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1、基于单片机的超声波避障系统摘 要 STC89C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。本系统以设计题目的要求为目的，采用STC89C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测空间中的障碍，达到指定距离报警，显示实时距离功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高，实验测试结果满足要求。关键词：STC89C51单片机；超声波避障；传感器；报警Ultrasonic obstacle avoidance system based on single chipAbstract The SCM STC89C51 an eight microcontroller, ease o
2、f use and versatility by the majority of users. The system design subject requirements for the purpose of using the SCM STC89C51 core control, the use of ultrasonic sensors to detect space obstacles to reach a specified distance alarm, display real-time distance function. The whole system is a simpl
3、e circuit structure, high reliability, to meet the requirements of the experimental test results.Keywords ：STC89C51 single chip computer；Ultrasonic obstacle avoidance；Sensor；Alarm目录 第一章 绪 论51.1 设计目的及意义51.1.1设计的目的51.1.2设计的意义5第二章 超声波测距仪的设计思路62.1 超声波测距原理62.2 超声波测距工作过程72.3 超声波测距仪原理框图82.4 超声波测距设计的任务和要求82
4、.5 超声波测距方案设计与论证92.5.1超声波测距方案的论证92.5.2超声波测距的技术方案分析 92.5.3超声波测距声波传感器10第三章 超声波避障系统硬件设计103.1超声波避障的硬件设计思想103.2单片机最小系统103.3下载电路123.3.1 RS232总线接口芯片MAX232123.3.2显示电路133.3.3单片机复位电路143.3.4时钟电路143.4超声波发射电路设计153.5超声波接收电路163.6 避障报警电路及电路图和实物图17第四章 软件设计194.1软件设计总体框图194.2软件程序模块化设计194.2.1初始化模块194.2.2中断计时模块204.2.3延时模
5、块204.2.4数据处理模块204.2.5液晶显示模块214.2.6按键输入模块22第五章 系统设计与制作的问题与特点235.1 多次反射问题235.2 超声波传感器的盲区235.3 可测障碍物的极限参数245.4 测量距离与信号强度的关系24总结24参考文献25致谢26第一章 绪 论1.1设计目的及意义1.1.1设计的目的 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但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，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，它将朝着更加
6、高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。1.1.2设计的意义 随着科技的发展，人们生
7、活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。第二章 超声波测距仪的设计思路
8、2.1超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为，根据计时器记录的时间，发射点距障碍物的距离，如图一所示图一 超声波测距原理图一中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用表示，由图可得： (1) (2)将式(2)带入式(1)得： (3)在整个传播过程中，超声波所走过的距离为： (4)式中：为超声波的传播速度，为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式(4)带入式(3)可得： (5)当被测距离H远远大于M时，式(5)变为
9、： (6)这就是所谓的时间差测距法。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2。 由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。 表一 超声波波速与温度的关系表 2.2超声波测距工作过程启动超声波测距电路时，工作过程如下；1. 由
10、单片机发出40KHz的脉冲串，每10个脉冲为一串；2脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波；3单片机在发送脉冲的时刻开始计时；4超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经过两级放大；5再经过电压比较器，下降沿中断信号中断单片机的计时；6读TH0时间值；7时间*速度 ，计算出距离数据；8在LCD上显示距离。2.3 超声波测距仪原理框图 单片机发出 40kHZ 的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。 图二
11、 超声波测距仪原理框图2.4超声波测距设计的任务和要求 设计一超声波测距仪，任务： (1).了解超声波测距原理。 (2).根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。 设计一超声波测距仪，要求： (1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。 (2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。 (3).对设计的电路进行分析。 (4).以数字的形式显示测量距离。 2.5超声波测距方案设计与论证2.5.1超声波测距方案的论证 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被
12、测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。2.5.2超声波测距的技术方案分析 常用的避障技术方案有超声波测距方案和红外触发方案。超声波测距方案在制作优良的条件下可以达到毫米级误差，可进行精确测量，适合远距离测量。而红外触发方案误
13、差一般较高，易受电流波动影响；不可进行较远（超过50厘米）距离测量。所以为了达到更精确的避障本此设计采用超声波测距方案进行避障。本设计的核心部件为超声波传感器，以下对超声波传感器的原理和结构展开说明。2.5.3超声波测距声波传感器 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。 本系统所采用的SP-40-38F型超声波传感器超声波传感器型号代码: SP-40-38F 外壳直径- 16(mm)T 发射 R-接收 40KHZ-中心频率图三 超声波传感器实物图 表二 SP-40-38F特性参数型号SP-40-38F中
14、心频率40士1KHZ发射电压大于115dB接受灵敏度大于-64dB/V/ubar-6dB指向50deg电容2400士25%允许输入电压20V第三章 超声波避障系统硬件设计 超声波避障系统硬件主要包括STC89C51单片机最小系统、超声波发射和接收电路、动态显示电路、蜂鸣器报警电路。3.1超声波避障的硬件设计思想按设计要求，根据超声波测距原理，以STC89C51单片机系统为核心，制作超声波测距电路。它的各部分电路的说明如下:1STC89C51单片机最小系统是超声波测距的核心部分，主要任务: (1) 控制一个40KHz的脉冲驱动振荡电路，启动振荡电路工作，振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同频率，使换能器能最大效率工作; (2) 延时程序
