1、超聲波測距儀電路設(shè)計實驗報告輪機系樓宇071 周鈺泉 實驗?zāi)康模?了解超聲波測距儀的原理，掌握焊接方法，掌握電路串接方法，熟悉電路元件。實驗設(shè)備及器材：電烙鐵，錫線，電路元件以下為元件清單：參數(shù)名稱代號數(shù)量參數(shù)名稱代號數(shù)量470UC111KR1, R2, R3, R4, R16, R176100uC214.7R131104C3, C42220KR141224C5, C10222KR151223C614.7KR181330PC71按鍵RST, S1, S2, S3, S453.3UFC81蜂鳴器SP111UFC91超聲波接收管R147UFC111超聲波發(fā)射管T110uFC121LM7805U11

2、30pCY1, CY2274HC245U214007D1, D2, D3, D4489S52U310.36數(shù)碼管DS11CD4069/74LS04U41360R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12,8CX20106AU5110K排阻PR1111.0592MY118550Q1, Q2, Q3, Q4, Q55DC電源插座P11下載頭JTAG1PCB電路板1實驗步驟：1,學(xué)習(xí)keil軟件編寫程序 2、焊接電路板 3、運行調(diào)試超聲波測距程序：#include <AT89X52.H>unsigned char code dispbitcode=0x31,0x32

3、,0x34,0x38,0x30,0x30,0x30,0x30;unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x77,0x7c,0x39;unsigned char dispbuf8=10,10,10,10,10,10,0,0;unsigned char dispcount;unsigned char getdata;unsigned int temp;unsigned int temp1; unsigned char i;sbit ST=P30;sbit OE=P31;s

4、bit EOC=P34;sbit CLK=P35;sbit M1=P36;sbit M2=P37;sbit SPK=P26;sbit LA=P33;sbit LB=P32;sbit LC=P27;sbit K1=P24;sbit K2=P25;bit wd;bit yw;bit shuid;bit shuig;unsigned int cnta;unsigned int cntb;bit alarmflag;void delay10ms(void) unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-);void main(voi

5、d) M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) if(K1=0) delay10ms(); if(K1=0) yw=1; wd=0; else if(K2=0) delay10ms(); if(K2=0) wd=1; yw=0; else if(LC=1) delay10ms(); if(LC=

6、1) M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; else if(LC=0) && (LB=1) delay10ms(); if(LC=0) && (LB=1) M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; else if(LB=0) && (LA=1) delay10ms(); if(LB=0) && (LA=1) M1=1; M2=0;temp1=11;shuig=0;shuid=0;LB=0; else if (LA=0) dela

7、y10ms();if(LA=0) M1=1;M2=0;temp1=0;shuid=1;shuig=0;LB=0; void t0(void) interrupt 1 using 0 CLK=CLK;void t1(void) interrupt 3 using 0 TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; if(EOC=1) OE=1; getdata=P1; OE=0; temp=getdata*25; temp=temp/64; i=2; dispbuf0=10; dispbuf1=10; dispbuf2=0; dispbuf3=0; if(yw

8、=1)&&(wd=0) dispbuf+i=temp1; else if(yw=0)&&(wd=1) while(temp/10) dispbufi=temp/10; temp=temp%10; dispbuf+i=temp; ST=1; ST=0; P0=dispcodedispbufdispcount; P2=dispbitcodedispcount; dispcount+; if(dispcount=8) dispcount=0; if(shuig=1) && (shuid=0) cnta+; if(cnta=800) cnta=0; al

9、armflag=alarmflag; if(alarmflag=1) SPK=SPK; else if(shuig=0) && (shuid=1) cntb+; if(cntb=400) cntb=0; alarmflag=alarmflag; if(alarmflag=1) SPK=SPK; else alarmflag=0; cnta=0; cntb=0; /完整的程序電路原理圖：實驗內(nèi)容： 1.1超聲波測距儀硬件電路硬件電路可分為單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。1.2單片機系統(tǒng)及顯示電路本系統(tǒng)采用AT89S52來實現(xiàn)對超聲波傳感器的控制。單

10、片機通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：單片機采用89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，已獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減少測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40KHz的方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。1.3顯示的輸出顯示的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT顯示器等，都可以與微機連接。其中單片機應(yīng)用系統(tǒng)最常用的顯示

