利用超聲波傳感器測量液位高度

1、本科生畢業(yè)設計（論文） 題目：利用超聲波利用超聲波傳傳感器感器測測量液位高度量液位高度 The Design of Using Ultrasonic Sensor Measure The Liquid Level Altitude 院系名稱： 學生姓名： 學生學號： 專 業(yè)： 指導老師： 完成時間： 聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的畢業(yè)設計（論文）是本人在指導教師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果。其中除加以標注和致謝的地方，以及法律規(guī) 定允許的之外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫完成并以某種方式公開 過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構的學位或證書而作的材 料。其他同志對本研究所做的任何貢

2、獻均已在文中作了明確的說明并 表示謝意。 本畢業(yè)設計（論文）成果是本人在江西師范大學讀書期間在指導 教師指導下取得的，成果歸江西師范大學所有。 特此聲明。 聲明人（畢業(yè)設計（論文）作者）學號： 聲明人（畢業(yè)設計（論文）作者）簽名： 簽名日期：年月日 摘 要 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，人們逐漸了解到，超聲波的穿透力很強不易損 壞物體，而且它在兩萬赫茲以上，不會影響到人們的正常工作，并且他的傳播 速度快。由于超聲波具有這樣大的優(yōu)點，所以人們對超聲波的利用率越來也高。 從大到工業(yè)體系的探傷，小到測距和金屬表面清塵，超聲波幾乎無處不在的伴 隨我們的生活。 本設計是以 AT89S52 單片機為核心的低成本

3、、高精度、微型化數(shù)字顯示超 聲波測距儀。整個電路采用模塊化設計，由單片機控制模塊，超聲波發(fā)射模塊， 超聲波接收模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊組成。軟件部分由主程序、預置子程序、發(fā)射 子程序、接收子程序、顯示子程序組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理， 實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過 硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。 關鍵詞關鍵詞：AT89S52；超聲波；測距 Abstract With the development of modern science and technology, people gradually underst

4、anding that the ultrasonic wave penetrating power is very strong .The ultrasonic wave is not easy to damage the object,morover it above 20KHZ and affect peoples nomal work. So the using of Ultrasonic wave is more and more frequent. From the large scale flaw detection of the industrial system to the

5、measuring distance and clearing of the metal surface , the ultrasonic wave is useful in our every daily life . The ultrasonic distance measurer design with digital display functional module used AT89C52 MCU as the core component,of which carries the characteristics with low-cost,high-precision and m

6、icrominiaturization.The whole circuit used modular design,it includes the MCU control module,ultrasonic transmit module,ultrasonic receive module and the Data display module.In the software design part,it contains the main program,the presets subroutine,the launch subroutine,the receiving subroutine

7、 and the display subroutine.Through the comprehensive analysis processing of the AT89C51 MCU, The signal of each detector can realizing the functions of ultrasonic measure.Based on these,designed the overall scheme of the system.On the finally,through the hardware and software realize the whole modu

8、les.And the relevant parts have the hardware circuit diagrams and program flow charts on the appendix. Key words:AT89S52；Silent Wave；Measure Distance 目 錄 摘 要.I ABSTRACT.II 1 引言 .1 2 課題設計的任務和要求 .1 3 課程的方案設計與論證 .2 3.1 系統(tǒng)整體方案的設計.2 3.1.1 設計方案一.2 3.1.2 設計方案二.3 3.1.3 方案比較以及論證.5 3.2 系統(tǒng)整體方案的論證.5 4 系統(tǒng)的硬件結構設計

9、 .6 4.1 各芯片功能特點簡介.7 4.1.1 52 系列單片機的功能特點.7 4.1.2 CX20106 簡介及其調試.8 4.1.3 74ls573 管腳及功能特點.9 4.2 測距原理及框圖.10 4.2.1 超聲波測距的原理.10 4.2.2 超聲波測距儀原理框圖.10 4.3 超聲波發(fā)射電路.11 4.4 超聲波檢測接收電路.11 4.5 數(shù)據(jù)顯示部分電路.12 4.6 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計.13 5 系統(tǒng)的軟件編程設計 .14 5.1 超聲波測距儀的算法設計.14 5.2 主程序流程圖.14 5.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序.16 5.4 系統(tǒng)的軟硬件調試.

