基于單片機(jī)的超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的超聲波測距儀的設(shè)計(jì)摘要：此系統(tǒng)采用STC89C51RC為控制核心；用超聲波發(fā)射和接收模塊來測量物體離測試儀的距離；用數(shù)碼管顯示模塊來顯示當(dāng)前測試的距離；用報(bào)警模塊發(fā)出不同的信號(hào)來提示當(dāng)前物體距離測試儀的遠(yuǎn)近，用人機(jī)交互模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)置；我們還設(shè)計(jì)了輸出為+5V和+12V的穩(wěn)壓電源。通過以上各模塊來測量物體離測試儀的距離，并實(shí)時(shí)顯示和發(fā)出報(bào)警信號(hào)。關(guān)鍵字：STC89C51RC 超聲波 數(shù)碼管一、 超聲波測距儀的簡單介紹（一）、有關(guān)超聲波傳感器的介紹1、超聲波的定義：頻率超過20KHz的聲波，稱為超聲波；低于20Hz的稱為次聲波。2、超聲波傳感器利用超聲波的特性研制而成的傳感

2、器。超聲波傳感器圖片如圖1、圖2：圖1 圖2主要由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。3、40KHz超聲波的選擇超聲波可以在不同的介質(zhì)中傳播，但傳播速度不同。超聲波在空氣中傳播時(shí)衰減很大，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。其中衰減程度與頻率成正比，但頻率越高分辨率也越高，所以短距離測量時(shí)一般選用頻率高的傳感器，長距離測距只能用頻率低的傳感器。故本產(chǎn)品選用40KHz超聲波傳感器。4、主要影響因素超聲波傳感器的測量精度主要受溫度影響，因而許多超聲波傳感器具有溫度補(bǔ)償特性。5、應(yīng)用超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很

3、大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。（二）、STC89C51RC單片機(jī)具有ISP（在系統(tǒng)編程）/IAP（在應(yīng)用編程）功能，無需專用的編程器或仿真器，通過串口直接下載程序，有專門的下載軟件STC-ISP 。具有看門狗功能，內(nèi)部Flash擦寫次數(shù)在100，000以上，而且STC89C51RC單片機(jī)還有加密功能。（三）、超聲測距儀電路說明1、基本工作原理通過不斷檢測反射的回波，而測出發(fā)射與接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離s。 在已知速度v的情況下，用

4、以下公式可以求出距離s=1/2vt。2、電路組成硬件電路主要包括主控電路、發(fā)射、接收電路和數(shù)碼管顯示電路等電路。二、 本測距儀系統(tǒng)各電路模塊介紹()、系統(tǒng)概述設(shè)計(jì)并制作的超聲測距儀指標(biāo)要求1. 設(shè)計(jì)制作5V穩(wěn)壓電源模塊；2. 設(shè)計(jì)完善超聲測距儀控制電路并編寫相關(guān)程序；3. 制作超聲測距儀電路板；4. 測量范圍：0.31.5m ；5. 測量誤差小于10cm（1%）；6. 由蜂鳴器的緩急鳴叫指示距離的遠(yuǎn)近 ；7. 采用STC89C51RC單片機(jī)作為系統(tǒng)核心控制器件。(二)、電路框圖電路框圖如圖3所示：圖3 系統(tǒng)組成框圖1、核心控制模塊STC89C51RC此模塊中使用了STC89C51RC單片機(jī)為控

5、制核心，它是由復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。它不僅可以用串口在線下載且可靠性高，價(jià)格便宜。模塊電路圖如圖4所示。圖4 核心控制模塊STC89C51RC2、超聲波發(fā)射模塊超聲波發(fā)射電路由超聲發(fā)射頭、放大電路、振蕩電路等組成。由于超聲發(fā)射距離的不同，所以要求放大電路有足夠的功率來驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射頭，信號(hào)放大電路的前級(jí)是由74HC04串聯(lián)而成，后級(jí)為增大電路的驅(qū)動(dòng)能力，采用74HC04三個(gè)非門并聯(lián)和中功率三極管SD1815組成。電路圖如圖5所示：圖5 超聲波發(fā)射模塊3、超聲波接收電路超聲波接收電路由超聲接收頭、放大電路、波形整形電路等組成。由于超聲接收頭輸出的正弦波幅度較小，所以需要放大電路進(jìn)行放大，并且單片