11、是發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器（簡稱LED顯示器）。液晶顯示器簡LCD。LED顯示器價廉，配置靈活，與單片接口方便，LCD可顯示圖形，但接口較復(fù)雜成本也較高。該電路使用7段LED構(gòu)成字型“8”，另外還有一個發(fā)光二極管顯示符號及小數(shù)點。這種顯示器分共陽極和共陰極兩種。這里采用共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極共接，如下圖1所示，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極為低電平時，該發(fā)光二極管亮。它的管腳配置如下圖2所示。VCC圖1圖2實際上要顯示各種數(shù)字和字符，只需在各段二極管的陰極上加不同的電平，就可以得到不同的代碼。這些用來控制LED顯示的不同電平代碼稱為字段碼（也稱段選碼）。如下表為七段LED的段選碼。 表3-1

12、七段LED的段選碼顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba 0 C0H A 88H 1 F9H B 83H 2 A4H C C6H 3 B0H D A1H 4 99H E 86H 5 92H F 8EH 6 82H P 8CH 7 F8H y 91H 8 80H 8. 00H 9 90H“滅” FFH本系統(tǒng)顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動。單片機系統(tǒng)顯示電路如圖3所示。圖3單片機系統(tǒng)及顯示電路1.4 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4所示。發(fā)射電路主要有反向器CD4069和超聲波發(fā)生換能器T構(gòu)成，單片機P1

13、.0的端口輸出 40KHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R10，R11一方面可以提高反向器74lS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時間。圖4超聲波發(fā)射電路原理圖1.5 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHZ與測距的超聲波頻率40KHZ較為接近，可以利

14、用它制作超聲波檢測接收電路（如圖5）。實驗證明用CX20106A接受超聲波（無信號時輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖5超聲波檢測接收電路原理圖2.超聲波測距儀系統(tǒng)程序的設(shè)計2.1 超聲波測距儀的程序設(shè)計超聲波測距器的軟件設(shè)計主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精確計算程序運行的時間，而超聲波測距器的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），有要求精確計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和

15、匯編語言混合編程。下面對超聲波測距器的算法、主程序、超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收斷程序逐一介紹。2.1.1 超聲波測距器的算法設(shè)計圖6示意了超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波信號遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可以計算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。TR圖6超聲波測距的示意圖距離的計算公式：d=s/2=(c*t)/2其中d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲波，t為聲波來回所用的時間。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，表4-1列出了幾種不同溫度下的超

16、聲波聲速，在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的，如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀傩Ｕ螅灰獪y得超聲波往返的時間，即可求得距離。表4-1 不同溫度下超聲波聲速表溫度-30-20-100102030100聲速c/m/s313 3193253233383443493862.1.2 主程序主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時器T0工作模式為6位定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms（這也就是超聲波測距器會有一個最

17、小測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計算器每計一個數(shù)就是1us,，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（1-2）計算，即可得被測物體與測距器之間的距離，設(shè)計時取20時的聲速為344m/s則有D=(c*t)/2=172T0/10000cm1-2其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值。測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。圖7為主程序流程圖。開始系統(tǒng)初始化顯示結(jié)果0.5s發(fā)射超聲波脈沖計算距離等待反

18、射超聲波圖7主程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖8所示：圖8超聲波測距程序流程圖工作時，微處理器AT89S52先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計時。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r表明信號已經(jīng)返回，微處理器進入中斷關(guān)閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲

19、波傳感器與障礙物之間的距離。 2.2 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻率約為40kHz的方波），脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行時間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平）立即進入中斷程序。進入該中斷程序后立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出是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(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示本次測距不成功。3.超聲波測距儀誤差分析與調(diào)試3.1 誤差來源分析由超聲波測距原理可知，它是基于聲波速度不隨頻率變化為基礎(chǔ)的，利用聲波行進于待測距離的時間為測量參量確定待測間距。主要誤差來源有：（1）聲波速度變化引起的誤差，這與空氣的元素含量以及空氣溫度有關(guān)。由聲波傳播速度可知，聲速是與空氣的分子量與以及空氣溫度有關(guān)。（2）脈沖計數(shù)頻率的穩(wěn)定性是直接導(dǎo)致“等效標(biāo)準(zhǔn)尺”長度變化的因素。由測長誤差關(guān)系式可得，當(dāng)脈沖頻率準(zhǔn)確到10-5時，如果測量距離L是100米的話，=0.001米，此誤差遠(yuǎn)小于超生測長誤差。（3）開關(guān)門的可靠性是標(biāo)志超聲波測距可靠性的關(guān)鍵，即同步門控制。也就是說，超聲波發(fā)射