #0FFHRETTAB; DBO C0H,0F9H10A4E0B0E99H52H;10BFH;共陽數(shù)碼管0、2.3、4*5,6

14、工8.9、不亮，A* *距離計(jì)算程序（=計(jì)算值xm近似WORK:PUSHACCPUSHPSWPUSHBMOVPSW：#18HMOVR3.45HMOVRZ 44HMOVRL#00DMOVRO.粗7DLCALL MIO Y2MOVR3. #03HMOVRZ #0E8HLCALL DIV4BY2LCALL DR4BY2MOV40H. R4MOVA. 40HJNZJJOMOV最咼位為0，不點(diǎn)亮JJO:MOVA ROMOV RIAMOV A R1MOV R5 AMOV IE MODMOV R2100DLCALL DIV4BY2MOV 41H.R4MOV A.41HJNZ JJ1；此高位為0,先看最高位是

15、否為不亮SUBBJJ1:JNZJJ1MOV41H. #0AHMOVA. ROMOVR4.AMOVA.R1MOVR5,AMOV& MODMOV也 10D最咼位不亮，次咼位也不亮JJ2:LCALL DIT4BY2MOV42H. R4MOVA 42HJNZJJ2MOVA.41H:次高位為o,SUBBA.和AHJNZJJ2MOV42H.和AH;次咼位不亮,MOV43H ROPOPBPOPPSWPOPACCRET*兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)乘法程序先看次高位是否為不亮次咼位也不亮NWL2BY2;CLR AMOV R7,AMOV R6,AMOV R5.AMOV R4.AMULL00P1:MOV 46H10HC

16、LR CMOV A?R4RLC AMOV RIAMOV A. R5RLC AMOV R5,AMOV A.R6RLC AMOV R6,AMOV A.R7RLC AMOV R7.AMOV A. RORLC AMOV RO, AMOV A.R1 RLC A MOV Rl-A JNC NWLLOOP2 MOV A.R4 ADD a?R2 MOV RIA MOV A.R5 ADDC A. R3 MOV R5.A MOV A.R6 ADDC A.呦 OH MOV R6-A MOV A.R7 ADDC亠呦OH MOV RMULLOOP2: DJNZ 46H. MULLOOP1RET*四字節(jié):兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)除

17、法程序iDIV4BY2:MOV 46比世OHMOV RlUOOH MOV RlOOH DIVLOOPI: MOV A.R4RLC AMOV R4,A MOV A.R5 RLC AMOV R5,A MOV A?R6 RLC AMOV R6,A MOV A.R7 RLC A MOV R7,A MOV A. RO RLC A MOV RO. A MOV A.R1 RLC A MOV RLA CLR C MOV A. RO SUBB A.R2 MOV B.aDIVLOO 巴:-I.-I.-I.I.-I.-I.A.R1A. R3 DRT00P2RO.BRl.AC46H. DIVLOOP1A.R4AR4.

18、AA. R5 AR5.AA. R6AR6.AA. R7 AR7.AEXD 附C51程序 INCLUDE <REG5kH> WEFINEUCHAR UNSIGNED CHAR DEFINE I'INT UNSIGNED IN'T WEFINEULONG UNSIGNED LONG EXTERN VOID CS_T(VOID); EXTERN VOID DELAWINT)； EXTERN VOID DISPLAY! UCHAR*); /DATA UCHAR DISPLAY(UCILR*); DATAUCHARTESTOK; VOID MAIN (VOID)<DAT

19、A UCHAR D1SPRAM5;DATA UINTI;DATA ULONG TIME;P0=0XFF;P2=0XFF;TMOD=OX11;IE二0X80;WHILE C'S TO;DELAY( 1);TESTOK=0;EXO=1;ETO= I;WHILE(! TESTOK) DISPLAY(DISPRAM);IF(1=TESTOK)TIME=TH0;TIME=(TIME«8)| TLO;TIME*=172;TIME/= 10000;DISPRAM0F(UCHAR) (TIME% 10);TIME/=10;DISPR AM 1 F(UCH AR) (TIME% 10);TIM

20、E/=10;DISPRAM2=(UCHAR) (TIME% 10);DISPRAM=(UCHAR) (TIME/10);IF (0=DISPRAM3) DISPRAM3=17; ELSEDISPRAM0=16;DISPR AM1=16;DISPRAM2=16;DISPRAM3=16;FOR (I=0;I<300;I+) DISPLAY(DISPRAM);VOID CS_R(VOID) INTERRUPT 0TR0=0;ET0=0;EX0=0;TESTOK=1;VOID OVERTIME(VOID) INTERRUPT 1EX0=0;TR0=0;ET0=0;TESTOK=2;NAME CS

21、_T?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODEPUBLIC CS TRSEG?PR?CS_T?CS_TCS_T:PUSHACCMOVTHO. #00HMOVTLO. #00HMOVA, #4DSETBTROCS_T1:CPLNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPpl.ODJNZA CCCS_T1POPACCRET9ENDNAMEDELAY?PR?_DELAY?DELAY SEGMENTCODEPUBLIC_DELAYRSEG?PR?_DELAY?DELAY一DELAY:PUSH ACC MOVA.R7 JZ DELA1 INC R6DELAI:MOV R5.#50DDJNZ R5, $DJNZ R7.DELA 1DJNZR6.D