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1、. . . . 基于AT89S51单片机的超声波测距仪设计前言随着工业，建筑业，农业建设的不断发展，一些在早期社会，曾被人类广泛应用的米尺不在满足人类的要求，于是出现了现在人类所应用的间接测量工具。在测量方面，尤其工业，据了解，我国一些工业领域曾经使用过接触式测量仪，但普遍存在着这样一些问题，比如触点的接触不良，抗粉尘的能力差，误动作，经常失灵，不可调整，容易被杂物缠绕而误报等缺点，工作不可靠，影响设备的正常使用。针对以上这些缺点。我们考虑研究一种非接触测量仪器。 随着电子技术的发展，非接触测量出现了微波雷达测距，激光测距与超声波测距等。前几种方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而
2、超声波测距由于其科研技术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。所以现在我们所见到一些测量仪基本上都是利用超声波来测距的。 超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，这个特点可使测量仪器不受被测介质的影响。这样就大大解决了在粉尘多情况下，给人类引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。且对被测的元件无磨损，使测量仪器使用寿命加长，牢固耐用，而且还降低了能量消耗，节省人力和劳动的强度。从长远利益看，是多向节能型研究。 超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。超声波对于被测物体处于黑暗，有灰
3、尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点。 超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波。它在介质中传播的距离比较远。因而超声波经常被用于测量距离，可解决超长度的测量。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，反射、折射、干涉、衍射、散射等。与物理紧密联系，应用灵活。并且更适合与高温，高粉尘，高湿度和高强电磁
4、干扰等恶劣环境下工作。无论从可靠性还是从精度方面，超声波测距做得都比较好。利用超声波检测即时迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。具有广泛的发展前景。另外，在控制方面，单片机其卓越的性能，要本设计中得到了很好的体现，尤其在检测，控制领域中，具有以下特点： 小巧灵活，成本低，易于产品化，它能方便地组装成各种智能测试，控制设备与各种智能仪器表。 可靠性好，适应围广，单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它原件无法比拟的。 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强，单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能所用
5、的指令。 本文论述了采用单片机技术研制成功的用超声波测距仪的基本原理，测量计算方法简单，实现方案容易。采用软件控制，提高了测量精度和整机的可靠性。可在潮湿高温，多尘等恶劣环境下工作。并且灵敏度高，可靠性强。而且这个测距系统还可以经过简单的修改就能实现其它的检测要求。例如：超声波测距仪广泛被应用于汽车的倒车、建筑施工的工地以与一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、联合收割机、管道长度等的实时测量场合。根据调查，目前国一般使用专用集成电路设计超声波测距系统，但是专用集成电路的成本很高，并且没有数据显示，操作使用很不方便。因此本设计采用了以AT89S51单片机为核心低成本，高精度，LED数字显
6、示超声波测距系统的结果的硬件电路设计方法。整个设计对其它所用器件也进行了介绍和对比。综合了各器件的功能，耐用性，市场价位等多方面因素，选件谨慎、适用。硬件设计方面利用所学的知识和理论联系实际的方法，本着和大学课本密切联系的原则来完成设计任务。在文中还详细介绍了设计中应用到的主要芯片（AT89S51，CX20106A, TCT40-10）的性能和特点。软件设计方面采用MCS-51语言，通俗易懂。通过实际测试使用证明，该超声波测试系统工作稳定，测距精度高，性能良好，可广泛应用到实际中以方便观察测试结果。1 系统设计1.1 设计原理和目的2、5本课题的研究，是为了利用超声波，来测量比较有难度的距离，
7、通过一系列原件（AT89S51,CX20106A ,TCT40-10，LED数码管）组成一个测量系统，来达到对困难距离的测量，得到一个精确度在0.01m以的精确距离数据，从而实现对距离的测量。超声波是指频率大于20KHz的机械波。为了用超声波作为检测手段，就必须产生超生波和接收超声波，然而完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上把它称为超声波探头或超声波换能器。超声波传感器包括发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送声波和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应原理将电能和超声波相互转化，即在超声波发射时，将电能转换成超声波发射；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。测量
