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1、. 基于51单片机的超声波测距仪说明书引言超声波测距仪,可使用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。一、性能要求 该超声波测距仪,要求测量范围在0.08-3.00m,测量精度1cm,测量时和被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。二、工作原理及方案论证 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。用超声波传感器产生超声波和接收超声波,习惯上称为超声波换能器或超声
2、波探头。超声波传感器有发送器和接收器.超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF(timeofflight)。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源和障碍物之间的距离。 根据要求并综合各方面因素,采用AT89C52单片机作为主控制器,用动态扫描法实现LED数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器完成,超声波测距精品.仪的系统框图如下图所示: 图1 超声波测距仪系统设计框图三、系统硬件部分硬件部分主要由单片
3、机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。1. 单片机系统及显示电路 单片机采用AT89C52来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.1引脚发射脉冲控制超声波的发送,然后单片机不停的检测外中断0口INT0引脚,当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过换算就可以得到传感器和障碍物之间的距离。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管,段码用74LS244驱动,位码用PNP三极管驱动。 单片机系统及显示电路如下图所示: 精品.图2 单片机系统及显示电路2.
4、超声波发射电路精品. 利用555时基电路振荡产生40kHz的超声波信号,使之和换能器的40kHz固有频率一致。12V电源保证555时基具有足够驱动能力。P1.1为超声波发射控制信号,由单片机控制。发射电路如图3所示: 图3 超声波发射电路原理图3.超声波检测接收电路 超声波接收电路采用集成电路CX20106A,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。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz和测距超声波频率40KHz较为接近,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。适当改变C4的大小,可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。接收电路如图4所示:
5、精品. 图4 超声波接收电路图四系统软件部分 超声波测距程序设计软件部分主要由主程序,超声波发射子程序,超声波接受中断程序及显示子程序组成。下面对超声波测距仪的算法,主程序,超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介绍。1超声波测距仪的算法设计 下图示意了超声波测距的原理,即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号,当超声波遇到被测物体后反射回来,就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器和反射物体的距离。距离计算公式:d=s/2=(c*t)/2*d为被测物和测距器的距离,s为声波的来回路程,c为声速,t为声波来回所用的时间精品. 2.主
6、程序 主程序框图如右图所示:主程序首先对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式,置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发,需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后,才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振,机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后,将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按下式计算即可测得被测物体和测距仪之间的距离,设计时取20时的声速为344m/s则有:d=(C*T0)/2=172T0/1000
7、0cm(其中T0为计数器T0的计数值) 测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。精品.3.超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过P1.1端口发送超声波发射控制脉冲信号,同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号,一旦接收到返回超声波信号(INT0引脚出现低电平),立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时,并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号,则定时器T0溢出中断将外中断0关闭,并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。五软硬件调试及性能 超声
8、波发射和接收采用15的超声波换能器TCT40-10F1(T发射)和TCT40-10S1(R接收),中心频率为40kHz,保持两换能器中心轴线平行并相距48cm。 主要性能指标:测距仪能测的范围为0.083.00m,测距仪精度1cm。程序清单以下是用汇编语言编写的超声波测距控制源程序:采用AT89S52 12z晶振显示缓冲单元在,使用内存44H、45H、46H用于计算距离20H用于标志VOUT EQU P1.0 ;脉冲输出端口*中断入口程序*ORG 0000H LJMP STARTORG 0003H LJMP PINT0精品.ORG 000BH LJMP INTT0ORG 0013H RETIO
9、RG 001BH LJMP INTT1ORG 0023HRETIORG 002BH RETI*主程序*START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H ;4043H为显示数据存放单元(40为最高位) MOV R7,#0BHCLEARDISP:MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ;T1为8位自动重装模式,T0为16位定时器 MOV TH0, #00H ;65ms初值 MOV TL0, #00H ;40KHz初值 MOV TH1, #0F2H MOV TL1, #0F2H MOV P
10、0, #0FFHMOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFHMOV R4, #04H ;超声波脉冲个数控制(为赋值的一半)SETB PX0SETB ET0STEB EACLR 00HSETB TR0 ;开启测距定时器START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信号时标志位为1 CLR EA LCALL WORK ;计算距离子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新开启测距定时器 MOV R2, #64H ; 测量间隔控制(约4*100=400ms)LOOP: LCALL DISPLAY DJN
11、Z R2, LOOP 精品. SJMP START 1*中断程序*;T0中断,65ms中断一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;启动计时器T0,用以计算超声波来回时间 SETB TR1 ;开启发超声波用定时器T1OUT: RETI;T1中断,发超声波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 ;超声波发送完毕,关T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;开启接收回波中断RETIOUT: RETI;外中断0,收到回波
12、时进入PINT0: CLR TR0 ;关计数器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H, TL0 ;将计数值移入处理单元 MOV 45H, TH0 SETB 00H ;接收成功标志 RETI*延时程序*DL1MS: MOV R6, #14HDL1: MOV R7, #19HDL2: DJNZ R6, DL2 DJNZ R6, DL1 RET*显示程序*;40H为最高位,43H为最低位,先扫描高位DISPLAY:MOVR1, #40H;GMOVR5,#0F7H;GPLAY:MOVA, R5MOVP0, #0FFHMOVP2, A精品.MOVA, R1MOVDPTR, #TABMOVCA, A+DPT