10、17 6 結束語 .18 參考文獻 .19 附錄一：超聲波測距電路原理圖 .20 附錄二：程序清單 .21 1 引言 在科學技術日新月異發(fā)展的今天，許多場合開始引進電子設備做為輔助檢 測，針對諸多行業(yè)儲液罐液位測量的特點和技術要求，設計一種基于超聲波傳 感器的液位高度測量系統(tǒng)。超聲波是由機械振動產生的，可在不同介質中以不 同的速度傳播，由于超聲波具有定向性好，能量集中，在傳輸過程中衰減小， 反射能力較強等特點，超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測法，不受光線， 被測物顏色等的影響，它不僅能夠定點和連續(xù)測液位，而且能方便地提供遙測 或遙控所需的信號。與其他側位技術相比較，它不需要特別防護，安裝維

11、修較 方便，而且結構方法都較簡單，價格低廉。在超聲波液位測量技術中，應用最 廣泛是超聲波脈沖回波方法，由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射 后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接受所需的時間，根據(jù)媒介中的 聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液位高度。 2 課題設計的任務和要求 設計一個超聲波測距儀，任務： (1).了解超聲波測距原理。 (2).根據(jù)超聲波測距原理，設計超聲波測距器的硬件結構電路。 設計一個超聲波測距儀，要求： (1).設計出超聲波測距儀的硬件結構電路。 (2).對設計的電路進行分析能夠產生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收， 從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間

12、的距離，并且，測距范圍在 20cm-2m 之間， 測量精度控制在 3mm 以內。 (3).對設計的電路進行分析。 (4).以數(shù)字的形式顯示測量距離。 3 課程的方案設計與論證 3.1 系統(tǒng)整體方案的設計 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超 聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也 較簡單，并且在測量精度方面也能達到農業(yè)生產等自動化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用 機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、 液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率、和聲波特

13、性各不相同， 因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。 根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89S52 單片機作為控制器，用動 態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。 3.1.1 設計方案一 （發(fā)射部分）通過 NE555 振蕩器設計出振蕩電路，產生 40KH 的脈沖在通過 CD4069 的驅動作用于超聲波發(fā)射探頭上（如圖 3-1） 。 （接收部分）將超聲波探頭接收到的正弦 40KH 超聲波信號（其 VPP 為 50mV）通過 LM324 運放三級放大以及整形以后產生 VPP 為 3.5V 的梯形波信號， 用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，

14、啟動單片機中斷程序（如圖 3-2）1。 圖 3-1 555 超聲波發(fā)射電路原理圖 圖 3-2 324 超聲波接收電路原理圖 3.1.2 設計方案二 （發(fā)射部分）通過單片機發(fā)射 40KH 的脈沖，在經(jīng)過 4069 非門，在經(jīng)過 4011 與非門的驅動作用于超聲波發(fā)射探頭上（如圖 3-3） 、 （如圖 3-4）2。 （接收部分）將超聲波接受探頭接收到的信號通過 CX20106 整形和濾波以 后再 CX20106 的 7 腳輸出一個 40KH 的脈沖，在單片機的 P3.2 處產生一個下降 沿（如圖 3-5） 。 圖 3-3 超聲波發(fā)射電路原理圖 1 圖 3-4 超聲波發(fā)射電路原理圖 2 圖 3-5

15、超聲波接收電路原理圖 3.1.3 方案比較以及論證 通過方案一和方案二的比較我們可以發(fā)現(xiàn)，在方案一中的發(fā)射電路中，我 們可以用 NE555 振蕩產生 40KH 的方波信號，它是基于硬件的基礎上，便于我們 可以通過示波器觀察到 40KH 的方波，具有直觀且易于觀察的特點，有利于電路 的檢測。在方案二中，我們可以通過單片機產生 40KH 的脈沖信號，在通過 CD4069（或者 74LS04）驅動，將 40KH 的脈沖信號發(fā)射出去，由于是軟件控制， 準確度比較高。經(jīng)過比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設計是比較經(jīng)濟實 惠而且比較方便，但方案二中的軟件設計使發(fā)射超聲波時間比較容易控制，而 且超聲波的頻

16、率準確度比較高，本設計要求測量精度在 3mm 以內，所以我們選 擇方案二來產生超聲波。 在接收電路中我們發(fā)現(xiàn)，在方案一中我們通過 LM324 三級放大，再通過 LM567 檢波電路，此電路調試比較復雜，在做三級放大時，放大倍數(shù)不容易控 制，在輸出波形上會發(fā)生小幅度的偏移。在方案二中我們通過采用 CX20106 可 以將信號進行放大和整形處理，在 CX20106 的 5 腳和 7 腳串聯(lián)一個 200K 的電阻 可以將頻率穩(wěn)定在 40KH。 因此在本次設計中，我們選用的是方案二，以提高測量結果的準確度，并 且在整個系統(tǒng)中我們都會采用單片機做計算和顯示。 3.2 系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測距的原理