6、機(jī)不能直接接收正弦波信號(hào)，因此需要波形整形電路，將正弦波變換為脈沖信號(hào)。電路采用AS4558運(yùn)放完成波形放大，用LM311完成了波形變換，電路中的74HC04是為增強(qiáng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)而設(shè)置的，并且有整形作用。電路圖如圖6所示：圖6 超聲波接收模塊4、數(shù)碼管顯示模塊在數(shù)碼管顯示模塊中我們采用了三極管作為驅(qū)動(dòng)電路，每當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)都處于飽和狀態(tài)，這樣設(shè)計(jì)可以增加數(shù)碼管的亮度。我們采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示可以節(jié)省I/O資源。電路圖如圖7所示圖7 數(shù)碼管顯示模塊5、報(bào)警電路模塊報(bào)警電路模塊由小功率三極管8550、9013和蜂鳴器組成。此電路將單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)放大并驅(qū)動(dòng)蜂鳴片緩急報(bào)警。由此判斷距離遠(yuǎn)近，電路圖如圖

7、8所示：圖8 報(bào)警電路模塊6、人機(jī)交互模塊4個(gè)獨(dú)立按鍵與單片機(jī)通信，完成設(shè)計(jì)的功能，如圖9。K1K3的功能由使用者自主發(fā)揮，按鍵K4的功能：將采集到的數(shù)據(jù)固定顯示一段時(shí)間，以便清楚的看到顯示距離。圖9 獨(dú)立鍵盤模塊7、電源模塊電源電路是各模塊工作的基本條件，下面的穩(wěn)壓電源固定輸出+12V、+5V電壓，各模塊的供電由本模塊引出，如圖10.圖10 電源電路模塊(三)、功能要求與技術(shù)指標(biāo)該產(chǎn)品由220V交流電直接供電；該產(chǎn)品由超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)距離的測量；該產(chǎn)品由數(shù)碼管顯示距離測量結(jié)果，顯示結(jié)果單位為米；該產(chǎn)品由蜂鳴器的緩急鳴叫指示距離的遠(yuǎn)近；該產(chǎn)品測距基本指標(biāo)應(yīng)在0.31.5m，發(fā)揮指標(biāo)為0.15m

8、 ；該產(chǎn)品在有效測距范圍內(nèi)測量誤差應(yīng)<10cm，發(fā)揮指標(biāo)<1cm 。三、元器件說明（一）、超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻 率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能

9、的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。圖11 超聲波傳感器（二）、CD4511七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器4511，引腳排列如圖12所示。其中A、B、C、D為 BCD 碼輸入，A為最低位。LT為燈測試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正

10、常顯示時(shí)， B1端應(yīng)加高電平。另外 4511有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。圖12 七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器4511（三）、共陰極數(shù)碼管七段數(shù)碼管是由a、b、c、d、e、f、g七個(gè)LED組成，其引腳說明如圖13所示。通過使不同的LED組合發(fā)光，達(dá)到數(shù)字和字母的顯示效果，如圖14所示。一般的LED額定電壓為直流2.7V左右，因此我們?cè)谑褂脮r(shí)要串聯(lián)一個(gè)分壓電阻。阻值一般選400左右，如果需要高亮顯示或者掃描顯示，可以適當(dāng)減小。圖13 七段數(shù)碼管引腳說明圖14 七段數(shù)碼

