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1、基于单片机的超声测距仪设计专业： 学号： 姓名： 指导教师： 职称： 摘 要本文详细介绍了一种基于单片机的超声波测距仪系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。硬件部分采用 AT89C52 单片机作为计时及主控制器、主要有超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、LCD显示电路和报警电路。电路结构简单，低成本，操作方便，工作稳定，测量精度高。在介绍了单片机性能和特点的基础上，分析了超声波测距的发展及基本原理，介绍了传感器的原理及特性，并由此提出了系统的总体构成。并针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案做了论证，给出了系统的硬件原理图和软件流程
2、图。关键词：单片机；超声波；测距；AT89C52；CX20106一、引言距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，随着科学技术的快速发展，超声波技术将在测距仪中的应用越来越广，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，超声波测距仪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，它将朝着更高定位更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求 1。采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被
3、测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛 2。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是：仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人等等。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度易于控制，它的应用价值己被普遍重视。二、超声波测距仪原理与设计方案（一）超声波测距基本原理超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差
4、法。其中脉冲回波法测距最为常用，它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现。图 2.1 超声测距原理图如图 2.1 所示，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后山超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在己知超声波声速犷的前提下，利用：即可计算得传感器与反射点之间的距离 S，测量距离当 Sh 时，则 dS,即（公式 2.1）（公式 2.2）（二）系统校正在本系统中利用 AT89S52 中的定时器测量超声波传播时间，利用 DS18B20 测量环境温度，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可表示为：声速确定后，只要测得超声波往返的时间
5、，即可求得距离:(系统中应用该式进行温度补偿 )如果为了进一步提高测量精度，本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的设计：S2=l2-h2 (系统中应用该式进行角度补偿)在测距时，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定其时的波速 c，波速确定后，只要测得超声波往返的时间 t，即可求得距离 H，这样能较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。三、超声波测距仪硬件部分设计本系统采用 AT89C52 单片机作为主控制器，使用 LCD1602 显示屏作为系统显示屏，超声波发射驱动需要的40 kHz 脉冲由单片机 P0.0 发出，使用定时器进行计时和控制，超声波接收使用 CX20106
6、A 作为接收主控芯片，使用 DS18B20 作为温度传感器进行温度校正。超声波测距器的系统原理图如图 3.1 所示。图 3.1 系统设计原理图（一）超声波发射和接收电路分立元件构成的发射和接收电路容易受到外界的干扰，体积和功耗也比较大。而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以优先采用集成电路来设计收发电路。1.超声波发射电路超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分，可采用软件发生法和硬件方法产生超声波。在超声波的发射电路的设计中，采用了电路结构简单的集成电路构成发射电路：图中发射电路是由反相器 74HC04 构成的发射电路
7、。用反相器 74HC04 构成的电路简单，调试容易，易通过软件控制。单片机输出的方波经过反相器接到发射器 T1 的两极，用图中的推挽形式将方波信号加到发射器 T1两端，可以提高发射器 T1 的发射强度。图中把两个非门的愉出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。74HC04 是一个高速 CMOS 六反相器，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于 LSTTL 逻辑TC，它的功耗减少很多。另外，上拉电阻 R1, R2 一方面可以提高反相器 74HC04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加发射器 T1 的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。2.超声波接收电路在由集成电路构成的接收和发射
8、电路中，发射电路我们选用由反相器构成的电路，接收电路采用由红外接收检波芯片 CX20106A 构成，主要是考虑到系统的调试简单，成本低以及可靠性好。（公式 2.3）（公式 2.4）（公式 2.5）（公式 2.6）接收电路选用 CX20106，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。到红外遥控常用的载波频率 38kHz 与测距超声披频率 40kHz 较为接近，考虑可以利用它作为超声波检测电路。实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。在实物的制作过程中，我们将用 CX20106A 这一型号代替,CX20106A是索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，是 CX20106
