1、微機原理及應用課程設計超聲波測距器的設計學生姓名郝 強學 號20110611113學院名稱機電工程學院專業名稱機械電子工程指導教師王 前2013年12月27日徐州工程學院微機原理及應用課程設計摘要隨著科學技術的快速發展， 超聲波將在科學技術中的應用越來越廣。本文對超聲波傳感器測距的可能性進行了理論分析，利用模擬電子、數字電子、 微機接口、超聲波換能器、 以及超聲波在介質的傳播特性等知識， 采用以 AT89C51單片機為核心的低成本、 高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法在此基礎上設計了系統的總體方案， 最后通過硬件和軟件實現了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、 程序流

2、程圖。 為了保證超聲波測距傳感器的可靠性和穩定性，采取了相應的抗干擾措施。 就超聲波的傳播特性， 超聲波換能器的工作特性、超聲波發射、接收、超聲微弱信號放大、波形整形、速度變換、語音提示電路及系統功能軟件等做了詳細說明。關鍵詞： 超聲波 ；傳感器； 測量距離；控制2徐州工程學院微機原理及應用課程設計目錄 231.42.43 .53.153.2.163.2.2AT89C5163.363.3.163.3.273.483.594.94.1104.2114.3124.4134.5144.6155.17 183徐州工程學院微機原理及應用課程設計1.設計目的超聲波測距器， 可應用于汽車倒車、 建筑施工工地

3、以及一些工業現場的位置監控，也可用于如液位、 井深、管道長度的測量等場合。 要求測量范圍在0.10 4.00m，測量精度 1 cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩定地顯示測量結果。2. 總體方案硬件部分主要由單片機系統及顯示電路、 超聲波發射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用 AT89C1或其兼容系列來實現對 CX20106A紅外接收芯片和 74LS04 系列超聲波發射模塊的控制。單片機通過 P1.0 引腳經反相器來控制超聲波的發送，然后單片機不停的檢測 INT0 引腳，當 INT0 引腳的電平由高電平變為低電平時就認為超聲波已經返回。 計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，

4、通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。軟件部分主要由主程序、 超聲波發生子程序、 超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。3. 硬件設計3.1 超聲波測距器硬件電路設計4徐州工程學院微機原理及應用課程設計超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波， 從而測出發射和接收回波的時間差 t, 然后求出距離。路程、波速、時間之間的關系，可用下列簡單的公式表示：ds/ 2(ct ) / 2上式中， d 為超聲波傳播單邊的路程， s 為超聲波來回的路程， c 為超聲波波速 , t 為超聲波來回所用的時間。當聲速確定后， 只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距的原理。超

5、聲波測距的原理如圖所示。3.1 超聲波測距原理根據超聲波測距原理，超聲波測距器需要有超聲波發生器、超聲波接收器、超聲波傳播的計時器。按照系統設計功能的要求， 硬件電路由單片機計時及控制電路、超聲波發射電路、超聲波檢測接收電路、 顯示電路及電源五部分組成。 系統原理總框圖見圖。3.2 超聲波測距器的原理總框圖5徐州工程學院微機原理及應用課程設計3.2.1 單片機芯片的選擇89C51是一種帶 4K 字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。 89

6、C2051 是一種帶 2K 字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL的 89C51是一種高效微控制器， 89C2051是它的一種精簡版本。 89C 單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.2.2AT89C51 定時計數應用電路AT89C51 單片機片內集成有兩個可編程的定時/計數器 T0 和 T14 。它們既可以工作于定時模式， 也可以工作于外部事件計

7、數模式。本設計采用定時計數器T0，根據需要，讓其工作于方式 1。方式 1 的計數位數是 16 位，由 TL0 作為低 8 位，TH0 作為高 8 位，組成 16 位加 1 計數器。其初值在 65 5350 范圍，計數范圍為 1 65 536。具體應用見程序設計部分。3.3超聲波發射電路設計3.3.1 選擇超聲波發生器類型壓電式超聲波換能器利用壓電晶體的諧振來工作， 其內部結構如圖所示。 超聲波換能器有兩個壓電晶片和一個共振板。 當它的兩極外加電脈沖信號， 其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發生共振，從而帶動共振板振動，產生超聲波。反之，如果在共振板上外加適當的機械振動，使壓電晶片發

8、生共振，將在壓電晶片之間產生交變的電信號。這時它就成為了超聲波接收器。本設計選用壓電式超聲波換能器TCT40 l0Fl 作超聲波發射器。使用時注意分清器件，因為它與接收換能器在結構上稍有不同。6徐州工程學院微機原理及應用課程設計3.3 超聲波換能器內部結構圖3.3.2超聲波發射電路設計超聲波發射電路主要由反向器74LS04 和超聲波發射換能器T 構成，如圖所示。圖中 T 為超聲波發射器，采用TCT40 l0Fl ，外型尺寸 15 。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上拉電阻R2，R3 一方面可以提高反向器74LS04 輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短

