超声波测距仪

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1、超声波测距仪一、任务与要求1、任务 设计并制作超声波测距仪2、要求 使用数码管显示器显示测得的距离 距离测量范围为 20300cm 测距响应时间为1秒二、方案设计及论证 超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、 井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成 电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。此次设计的是一种以AT89C2051单 片机为核心的低成本、高精度、微型化的数字显示超声波测距仪。超声波是一种频率超过20KHZ的机械波。压电传感器中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起

2、的形变可转换成相应的电信号。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收，而且每一种压电传感器有固定的工作频率 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，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2,式中的C为超声波波速。一般在空气中的超声波传播速度为 340m/s由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声 速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高 则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距 离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如图1 所示。表 1 声速与

3、温度关系表温度（C）-30-20-100102030100声速（米/称）313319325323338344349386三、系统硬件设 根据本课题的要求，我们涉假的超声波测距仪由以下部分组成：电源部分、信号产生部 分、信号发射部分、信号接收部分、单片机控制部分、LED显示部分。原理框图如图1。图11、 电源部分设计电源通过稳压电源输出79伏的直流电，在通过滤波稳压IC限流、稳压后输 出为所需的 5 伏电压，供各电路工作。2、 信号发射部分和信号接收部分 一般超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中使用最多的是压电式的， 这里选用的压电传感器为T/R40-16P超声波传感器，其工作频率为

4、40KHZ,包括一 个发射传感器（T）和一个接收传感器（R）。该器件性能：略。3、单片机控制部分及显示部分 单片机软件主要是对 40KHZ 超声波信号发送控制，定时计算及数据显示等工作任 务。完成信号发送和接收、数据采样和中断处理，理论计算距离。四、硬件单元电路 硬件单元电路我们设计采用了分立元件和集成电路的结合，为让设计更好地稳定工 作。1 、 稳压电源部分我们采用芯片L7805、滤波电容及散热片组成。产生的5伏工作电压电路，工作性 能可靠。集成块L7805的脚1接电压源输入，脚2接地，脚3输出+5伏，此电路 相对简单且工作稳定，较实用。2、 信号发生部分40KHZ 超声波信号由集成芯片 N

5、E555 产生，我们设计的是一个占空比可调的方波 发生器。 NE555 内部的比较器灵敏度较高，输出驱动电流大，而且采用差分式电路形 式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。电路中，二极管 D1、 D2 是起单相导电的作用。振荡频率为： f=1.4/（R1+R2+R3）*C1, 调节R3即可得40KHZ频率的方波。通过调节R2可调节占空比。3、信号发射部分 信号输入端由单片机软件产生，由三极管 C9013 放大，增益较大，会产生较好信 号，由超声波发射探头发射信号。超声波经过该级电路之后，发射出来的波形可能受外 界干扰影响而产生稍微偏差，但频率是比较稳定的。4、信号接收部分由于在距离较

6、远的情况下超声波的回波信号比较弱，接收换能器 R40-16P 的输出 信号只有几十毫伏，因此接受到的回波信号首先经过4运放集成的LM324进行放大， 放大倍数约100 倍，放大后的信号经电平变换电路加以滤波以及电平变换，输出低电平 即表示监测到回波信号，若输出是高电平即表示未检测到回波信号或发射探头未发射信 号。LM324是一个四运放集成电路，并且可以单电源供电，静态功耗小，价格低廉等 优点，广泛应用在各种电路中，因此用此芯片放大。放大器采用单电源供电，由电阻 R17、R14组成1/2V+偏置，电容C9是消振电容5、显示部分考虑到要有多位显示，因此采用四位共阴LED数码管。五、系统软件设计 采

7、用汇编语言作为开发语言，使用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程 序、计时子程序、显示子程序等模块组成。；显示的缓存为70H71H72H73H，以段码形式存放，每隔8ms显示一位，每2s=250*8ms更新 一次。；设最大测量距离为3.4m，则计时最大长度20ms,可以用16为定时器（65536us）进行测 量计时 t;t用两个字节表示，s=c*t/2,每us传播0.34mm ，实际用s=0.17*t=t*17/100,数字工程化, ；编程时把转化完S的的10进制的低两位丢掉即可，相当于除以100 了 ；对10进制半字节进行显示译码，译码的结果更新显示缓存ORG 0000HAJMP MA