11、管顯示效果四、程序設(shè)計(jì)（一）、程序流程圖程序流程圖如圖15所示。圖15 程序流程圖（二）、程序清單：/* * *基于STC89C51RC單片機(jī)的超聲波測距* * */#include <reg51.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define DUAN P0#define WEI P2/管腳定義sbit BUZZ = P11;sbit TX = P10;sbit KEY1 = P12;sbit KEY2 = P13;sbit KEY3 = P14;sbit KEY4 = P15;void display(

12、uint juli);void delay(uchar k);uint shuju=0;uint shuju_new=0;uchar xianshi1=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /不帶點(diǎn)uchar xianshi2=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /帶點(diǎn)的uchar temp4;bit sign;/*主程序*/main()uchar ii;EA=1;TMOD=0x21;TL0=0x00; TH0=0x00; /開總中斷 /設(shè)置定時(shí)模式 T0測距用:方

13、式1 ,T1方式2TL1=0x00; TH1=0x00; ET1=1;/允許T1中斷 /電平觸發(fā) /外部中斷設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí) /開始計(jì)數(shù) IT0=0; IP=0x01; TR1=1;while(1)sign=1; EX0=1; TR0=1; TX =1; /開外部中斷0 /開始發(fā)送超聲波 while(sign=1); /如果沒有進(jìn)行測距，不會(huì)往下執(zhí)行 shuju=TH0*256+TL0;shuju=shuju*0.017;if(shuju<=70)&&(shuju>=10) shuju_new=shuju;if(shuju>=71)&& (sh

14、uju_new-shuju)>=3)|(shuju-shuju_new)>=3) ) shuju_new=shuju-5;if(shuju_new>=250) shuju_new=(shuju_new/10)+250;for( ii=0;ii<10;ii+)display(shuju_new);/計(jì)算出來的是以厘米為單位的; 理想狀態(tài)最小測距0.017CM 最大測距11M 顯示程序約需 21mswhile(KEY4=0) display(shuju_new); for(ii=0;ii<200;ii+) display(shuju_new); TL0=0x00; /

15、數(shù)據(jù)清零 TH0=0x00; TH1=TL1=shuju/3+130; if(TL1>200) /數(shù)據(jù)越大，頻率越高 TH1=TL1=200; /最遠(yuǎn)的測距 頻率最大/*一毫秒延時(shí)*/ void delay(uchar k)uchar t;for(;k>0;k-)for(t=0;t<125;t+);/*外部中斷0中斷程序*/ void INT () interrupt 0EX0=0; TR0=0; /關(guān)INT0 /停止計(jì)數(shù) /停止發(fā)送P1.0 /外部中斷 TX = 0;sign=0;/*定時(shí)器1中斷程序*/ void time1() interrupt 3ET1=0; /控制

16、蜂鳴器鳴響B(tài)UZZ=BUZZ;/*數(shù)碼管顯示程序*/ void display(uint juli)uchar i,n,c; temp0=(juli%10000)/1000; temp1=(juli%10000)%1000)/100; temp2=(juli%10000)%1000)%100)/10; temp3=(juli%10000)%1000)%100)%10; for(n=0;n<2;n+) c=0xFE; for(i=0;i<4;i+) P2=0xFF; P0=0xFF; P2=c; if(i=1) P0=xianshi2tempi; ET1=1; else P0=xianshi1tempi; delay(1); c=c<<1; c=c|0x01;五、結(jié)束語用超聲波發(fā)射和接收模塊來測量物體離測試儀的距離；用數(shù)碼管顯示模塊來顯示當(dāng)前測試的距離；用報(bào)警模塊發(fā)出不同的信號(hào)來提示當(dāng)前物體距離測試儀的遠(yuǎn)近，用人機(jī)交互模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)置；我們還設(shè)計(jì)了輸出為+5V和+12V的穩(wěn)壓電源。通過以上各模塊來測量物體離測試儀的距離，并實(shí)時(shí)顯示和發(fā)出報(bào)警信號(hào)。參考文獻(xiàn)1李國興，李偉：單片機(jī)開發(fā)