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1、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
2、量距离参数的各种应用场合。关键词：超声波、温度补偿、测距、AT89C51 XIX1绪 论1.1 超声波测距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。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测
3、距仪的研制。随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。1.2超声波测距研究意义 在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检
4、测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。2超声波测距系统的原理及设计方案2.1超声波测距原理超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接
5、收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离D为（2.1）式中 c超声波的传播速度； 超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1s,不会产生累积误差，使定时间达到1s。超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为 （2.2）式中 气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。 R气体普适常数，为8.314kg/mol。T气体势力学温度，
6、与摄氏温度的关系是T=273K+t。M气体相对分子质量，空气为28.810-3kg/mol。c00时的声波速度，为331.4m/s。由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系，如表2.1所示。温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s。表2.1超声波传播速度与温度关系表项目数值温度-30-20-100102030405060100声速/( ms)3133193253323383443503563613673882.2方
7、案的设计(一)设计思路由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。本设计采用AT89C51单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。利用软件产生超声波信号，通过输
8、出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用锁相环LM567对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；AT89C51还控制显示电路，用动态扫描法实现LED数字显示。(二)系统结构设计 超声波测距仪系统结构如图2.2所示。它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、温度传感器、键盘、LED显示电路
9、及电源电路组成。系统主要功能包括：1) 超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；2) 检测空气温度用于距离计算的补偿；3) LED显示器显示距离、温度；4) 键盘接收用户命令并处理；5) 当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位。4位LED显示器3键键盘复位电路电源电路AT89C51超声波发射电路超声波接收电路温度传感器DS18B20图2.2 超声波测距仪系统结构框图3主要元件3.1单片机AT89C51本设计的MCU采用的是DIP（Dual In-line Package塑料双列直插式）封装的AT89C51高性能8位单片机。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，
10、32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如右图3.1。 AT89C51的引脚功能有： 1) 主电源引脚VSS第20脚，电路接地电平。VCC第40脚，正常运行和编程校验+5V电源。 图3.1 AT89C51的引脚图2) 时钟源XTAL1第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。当直接采用外部信号时，此引脚应接地。XTAL1第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。当采用外
11、部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。3) 控制、选通或复用RST/VPD第9脚，RESET复位信号输入端口。当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。在VCC掉电期间，此引脚(即VPD)可接通备用电源，以保持片内RAM信息不受破坏。第30脚，输出允许地址锁存信号。当单片机访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。在非访问外部存储器期间，ALE仍以1/6振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时
12、，此引脚作为编程脉冲输入端。第29脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 信号不出现。：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存端状态。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。4) 多功能I/O端口P0口第3239脚，8位漏极开路双向I/O端口。作为输出口用时，每位能吸收电流的
13、方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口第18脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。P2口第2128脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。当单片机访问存储器时，用做高8位地址总线；在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。P3口第1017脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。它还提供特殊的第二功能。它的每一位均可独立定义为第一功能的I/O口
14、或第二功能。第二功能的具体含义如表3.2： 表3.2 P3口的第二功能3.2温度传感器DS18B20 温度传感器主要由热敏元件组成。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而增加）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而下降）。DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。DS18B20支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为 -55C+257F，在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20采用3脚PR-35封装（图3.2）： DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下：1) 适用电压为3V5V；2) 912位分辨率可调，对应的可编程温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625；3) TO-92、SOIC及CSP封装可选；4) 测温范围：-55125；5) 精度：-1085范围内0.5；6) 无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在