9、其自由振蕩的時間。工作時，單片機的定時器T0 產生 40 KHz 方波信號，從 P1.3 端口輸出，一路經過一級反向器后送到超聲波發射器T 的一個電極，另一路經過兩極反向器后送到超聲波發射器T 的另一個電極，從而將40 KHz 電脈沖信號加到超聲波發射器 T，使 T 發射超聲波。電路采用推挽形式， 向超聲波發射器T 提供電脈沖信號， 可以提高超聲波的發射強度。U4AU4B+5Vp1.3 1234R21 K74LS0 47 4LS04TU4CU4D56987 4LS04U4E10R374LS0 41 11 K7 4LS043.4 超聲波發射電路原理圖7徐州工程學院微機原理及應用課程設計3.4超聲

10、波接收電路設計超聲波接收電路主要由超聲波接收換能器R 和超聲波檢測接收模塊構成，如圖所示。圖中 R 為超聲波接收器，采用 TCT40l0Sl，外型尺寸 15 。U5 是超聲波檢 測接 收模 塊，設 計時 選用了 紅外 線檢波接 收專用 集成 電路芯 片 CX20106A 。選用的原因是 CX20106A 常用的載波頻率為 38KHz ，與測距的超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以將發射的超聲波之頻率控制為 38KHz 。電路中設置的電容C4，適當更改其大小，可以改變接收電路的抗干擾能力；適當改變電路中的電容C6，可改變電路的靈敏度。工作時，接收的超聲波信號經R 轉換為電信號，加到CX2010

11、6A 的輸入端（ 1 腳），處理后由 CX20106A 的輸出端（ 7 腳）送達單片機的中斷口INT0 ，申請 CPU 處理。+5 VR41KR51 K.IN T085U3RCX27 01 06A12346R6C6+C710K33 0 pF0.0 5u F3.3 u FC5+ C41 u F3.5 超聲波檢測接收電路3.5 超聲波顯示電路設計顯示電路采用 LED 數碼管顯示。 LED 數碼管顯示有靜態顯示方式和動態顯示方式，本系統采用并行輸出的動態顯示方式。顯示電路結構8徐州工程學院微機原理及應用課程設計根據本超聲波測距器顯示測距數據的需要，采用 4 位 LED 動態顯示電路。 其中 2 位顯

12、示小數部分， 2 位顯示整數部分。顯示信息輸入部分由單片機P0 輸出端，連接74LS244 相應輸入端，驅動器輸出端經限流電阻連接相應字段碼端；字位控制部分分別由三極管驅動，選用PNP 型晶體管 9012，其基極經限流電阻連接單片機的P2 口相關端子，集電極連接數碼管的共用端，發射極連接電源。顯示電路如圖所示 5 。3.6 超聲波測距動態顯示電路4 軟件設計超聲波測距器的軟件主要由主程序，超聲波發生子程序， 超聲波接收中斷程序以及顯示子程序組成。4.1 波測距器的算法設計從前面距離的計算公式可知，c 為聲速，對于超聲波，在常溫20時，其數值為 344 米/秒；若能準確測量出超聲波從發射到返回所

13、用時間，則可以計算出發射點到被測障礙物之間的距離。9徐州工程學院微機原理及應用課程設計測量距離時， 由超聲波測距器的主控制器中定時器記錄時間，設計中要求超聲波測距時精確計算程序運行時間。測量超聲波來回所用的時間， 當送出一個超聲波脈沖后， 需要延時約 0.1ms，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號， 這是為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起直射波觸發。單片機工作時晶振頻率為12MHz ，計數器每計 1個數就是 1 s，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將停止計數器T0 計數。計算距離，將計數器 T0 中的計數值 T0帶入距離的計算公式計算，即可得被測物體與測距器之間的距離。具體為d

14、s / 2 (344 t) / 2(172T0 ) /106計算的結果，以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示，顯示時間約 0.5s，然后再發超聲波脈沖重復測量過程。4.2 系統的主控制程序設計主程序包括對系統環境初始化，設置定時器T0 工作模式，調用超聲波發生子程序，等待反射超聲波，計算距離，顯示距離；重復。主程序流程圖如圖。4.1 主程序流程圖10徐州工程學院微機原理及應用課程設計主程序START:MOVSP, #4FHMOVR0, #40H ;40H43H 為顯示數據存放單元（40H 為最高位）MOVR7, #0BHCLEARDISP: MOVR0, #00HINCR0DJNZR7,