17、是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來 計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā) 射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來 后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式3。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用 壓電效應的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有 相當?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距 離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器，在 本設計中我們采用 40KHZ 的傳感器。 4 系統(tǒng)的硬件結構設計 超聲波

18、測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā) 射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 AT89S52，采用 12MHz 高精 度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 P1.0 端口輸出超 聲波發(fā)射器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸 出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的四位共陰 LED 動態(tài)掃描顯示。超聲波 發(fā)射電路主要由 74LS00 和超聲波發(fā)射器 T-40 構成，單片機 P1.0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級與非門后送到超聲波發(fā)射器的一個電極，另一路 經(jīng)兩級與非門后送到超聲波發(fā)射器的另一個電極，用這種

19、推換形式將方波信號 加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。壓電式超聲波換能器 是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換 能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓 電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā) 生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓 電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。 超聲波檢測接收電路主要是由集成電路 CX20106A 組成，它是一款紅外線檢 波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載 波頻率 38

20、kHz 與測距的超聲波頻率 40 kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波 檢測接收電路。實驗證明用 CX20106A 接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有 很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。 4.1 各芯片功能特點簡介 4.1.1 52 系列單片機的功能特點 At89s52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編 程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完 全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程， 亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Fl

21、ash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決 方案。該系列單片機引腳與封裝如圖 4-1 所示。 圖 4-1 51 單片機系列封裝圖 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口， 片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工 作，允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內容

22、被保存，振蕩器被凍結， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復 位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52 引腳 P0 口：P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅動 8 個 TTL 邏輯 電平。對 P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入4。 4.1.2 CX20106 簡介及其調試 其內部結構圖（如圖 4-2）中，CX20106 的總放大增益約為 80dB，以確保 其 7 腳輸出的控制脈沖序列信號幅 3.5-5V 范圍內?？傇鲆娲笮∮?2 腳外接的 R1, C1 決定，R1 越小或 C 越大，增益越高。C1 取值過大時將造成

23、頻率響應變 差，通常取為 luf,C2 為檢波電容，一般取 3.3UF, CX20106 采用峰值檢波方式， 當 C2 容量較大時將變成乎均值檢波，瞬態(tài)響應靈敏度會變低，C2 較小時雖然 仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會發(fā)生較大變動， 容易造成解調出錯而產生誤操作。R2 為帶通濾波器中心頻率 f0 的外部電阻， 改變 R2 阻值，可改變載波信號的接受頻率，當 f0 偏離載波頻率時，放大增益 會顯著下降，C3 為積分電容，一般取 330PF,取值過大，雖然可使抗干擾能力增 強，但也會使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時間增長，造成遙控距離變短。7 腳 為輸出端，CX20106 處

24、理后的脈沖信號由 7 腳輸出給后續(xù)電路在加工處理推動 負載工作。 一些資料表示，在 CX20106 的 1 腳輸入 0.2mV 的信號。在 5 腳將會輸出濾 波后放大的有用信號。在實測中，5 腳并沒有一個放大的信號輸出。實際調試 的時候只關心芯片的 7 腳在收到信號是是否有一個下降沿產生。 在本電路的調試中，如果一直發(fā)射超聲波，在 7 腳將會有周期的低電平產 生。不會像通常認為的那樣，即一直發(fā)射信號時，7 腳一直為低電平。這是剛 用 CX20106 時的一個常見錯誤。只要通過單片機來來計算發(fā)射信號時到收到信 號是產生下降沿這段時間的長度，再通過數(shù)學計算，轉化為距離，然后在顯示 器上顯示。 圖

25、4-2 CX20106 內部結構圖 4.1.3 74ls573 管腳及功能特點 74ls573 管腳排列圖及邏輯圖（圖 4-3）如下： 圖 4-3 74ls573 管腳排列圖（左）及邏輯圖（右） 74ls573 功能特點如下表所示： 表 4-1 74ls573 功能特點 輸入 輸出控制使能數(shù)據(jù)輸出 /OCGDQ LHHH LHLL LLQ0 HZ H=高電平 L=低電平 =不定 Z=高阻 Q0=建立穩(wěn)定條件前 Q 的狀態(tài) 4.24.2 測距原理及框圖測距原理及框圖 4.2.1 超聲波測距的原理 超聲波測距從機理上可以分為共振式和脈沖反射式兩種,該設計采用后者。 工作時由超聲波發(fā)射極發(fā)射超聲波,