9、 的改进型，也可用于超声波测试，有较强的抗干扰性和灵敏度。CX20106A 采用单列 8 脚直插式，超小型封装，+5V 供电。管脚 1 是超声波信号输入端，其输入阻抗约为 40K；管脚 2 的 R7, C8 决定接收器 R 的总增益，增大电阻 R7 或减小电容 C8，将使放大倍数下降，负反馈量增大，电容 C8 的改变会影响到频率特性，实际使用中一般不改动；管脚 3 与 GND 之间连接检波电容 C5,考虑到检波输出的脉冲宽度变动大，推荐参数为 3. 3uF；管脚 5 上的电阻 R6 用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低，取 R2=200K 时，中心频率约为 42KHZ；管脚 6
10、 与 GND 之间接入一个积分电容 C4，电容值越大，探测距离越短；管脚 7 是遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，没接收信号时，该端输出为高电平，有信号时则会下降；管脚 8 接+5V 电源。（二）单片机主机系统电路1.复位电路单片机在 RESET 端加一个大于 20ms 正脉冲即可实现复位，在系统上电的瞬间，RST 与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST 电位下降，于是在 RST 形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位。当人按下按钮 SWl 时，使电容 C1 通过 R1 迅速放电，待 SWl 弹起后，C1 再次充电，实现手动复位
11、。2.时钟电路当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的 XTAL1 和 XTAL2 用来接石英晶体和微调电容。3.按键电路我们通过 Pl. 0 来启动测量，程序中通过查询 P1.0 的电平来检测是否按键被按下，在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。4.蜂鸣器电路本次设计通过一只蜂鸣器来提示用户按键按下了，现在单片机开始了测距。蜂鸣器是一块压电晶片，在其两端加上 3-5V 的直流电压，就能产生 3KHz 的蜂鸣声，本设计通过单片机软件产生 3KHz 的信号从 P3. 7 口送到三极管 9013 的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。5.温度测量电路由于超声波的传播速度 V 会受温
12、度、湿度、压强等的影响，其中温度的影响尤为严重。因此在测量精度要求高的场合，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正，以减小误差。本系统采用 DALLAS 公司的 DS18B20 数字式温度传感器进行温度测量，它所测量的温度值用 9 位二进制数直接表示，这些值通过 DS18B20 的数据总线直接输入 CPU，无需 A/D 转换，而且读写指令、温度转换指令都是通过数据总线传入 DS18B20，无需外部电源.DS18B20 数字温度传感器与 AD590. LM35 等温度传感器相比，具有相当的测温范围和精度，温度测量精确、不受外界干扰等优点。6.LCD 显示电路本设计采用 LCD 液晶显示屏来显示
13、距离和温度，具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用YB1602 液晶屏，它具有 16 个引脚。7.电源电路电源电路采用普通可调电源供电，该电源不含稳压器，所以在设计中需要用稳压器进行稳压。我们选用LM7805 来获得稳定的+5V 直流电压。输入电压(21V)经过 7805 的稳压输出+5V 的电压，图中的 D2 为保护 7805，防止电源极性接反损坏 7805,滤波电容采用 100uF 电解和 104 瓷片电容并联使用，电磁兼容的实践证明，两个差 100 倍的电容并联使用效果很好。四、系统软件设计（一）系统方框图1.DS18B20 温度传感器接口模块，分为初始化程序、写入命令以及读取
14、子程序等部分；2.基于 YB1602 的显示模块，分为初始化子程序、写入子程序以及显示子程序；3.温度补偿与距离计算模块，温度补偿子程序等。图 4.1 系统软件方框图本次设计使用 C 语言编写程序，c 语言相比汇编有许多的优势，编译器 Keil 进行程序编译，Keil 功能强大使用方便。在编译完成后，使用通过 Proteus 软件进行仿真，对设计进行验证和优化。如图 4.1 所示描述了各个模块的关系。（二）系统主程序本设计主程序的思想如下:1.温度为两位显示，距离为四位显示单位为 mm；2.温度每隔 900ms 采样一次，DS18B20 在 12 位精度下转换周期为 750ms，故 900ms
15、 满足该速度要求，超声波每隔 60ms 发送一次；3.按键 Sw2 为测量启动键:4.系统采用 AT89S52 的内时钟:12MHz，每记一次数为 lus；（三）40KHz 超声波发送子程序超声波每过 60ms 发送一次，通过定时器 TO 中断发送超声波，超声波发送后延时一段时间后返回，防止余波被接收头接收误判。（四）DS18B20 温度采集程序DS18B20 的工作流程是，初始化ROM 操作指令存储器操作指令数据传输。其工作时序包括:初始化时序、写时序和读时序。（五）距离计算子程序距离计算中，实行了温度补偿和角度补偿。（六）数据转换子程序经过程序求出的数据原码无法直接用于显示，必须转换为 L
16、CD 所接受的 BCD 码的形式。（七）LCD 显示子程序LCD 液晶显示程序分为液晶初始化、读忙、写指令和写数据操作，液晶显示器是一块慢器件，所以在执行每条指令之前必须确定模块忙标志为低电平(不忙)，否侧此指令无效。在程序中，我们将测量的各种结果存放到一个数组 num中，然后通过这个数组的数据，到预先存放字符的数组中，按 num中的数据的顺序去读取出预存在 numcode中的字符，然后送到 LCD 中显示。（八）基于 Proteus 的软件仿真Proteus 是一款功能强大的软件，其 ISIS 用来做仿真十分方便，尤其是单片机系统的仿真，我们在本设计的开发初期，用 Proteus 来仿真我们的设计，见图 4.2，以便验证我们的设计，对设计的正确性做出分析。用 Proteus 绘制好电路图后导入程序文件(用 Keil 编译过后的 HEX 文件)，然后就可以执行仿真，我们在仿真的时候 P2. 6 检测到高电平即为返回信号获得，由于在软件中没有 CX20106 模型，所以 P2