15、 CLEARDISPMOV20H, #00HMOVTMOD, #21H；T1 為 8 位自動重裝模式， T0 為 16 位定時器MOVTH0, #00H;65ms初值MOVTL0, #00HMOVTH1, #0F2H;40kHz初值MOVTL1, #0F2HMOVP0, #0FFHMOVP1, #0FFHMOVP2, #0FFHMOVP3, #0FFHMOVR4, #04H;超聲波脈沖個數控制（為賦值的一半）SETBPX0SETBET0SETBEASETBTR0；開啟測試定時器START1:LCALLDISPLAYJNB00H, START1;收到反射信號時標志位為 1CLREALCALLWO

16、RKSETBEACLR00HSETBTR0;重新開啟測試定時器MOVR2, #64H ;測量間隙控制（約 4ms×100=400ms）LOOP:LCALLDISPLAYDJNZR2,LOOPSJMPSTART111徐州工程學院微機原理及應用課程設計4.3 發生子程序設計超聲波發生子程序，主要功能是單片機控制，通過P1.3 端口發送 2 個左右超聲波脈沖信號，頻率為約40kHz 的方波，其脈沖寬度為12s左右，同時把計數器 T0 打開進行計時。ORG0000HLJMPSTARTORG0003HLJMPPINT0ORG000BHLJMPINTT0ORG0013HRETIORG001BHL

17、JMPINTT1ORG0023HRETIORG002BHRETI4.4 接收中斷程序設計超聲波接收中斷程序， 主要功能是單片機控制， 檢測外中斷 0 返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現低電平），立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示本次測距不成功。； T0 中斷， 65ms中斷一次INTT0:CLREACLRTR0MOVTH0,#00HMOVTL0,#00HSETBET1SETBEA12徐州

18、工程學院微機原理及應用課程設計SETBTR0;啟動計數器T0，用以計算超聲來回時間SETBTR1；開啟發超聲波用定時器T1OUT:RETI； T1 中斷，發超聲波用INTT1:CPLVOUTDJNZR4,RETOUTCLRTR1;超聲波發完畢，關T1CLRET1MOVR4,#04HSETBEX0;開啟接收回波中斷RETIOUT:RETI; 外中斷 0，收到回波時進入PINT0:CLRTR0;關計數器CLRTR1CLRET1CLREACLREX0MOV44H,TL0;將計數值移入處理單元MOV45H,TH0SETB00H;接收成功標志RETIT0 溢出中斷將如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回

19、信號，則定時器外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值2，以表示本次測距不成功。4.5 顯示程序設計； 40H為最高位， 43H為最低位，先掃描高位DISPLAY:MOVR1,#40H;GMOVR5,#0E7H;GPLAY:MOVA,R5MOVP0,#0FEHMOVP2,AMOVR1MOVDPTR,#TABMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLDL1MSINCR1MOVA,R5JNBACC.0,ENDOUT;G13徐州工程學院微機原理及應用課程設計RR AMOVR5,AAJMPPLAYENDOUT:MOVP2,#0FEHMOVP0,#0FEHRETTAB:DB0C0H,0F9H,0A

20、4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FEH,88H,0BFH; 共陽段碼表“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“不亮”，“A”，“- ”4.6 距離計算程序PUSHACCPUSHPSWPUSHBMOVPSW, #18hMOVR3, 45HMOVR2, 44HMOVR1, #00DMOVR0, #17DLCALLMUL2BY2MOVR3, #03HMOVR2, #0E8HLCALLDIV4BY2LCALLDIV4Y2MOV400H, R4MOVA, 40HJNZJJ0MOV40H,#0AH;最高位為 0，不點亮JJ0:M

21、OVA, R0MOVR4, AMOVA, R1MOVR5, AMOVR3, #00DMOVR2, #100DLCALLDIV4BY2MOV41H, R4MOVA, 41HJNZJJ1MOVA, 40H;次高位為 0，先看最高位是否為不亮14徐州工程學院微機原理及應用課程設計SUBBA, #0AHJNZJJ1MOV41H, #0AH ;最高位不亮，次高位也不亮JJ1:M0VA, R0MOVR4, AMOVA, R1MOVR5, AMOVR3, #00DMOVR2, #10DLCALLDIV4BY2MOV42H, R4MOVA, 42HJNZJJ2MOVA, 41H ;次次高位為 0，先看次高位是否為不亮SUBBA, #0AHJNZJJ2MOV42H, #0AH ;次高位不亮，次次高位也