26、同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,當碰到 障礙物時,由于其良好的反射能力而被反射,由超聲波接收極接收,此時計時結束。 記超聲波往返的時間為 t,根據(jù) s=ct/2 計算超聲波收發(fā)極與障礙物之間的距離, 這就是通常所說的渡越時間法,也稱時間差測距法。其中 c 為超聲波波速,與環(huán) 境溫度有關,在測量精度要求高的場合要考慮溫度影響,可由軟件進行調整補償; 在測量精度要求不是很嚴格的情況下,可以忽略溫度的影響,超聲波波速與溫度 的關系如下表5： 表 4-2 超聲波波速與溫度的關系表 溫度（）-30-20-100102030100 聲速（ms）313319325323338344349386 4.2.2

27、 超聲波測距儀原理框圖 應用單片機軟件產生 40kHZ 的信號，經(jīng)驅動放大后通過超聲波發(fā)射器輸出； 超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處 理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算，得出 距離數(shù)并送 LED 顯示。 （如圖 4-4）: 放大檢波電路超聲波接收器 驅動放大電路 定時器 單片機 控制顯示器 超聲波發(fā)射器 圖 4-4 超聲波測距儀原理框圖 4.3 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 4-5 所示。發(fā)射電路主要由與非門 74LS00 和超 聲波發(fā)射換能器 T-40 構成。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波

28、換能器內部 有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶 片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波， 這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接 收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成 為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使 用時應分清器件上的標志。 圖 4-5 超聲波發(fā)射電路原理圖 4.4 超聲波檢測接收電路 集成電路 CX20106A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外 遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測距的超聲波頻

29、率 40 kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖 4-6)。實驗證明用 CX20106A 接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干 擾能力。 圖4-6 超聲波檢測接收電路 4.5 數(shù)據(jù)顯示部分電路 顯示電路主要由單片機，74ls573 和四位動態(tài)共陰數(shù)碼管構成，其中數(shù)據(jù) 鎖存由 74ls573 完成，單片機 I/O 口 P0 口作為數(shù)碼管段選端口，P2 口作為數(shù) 碼管位選端口，具體電路如圖 4-7 所示： 圖4-7 數(shù)據(jù)顯示電路 4.6 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計 本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往 返時間的計時，然后直接

30、將測量的距離用共陰數(shù)碼管顯示出來。單片機選用 AT89S52，經(jīng)濟易用，且片內有 8K 的可編程 FLASH，便于編程。電路原理圖如 圖 4-8 所示6。 圖4-8 超聲波測距電路原理圖 5 系統(tǒng)的軟件編程設計 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收 中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法， 匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測 距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時） ，又要求精細計算程序運行時間 （超聲波測距時） ，所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 5.1 超聲波測距儀的算法設計 超聲

31、波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當 這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只 要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā) 生器與反射物體的距離。距離的計算公式為： = 2 =( )2 （1） 其中，d 為被測物與測距儀的距離，s 為聲波的來回的路程，c 為聲速，t 為聲 波來回所用的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用 定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波 反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產生一個中斷 請求信號，單

32、片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差， 計算距離。 5.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，主程序完成初始化工作、各路 超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時中斷服務子程序完成超聲波的發(fā)射，外部 中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù) 器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P2 置位（本設計采用四位共 陽 LED 動態(tài)顯示，P0 為段選口，P2 為位選口，均低電平有效） 。然后調用超聲 波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器

33、直接傳送到接收 器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約 0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最 小可測距離的原因）后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用的 是 12 MHz 的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1s，當主程序檢測到接收成功的 標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算， 即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取 20時的聲速為 344 m/s 則有： （2） =( )2 = 1720 10000 其中，T0 為計數(shù)器 T0 的計算值。 測出距離后結果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 0.5s，然后再發(fā)超 聲波脈沖重復測量過程。

34、為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采 用 C 語言編寫，主程序流程圖如下（圖 5-1）： 開始 單片機初始化 外部中斷子程序 33序 超聲波發(fā)射子程序 33序 返回 LED 顯示 是否有回波？ 圖5-1 主程序流程圖 5.3 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 P1.0 端口發(fā)送 10 個左右超聲波脈沖信號 （頻率約 40kHz 的方波） ，脈沖寬度為 12s 左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進行 計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編 程。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回 超聲波信號（