8、距离的方法有很多种，短距离的测量可以用尺，远距离的测量可以用激光测距等，超声波测距则适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M频率的晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。利用超声波在空气中的传播速度为已知，测出超声波从发射到遇到障碍物后返回所经历的时间t，再乘以超声波的速度就得到声源与障碍物之间的距离的二倍（2s），在把得到的距离除以2就得到了发射仪与被测物体之间的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，同时在发射的时刻开始计时，超声波在
9、空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来，超声波接收器收到反射波就会立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距离障碍物之间的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。然而在实际环境中，空气温度是一个不可不考虑的因素之一，因为超声波在空气中的传输速度在很大的程度上是要受温度的影响，不同的温度超声波拥有不同的传输速度，因此一般都还需要一个温度补偿，来计算出当前空气温度下，超声波的传播速度，不同温度下超声波传输速度见表1.1-1。表1.1-1 不同温度下超声波传输速度温度-30-20-100102030速度m/s312318
10、326332339342349关于温度补偿，由于超声波传播速度与环境温度有如公式1.1-1所示关系： (1.1-1)式中T为摄氏温度，C为在该温度下的超声波传播速度（单位为 m/s）。当温度知道的情况下，通过该式就可以知道该温度下超声波的传播速度了。用温度去校正超声波的传播速度，这就是温度补偿。关于温度传感器的选择，在传统的中、低温测温领域中采用的方法有热敏电阻，半导体温度传感器等。这些方法都有一定的缺陷，如线性差，电路复杂，实现数字化需要A/D转换等。这导致了在工程应用中的一系列问题，如造价高，互换性差，调试不方便等。在本设计中，采用了一种高性能，低价格，数字化的温度传感器DS18B20来采
11、集温度，该数字温度传感器为独特的1-Wire总线接口，仅占用MCU一只引脚，具有操作简单，温度测量快，精度高（提供912位温度读数），测量温度围为55到125摄氏度，在10到85摄氏度围精度为0.5摄氏度等优点。可行性分析：根据式子在MCU中建一温度速度表（温度速度表精确到小数点后1位），由温度传感器输出的温度去查表，便找到了在该温度下的超声波传播速度C，再由L=Ct便可以得出被测量距离。a.设环境温度为T0=25摄氏度，此时超声波传播速度为： (1.1-2)测量5m的距离用时：（取） (1.1-3)b. 设数字温度传感器给出的温度为T=24.5摄氏度,得出超声波传播速度为： (1.1-4)速
12、度误差为： (1.1-5)测量5m产生的距离误差为： (1.1-6)c.设数字温度传感器给出的温度为T=25.5摄氏度，得出超声波传播速度为： (1.1-7)速度误差为： (1.1-8)测量5m产生的距离误差为： (1.1-9)由此可以看出，采用温度补偿法测量出的距离精度高，使用方便。本课题将使用AT89S51, CX20106A红外接收专用放大电路，TCT40-10超声波传感器和数字化的温度传感器DS18B20设计的超声波测距仪。建立一个超声波测距仪，主要工作有：完成硬件设计,即AT89S51与CX20106A红外接收专用放大电路，TCT40-10超声波传感器和数字化的温度传感器DS18B2
13、0之间的硬件设计；软件设计,即AT89S51,CX2016A,TCT40-10,DS18B20的软件设计以与驱动设计。超声波作为测距，已经在很多领域起着非常重要的作用。利用超声波检测往往比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制,在测量精度方面也能达到工业实用的要求,因此在移动机器人,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。因此利用超声波测距，能在人们日常和科学研究中，测量到不容易被测量的距离，如液位测量、矿井深度、弯道长度等等，减少了测量成本和测量危险。1.2 设计思想与设计方案超声波发生器可以分为两类：一类是用机械方式产生超声波，一类是用电气方式产生超声波。本课题属于近距离的测量，可以采用
14、常用的压电式超声波换能器来实现。所以，本设计采用AT89S51单片机作为主要的主控制器，用动态扫描的方法实现LED数字显示，用单片机的定时器完成超声波的驱动信号。超声波测距器的系统框图如图1.2-1所示：单片机控制器超声波发送超声波接收LED显示扫描驱动图1.2-1 超声波测距系统框图本系统主要由超声波发射电路和超声波检测接收电路、单片机系统与显示电路三部分组成。采用AT89S51单片机来实现对红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过引脚经过反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平从高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器
15、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与障碍物之间的距离，其系统的原理框图如图1.2-2所示。定时器控 制显示器调制器振荡器超生发射器计时器接受检测超生接收器图1.2-2 系统原理框图2 系统硬件设计2.1 单片机AT89S51的基本设计1AT89S51是一个功耗低，性能高的CMOS 8位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，此器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造而成，兼容标准的MCS-51指令系统和80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能如此强大的微型计算机AT89S51可作为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。由于本设
