超声测距模块的设计(常用于电子大赛)

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1、1 1、 超声波测距的原理超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时， 压电晶片将会发生共振， 并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时， 将压迫压电晶片作振动， 将机械能转换为电信号， 就成为超声接收波换能器。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，测距原理如图 1-1 所示，距离公式为s=ct/2，其中 c 为声速。通过测量发射与接受装置之间的距离

2、h， 利用直角三角形可求得 22 2/hsd ）（ 。因为 s h，则 ds ， d=s= ct/2。本测量电路采用第二种方案。图 1-1 测距原理图在空气中，常温下超声波的传播速度是 334 米 /秒，但其传播速度 v 易受空气中温度、 湿度、 压强等因素的影响， 其中受温度的影响较大， 如温度每升高 1，声速增加约 0.6 米 /秒。 声速与温度关系如表 1-1 所示。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过对温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度 T时，超声波传播速度 V 的计算公式可近似如下：V=331.5+0.607T 这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差 t 以及现

3、场环境温度 T，就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。表 1-1 声速与温度关系表：温 度（）-30 -20 -10 0 10 20 30 40 声 速 313 319 325 332 338 344 350 356 目标h d S 2 （ m/s）2、超声波测距模块的方案设计该系统由超声波发射电路、 超声波接收电路、 LED 显示电路和串口通信等硬件电路以及相应的软件部分构成。整个系统由单片机 SST89E564 控制，超声波传感器采用收发分体式， 分别是一支超声波发射换能器 TCT40-16BT 和一支超声波接收换能器 TCT40-16BR，超声波测距系统框图如图 1-4 所示。单片机

4、是整个系统的核心部件，协调各部件的工作。启动测量时，由单片机发出一个控制信号去触发发射电路， 使发射电路起振， 驱动超声波发射器发出一串超声波脉冲，每次发射包含 10 个脉冲，同时启动单片机的计时器，开始计时。当这些脉冲达到被测目标时，发生反射， 经空气传播被超声波接收器接收， 此时计时器停止计时，这样就能够得到从发射到接收的时间差，再考虑到盲区， 单片机通过计算就可以得出到障碍物之间的距离。障碍物单片机发射电路接收电路发射发射接收接收通信接口LED 显示电路图 1-4 超声波测距系统框图3、超声波测距模块的硬件设计一般作为学校，选择 51 系列的单片机是最符合实际需求的，实验方便，且数据处理

5、量不是很大，所以，本次设计选定以 51 系列单片机为控制核心的SST89E564RD 单片机来进行。3.1 、 SST89E564RD单片机的特点随着技术的发展，单片机开发手段也越来越先进，而价格却不断下降。当FLASH 型单片机被广泛应用后，采用软件模拟加写片验证成为一种经济实用的实验方法。 而近年来很多单片机都具有了 ISP 功能， 只要一根下载线即可以编程，3 不需要编程器。美国 SST 公司推出的 SST 系列单片机更是集成了仿真功能， 配合 Keil 软件，可是用户的目标板直接具有仿真功能，将单片机的易用性推向一个新的高度。SST89E564RD是美国 SST 公司推出的一款内嵌 8

6、9C52 核的单片机，除具有89C52 的所有资源外，还增加了 768 字节的 XRAM （地址范围 100H-2FFH）；增加了 64K Block0 的 Flash（地址范围 :0000H-FFFFH），原 89C52 的 8k Flash为 Block1，占用 10000H-11FFFH 的地址空间。出厂时 SST89E564RD 中已经固化与 Keil 连接的仿真软件 SoftICE，该 Firmware 与 Keil 一起可将 C 语言或汇编语言生成的代码通过串口直接下载到 Block0 中，且可在线调试，该软件占用Block1 的前 4k 和 Block0 的后 1k Flash空

7、间，调试时占用串口和定时器 2。SST89E564RD单片机的主要特性如下：（ 1） 8 位 8051 兼容 MCU 核，内置大容量的 Flash 存储器，指令、开发工具和芯片封装等与 Intel8051 系列单片机完全兼容。（ 2） SST89E564RD单片机晶振率最该可达 40MHz。（ 3）总共 1kByte（ 256Byte+768Byte）的内部 RAM 。（ 4）内置 Flash存储器分为两个 Block，一个为 64kByte 的 Block0（地址范围 0000H-FFFFH），另一个为 8k Flash 的 Block1（地址范围 10000H-11FFFH）。（ 5）支持

8、外部扩展程序存储器和数据存储器的地址范围均为 64k。（ 6）内置 3 个 16 位的定时 /计数器。（ 7）一个全双工增强的 UART 。（ 8）最多可以有 8 个中断源，并可以设定为 4 个优先级。（ 9） 4 个 8 位并行 I/O 口。（ 10）可编程的看门狗。（ 11） SPI 串行接口。（ 12） 标准工作时， 12 个振荡周期为一个指令周期， 并可将一个指令周期设置为 6 个振荡周期，从而使指令执行速度提高 1 倍。（ 13）兼容 TTL 和 CMOS 逻辑电平。（ 14）掉点检测。（ 15）双 DPTR 寄存器。（ 16）低功耗模式。SST89E564RD 单片机双列直插封装的