35、即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進入中斷程序。進入中斷后就立 即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時 還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距 成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功7。程序流程圖如下（圖 5-2）： 定時中斷入口 定時器初始化 發(fā)射超聲波 停止發(fā)射 返回 外部中斷入口 關外部中斷 讀取時間值 計算距離 結果輸出 開外部中斷 返回 發(fā)射完否？ 圖5-2 超聲波發(fā)射接受子程序 5.4 系統(tǒng)的軟硬件調試 硬件調試具體過程如下： (1).檢查電路是否存在虛短的情況； (2).將電路聯(lián)通后，用示波器觀察

36、發(fā)射端是否產生 40K 超聲波； (3).在發(fā)射電路正常的情況下，用示波器觀察接收端波形，并與發(fā)射端波 形進行比較觀察； (4).調試顯示部分。 硬件電路制作完成并調試好后，便可將測試程序下載到單片機試運行，檢 查電路是否能夠正常運行，在電路正常的情況下將超聲波測距程序下載到單片 機中運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)射子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩 次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程 序，測距儀能測的范圍為 20cm2m，測距儀最大誤差不超過 3mm。系統(tǒng)調試完 后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際 使用的測量要求。單片機測試程

37、序如下: unsigned code table=0 x01,0 x03,0 x07,0 x0f,0 x1f,0 x3f,0 x7f,0 xff; void delay(int z) int x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); void main() int i; while(1) i+; if(i=8) i=0; P0=tablei; delay(50); P1=tablei; delay(50); P2=tablei; delay(50); P3=tablei; delay(50); 6 結束語 設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產生超聲波，實現(xiàn)超聲

38、波的發(fā)送與 接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量液面與測距儀之間的距離，再計算出液位 高度，以數(shù)字的形式顯示測量距離。 在畢業(yè)設計的短短幾個月里，我學到了很多，實質性的了解到了超聲波傳 感器的原理及其應用方法和應該注意的事項，同時也讓我對單片機方面的知識 了解的更加深刻，懂得融會貫通，將理論結合到實際的電路設計上來。 最后感謝導師在畢業(yè)設計中對我給予的悉心指導和嚴格要求，各位老師給 我提供了種種專業(yè)知識和文本格式上的指導，同時也感謝有經(jīng)驗的同學在畢業(yè) 設計期間所給予我得幫助。 參考文獻 1 華成英.模擬電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2006. 2 邊春元.C51 單片機典型模擬設計與應用M

39、.北京：機械工業(yè)出版社，2008. 3 何希才.傳感器及其應用電路M.北京:電子工業(yè)出版社，2001. 4 楊文龍.單片機原理及應用M.西安：西安電子科技大學出版社，2003. 5 翟國富 ,劉茂愷 .一種實時高精度的機器人用超聲波測距處理方法J.應 用聲學, 2008(1)1:7-2 4 6 郭惠.Protel 99SE 常用功能與應用實例精講J.北京：電子工業(yè)出版社， 2008. 7 胡漢才.單片機原理及其接口技術M.北京:清華大學出版社,2004. 8 何希才.新型集成電路及應用M.北京:北京航空航天大學出社,2003 9 閻石.數(shù)字電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2004. 10

40、Figneroa J F,L amancusa J S.A method for accurate detection of time Of arrival:Analysis and design of an ultrasonic rangjing systemJ.J A Cout Soc Am,2007,91(1):486-494. 11Grmmel P M.Imrove ultrasonic detection using the analytic signal magi-tade J.Ultrasonics,2009,19(2):73-76. 12PROFIBUS.Specificati

41、on.orderN. NO.0.032. 附錄一：超聲波測距電路原理圖 圖 8-1 超聲波測距電路原理圖 附錄二：程序清單 /*- 超聲測距器單片機程序 MCU AT89S52 XAL 12MHz -*/ #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long Uchar code temp=0 xfc,0 x60,0 xda,0 xf2,0 x66,0 xb6,0 xbe,0 xe0, 0 xfe,0 xf6,0 xee,0 x3e,0 x9c,0 x7a,0 x9e,0 x8e,0 x02,0 x00; extern void cs_t(void); extern void delay(uint); data uchar testok; data uint ge,shi,bai,qian; void display(u