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1、超声波测距仪摘 要 传统的超声波测距采用的主要原理是通过比较发射超声波与接收到的超声波时差，从而根据距离与时间的关系，得到测量距离。而本设计利用超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波测距仪。关键词 超声波 测距 AT89S51 处理Abstract：Traditional ultrasonic distance measurement principle is used primarily by comparing the launch of ultrasound and receiving ultrasound to t
2、he time difference and, consequently, the relationship between distance and time, are measured distances. The design and the use of ultrasound transmission distance and the time constraint, using AT89C51 microcontroller for control and data processing, design that can accurately measure the distance
3、 between two points of the ultrasonic range finder.Kevwords U1trasoniC Wave Ranging AT89S51 74LS04 CX20106A引言我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声呐”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。产生超声波的装置有机械型超声发生器、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器，以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。超声波具有如下特性： 1 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2 超声波可传递很强的能量。 3 超
4、声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。本设计的超声波测距仪，利用超声波的特性可以对不同距离进行测试，并可以进行详尽的误差分析。根据超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波测距仪。推荐精选第一章 方案选择与总体设计1.1 基于单片机AT89S51的超声波测距仪锁相环电路放大电路声音输出超声波发射接收电路LCD显示主控制器图 11设计框图方案一：如上图所示单片机AT89C51发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和回收的时间
5、差tr，然后求出距离S=Ct/2，式中的c 为超声波波速。超声波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波。经处理后输出低电平，送到AT89S51引脚。AT89S51通过外部引脚P2.0输出脉冲宽度为25/us，载波为40KHZ超声波脉冲串，加到射随器的基极，经功率放大推动超声波发射器发射出去。限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接受能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超
6、声波属于声波范围，其波速c与温度有关，表1列出了几种不同温度下的波速。表 11 波速与温度关系表温度/-20-100102030100波速/m/s319325323338344349386推荐精选在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速c，较精确地得出该环境下的超声波经过的路程，提高测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离。1.2 利用分立模块的超声波测距仪图1-2 超声波测距模块组硬件框图方案二：如上图所示整个系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组、控制模组及电源等五个部分。超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，
7、超声波的发射受主控制器控制；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。显示模块是一个8位段数码显示的LCD；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供电系统各部分电路使用。1.3 方案的选择基于上述两种方案的比较，方案二所测的精密度比方案一高，但测量盲区较长，结构复杂且稳定性不高。而方案一比方案二测到的距离远，电路比较简单，但能实现相同功能，也能实现双向测距，在显示效果方面也比方案二更好，而且功耗也低，同时还有报警功能。精简指令使其执行效率大为提高，彻底的保
8、密性。在有限的情况之下，方案一比方案二更加容易实现，所需要的元器件比较常用，花费也比较少。综合上述比较，我们决定选用方案一为我们的设计方案。推荐精选第二章 系统整体电路2.1 超声波测距仪的电路原理图图 21 超声波测距仪的电路原理图整个系统硬件电路包括电源电路、放大电路、单片机主板电路、发射电路、接收电路、显示电路、报警电路等部分。推荐精选2.2 超声波测距仪的检测接收电路图22 超声波检测接收电路集成电路CX20106A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38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路
9、。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。当 CX20106A 接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。RP2用来调节CX2016A的阻尼，用来控制发射频率。CX20106A的引脚注释：l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际
10、使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7，C=3.3F。3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3F。4脚：接地端。5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，fn42kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6脚： 该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。推荐精选7脚：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
11、接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。8脚： 电源正极，4.5V5V。2.3 超声波显示电路和报警电路图2-3 超声波显示电脑和报警电路本设计采用ats8051 的SPI 从而驱动595控制lcd1602. 其中LCDCS为595的片选信号。把片选信号 定义为P3.1 . 声光报警电路的设计中均采用简单的三极管放大电路、蜂鸣器和发光二极管。9012为PNP三极管，用来驱动蜂鸣器，控制脚为低电平时，蜂鸣器发声。9013为NPN三极管，用来驱动发光二极管，当控制脚为高电平平时，可以驱动相应发光二极管发光。系统设置三个发光二极管D1、D2
12、、D3，其中D2发光表示电路正常接收到超声波回波信号，系统工作正常。D1、D3则分别表示所测目标物太远或太近，超出系统的测距范围。VT1为控制管，在为警戒状态时，由于控制引线将A，B两端连线（视为短路），所以VT1管处于截止状态。可控硅VS1控制极无触发电压，故不导通。VK点电位器为零，或门输出端VD点电位亦为零，报警区域显示不发光。同时电子开关VT6亦截止，报警发声部分无电而不工作。推荐精选2.4 超声波测距仪发射电路图 24 超声波发射电路原理图超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF。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与障碍物之间的距离。
13、输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。2个电阻R7、Rp1一方面可以提高反向器CD4011输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。超声波测距仪的发射电路主要由反相器CD4011和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。推荐精选初始化定时器T1/T0及其他相关T1产生40KHZ的方波发射并开T0延时躲过干扰清IE0开INT0报警保存TH,TL0置收到标志
14、位开始计算结束开始开始结束是否收到超过限离YYNN测距流程图外部中断INT0服务中断第三章 系统软件设计3.1主程序流程图图 31 主程序流程图首先先接上电源，再按复位，开始运行主程序。初始化定时器，产生40KHz的方波，启动发射超声波，开始计时，等待超声波反射回来，接收超声波，请求中断，保存数据，开始计数，得出数值用LCD显示，超出测量范围蜂鸣器响起。推荐精选推荐精选3.2 40kHz 脉冲的产生在整个测距系统中，超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生，然后传到发射电路，发射超声波，开始记时。程序如下：推荐精选puzel：
15、 mov 14h, #12h；超声波发射持续200ms here： cpl p1.0 ；输出40kHz方波 nop ； nop ； nop ； djnz 14h，here； ret前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。推荐精选3.3 超声波的接收与处理接收超声波使用超声波接收器，它将接收到的声波转化为电压信号提供给电路进行放大、滤波与整形以后，得到与原发送脉冲相同的信号，提供给计数器部分电路。电路的接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器放大后加至CX20106A。CX20106A是带有锁定环的音频译码集成块，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容决定其锁定带宽。调节RP2在发射的