8、INORG 000BHAJMP T8MSORG 0100HMAIN:MOV TMOD,#10HMOV TH0,#00HMOV TL0,#00HMOV R7,#00HMOV P2,#00HCLR P1.0MOV R6,#250SETB EASETB ET0SETB TR0AJMP $ORG 0150HT8MS:CLR TR0；中断服务程序CJNE R7,#00H,BIT1CLR P2.3MOV P0,70HSETB P2.0MOV R7,#01HJMP BACK1BIT1:CJNE R7,#01H,BIT2CLR P2.0MOV P0,71HSETB P2.1MOV R7,#02HJMP BAC

9、K1BIT2:CJNE R7,#02H,BIT3CLR P2.1MOV P0,72HSETB P2.2MOV R7,#03HJMP BACK1BIT3:CLR P2.2MOV P0,73HSETB P2.3MOV R7,#00HBACK1:DJNZ R6,BACKACALL SERVEYNOPBACK:MOV TH0,#00HMOV TL0,#00HSETB TR0RETIORG 0300HSERVEY:SETB P1.0ACALL DELAY25msMOV TH1,#00HMOV TL1,#00HCLR P1.0SETB TR1LOOP: JB P3.2,LOOP;P3.3 为 0 则马上关

10、断定时CLR TR1MOV 61H,TH1MOV 60H,TL1MOV A,60H ;AB*C 乘法部分，完成*17 的步骤MOV B,#17MUL ABMOV 60H,AMOV A,61HMOV 61H,BMOV B,#17MUL ABADD A,61HMOV 61H,AMOV A,BADDC A,#00HMOV 62H,A ;接下来要把62H61H60H的值转化为10进制数采用左移再自身相加, 再 DAA 即可MOV R5,#24;24 次左移MOV 50H,#00HMOV 51H,#00HMOV 52H,#00HLOOP1:CLR CMOV A,60HRLC AMOV 60H,AMOV

11、A,61HRLC AMOV 61H,AMOV A,62HRLC AMOV 62H,A ;完成一次左移MOV A,50HADDC A,50HDA AMOV 50H,AMOV A,51HADDC A,51HDA AMOV 51H,AMOV A,52HADDC A,52HDA AMOV 52H,A ;自身相加DJNZ R5,LOOP1;得到结果后丢掉50H，只显示高两字节52H51H的内容SWAP A现在的值时52H的ANL A,#0FH ;屏蔽掉低四位，即每半字节转换为显示段码MOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV 73H,AMOV A,52HANL A,#0FHMOVC

12、A,A+DPTRMOV 72H,AMOV A,51HSWAP AANL A,#0FHMOVC A,A+DPTRMOV 71H,AMOV A,51HANL A,#0FHMOVC A,A+DPTRMOV 70H,ARETORG 0450HDELAY25ms:MOV R4,#25HLOOP2: MOV R3,#0FAHLOOP3: NOPNOPNOPNOPDJNZ R3,LOOP3DJNZ R4,LOOP2RETTABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07HDB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71HEND六、测试与结果（一）1、环境：室温

13、 25 摄氏度左右，无风；2、仪器：HY3002D-3型稳压电源，MS8200G型数字万用表，伟福硬件仿真器S51,TDS1002 型数字示波器。（二）指标测试1、超声波产生测试 用直流电源经过稳压电路给方伯发生器力口+5伏电压，产生40KHZ方 波信号，用示波器直接互测并通过调节得到相对准确的频率（40KHZ）和幅度（+5伏）方 波信号。2、超声波发射测试 在发射电路的三极管的基极接入方波信号，示波器测量发射探头，是 否有放大且同频率信号发射输出。3、超声波接收测试 发射探头与接收探头平行放置，正前方放置障碍挡板，当发射探头发 射信号波，经障碍挡板发射，接收探头应接到同频率、幅度在十到几十毫

14、伏左右的回波信号， 可能出现回波信号过于微弱、受外界干扰等问题，但可进行调试改进。4、 信号放大及电平转换调试 对接收探头所接收到的信号或用函数发生器直接产生的信 号进行放大，我们采用的LM324是运放集成，用到了两个运放，单级放大约10倍左右，经 LM324放大之后设计测量40KHZ及峰一峰值在1伏以上的波形信号。当有信号接受时，经 电平转换电路加以滤波和电平转换之后，输出是低电平，反之，为高电平。5、软件测试 在方伯发生器开启即发射探头开始发射超声波时程序开始计时，在接收探头 接收到由障碍物反射的信号时即电平转换电路输出由高电平跳到低电平，外部中断信号进 入，程序处理之后计时停止，因此发射与接收之间的时间差T,有计时计算子程序处理所测 距离， LED 数码管显示距离，待显示稳定后读数。此过程存在时间差，发射波与回波重叠 干扰等问题。6、实测距离范围为2米左右。调节R23使得13脚电压比12脚电压稍高，即可获得较高的 精度。