9、引脚排列如图 3-1 所示。4 图 3-1 SST89E564RD 的引脚排列图SST89E564RD单片机具有在系统可编程（ ISP）特性，单片机在用户系统上即可直接下载 /烧录用户程序，不需要将单片机从电路板上拆下再用通用编程器编程， 并且可以直接将用户程序代码下载到单片机进行仿真调试， 查看运行结果，使用非常方便，因而可以省去购买仿真器和通用编程器。SST89E564RD 单片机在销售之前已经将 ISP 引导程序烧录进单片机内部，配合 PC 端的控制程序即可将用户的程序代码通过串口下载到单片机，不需要编程器，也不需要将单片机从电路板拔下来。普通 89C51 单片机系列单片机的内部 RAM

10、 只有 128 字节， 89C52 单片机系列单片机的内部 RAM 有所增加，为 256 字节。 SST 公司的 SST89E564RD内部则有 1k 字节的 RAM ， 在 89C52 单片机核原有的 256 字节内部 RAM 基础上另外扩展了 768 字节内部 RAM（地址范围 100-3FF） ， 是否允许访问该 768 字节 RAM由新增特殊功能寄存器 AUXM 的 EXTRAM 位的值决定，该位为 0 允许访问内部扩展 768 字节的 RAM ，该位为 1 则禁止访问。关于内部 1k 字节的 RAM 是使用说明如下：（ 1）对于低 128 字节的内部 RAM （地址范围 00-7F）

11、，可直接寻址或间接寻址。（ 2）对于高 128 字节的内部 RAM （地址范围 80-FF），只能间接寻址。5 （ 3）特殊功能寄存器 SFR（地址范围 80-FF），只能直接寻址。（ 4） EXTRAM 位清 0， 允许访问内部扩展的 RAM ， 单片机复位后该位为 0。（ 5） EXTRAM 位置 1，禁止访问内部扩展的 RAM ，此时只能访问片外的RAM 。（ 6）写芯片内部扩展的 768/256 字节 RAM 。（ 7）读芯片内部扩展的 768/256 字节 RAM 。4、超声波发射电路设计超声波的发射和接收是由超声波换能器来完成的，也就是我们俗称的探头。超声波的发射与接收可采用一体式

12、的或独立式的， 但是一体式的盲区问题比较严重，所以本次设计选择发射和接收探头分开的，具体将采用超声波发射换能器TCT40-16BT 和超声波接收换能器 TCT40-16BR。命名规则：型号： TCT40-16BT 或（ R）类别： TC 压电陶瓷超声波传感器； T 通用性； T 发射 /R 接收外径： 16 代表 16mm外壳材料：铝外壳颜色：银色具体参数：中心频率： 40.0kHz 1.0 kHz 输出电压 : 115dB接收灵敏度： -65dB 静电容量： 2000pF 20% 指向角： 80工作温度 : -20 +70超声波接收 /发射换能器实物图如图 3-4 所示。图 3-4 超声波换

13、能器实物图超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。 压电型超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷， 它是利用压6 电材料的压电效应来工作的： 逆压电效应将高频电振动转化成高频机械振动， 从而产生超声波，可作为发射探头； 而利用正压电效应， 将超声振动波转化为电信号，可作为接收头，其结构如图 3-5 所示。图 3-5 压电式超声波传感器结构超声波发射电路， 是为了让超声波发射换能器 TCT40-16BT 能向外界发出 40 kHz 左右的方波脉冲信号。 40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由 555 振荡产生或软件如单片机软件编

14、程输出， 本系统采用后者。 编程由单片机 P1.0 端口输出 40 kHz 左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够， 40 kHz 方波脉冲信号分成两路，一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极； 另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极。 用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端， 实际上构成了一个桥式电路， 输入与输出的相位图如图 3-4 所示，再加上输出端上拉电阻 R3， R4，一方面可以提高反向器 MC14069UB 输出高电平的驱动能力， 另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。发射电路如图 3-6 所示。7 图 3-6 超声波发射电路为

15、了进一步验证超声波的发射波形的相位关系，特在特定的拐角对波形进行了测定，如图 3-7 所示，黄色（上面波形）为单片机 P1.0 口的波形，蓝色（中间波形）为 6 脚的波形，粉色（下面波形）为 8 脚的波形。图 3-7 相位关系图MC14069UB 六反相器芯片是双列直插封装， l、 3、 5、 9、 11、 13 是输入端；2、 4、 6、 8、 10、 12 是输出端。 7、 14 脚分别是工作电压的接地和输入。其引脚排列如图 3-8 所示，逻辑电路图如图 3-9 所示。8 图 3-8 MC14069UB 引脚分布图图 3-9 MC14069UB 逻辑电路图这些反向器主要用于那些低功耗或高抗

16、噪性的电路。为了减少传输延迟每一个反相器都是独立的。工作特性：电源电压范围： 3.0v-18v 在额定温度范围内能够驱动两个低功耗 TTL 负载或一个低功耗的肖特基TTL 负载在所有的输入端有三重的二极管保护可用 CD4069UB 替代5、超声波接收电路设计上述 TCT40-16BT 发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波 (回波 )顺利接收到超声波接收换能器 TCT40-16BR 进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片 CX20106， 得到一个负脉冲送给单片机的 P3.2(INT0)引脚， 以产生一个中断。9 CX20l06A 是日本索尼公司生产的红外接收芯片，也适用于超声波接收。其采用单列 8 脚直插式，超小型封装。 +5V 供电，其内部方框图如图 3-10 所示：图 3-10 CX20106A 内部方框图以下是 CX20l06A 的引脚注释：1 脚：超声波信号输入端，该脚的