1、第三章超聲波測距儀硬件電路的設計3.1 超聲波測距儀硬件電路硬件電路可分為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。3.1.1 單片機系統及顯示電路本系統采用AT89S5抹實現對超聲波傳感器白控制。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，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12MHzt精度的晶振，已獲得較穩定 的時鐘頻率，減少測量誤差。單片

2、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。3.1.2 顯示的輸出顯示的種類很多，從液晶顯示、發光二極管顯示到CRT顯示器等，都可以與 微機連接。其中單片機應用系統最常用的顯示是發光二極管數碼顯示器（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，但接口較復雜成本也較高。該電路使用7段LED構成字型“8”，另外還有一個發光二極管顯示符號及小 數點。這種顯示器分共陽極和共陰極兩種。這里采用共陽極LED顯示塊的發光二 極管陽極共接，如下圖3-1所示，當某個發光二極管的陰極為

3、低電平時， 該發光 二極管亮。它的管腳配置如下圖 3-2所示。comVCCI .:com圖3-1圖3-2實際上要顯示各種數字和字符，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。0口00口口圖3-3單片機系統及顯示電路表3-1七段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 gfedcba0C0HA88H1F9HB83H2A4HCC6H3B0HDA1H499HE86H592HF8EH682HP8CH7F8Hy91H880H8.00H990H“滅”FFH本

4、系統顯示電路采用簡單實用的 4位共陽LED數碼管，位碼用PNP三極管 8550驅動。單片機系統顯示電路如圖 3-3所示。3.1.1 超聲波發射電路超聲波發射電路原理圖如圖3-4所示。發射電路主要有反向器 CD406環口超聲波發生換能器T構成，單片機P1.0的端口輸出40KHz方波信號一路經一級反 向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經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射強度。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上拉電阻 R1Q R11 一方面可以提高反向器741S04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以 增加超

5、聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時間。圖3-4超聲波發射電路原理圖3.1.2 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106Al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 38KHZW測距的超聲波頻率40KHZ 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路（如圖 3-5）。實驗證明用 CX20106As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圖3-5超聲波檢測接收電路原理圖第四章 超聲波測距儀系統程序的設計4.1 超聲波測距儀的程序設計超聲波測距器的軟件設

6、計主要由主程序， 超聲波發生子程序，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較復雜的算法, 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、超聲波發生子程序和超聲波接收斷程序逐一介紹。4.1.1 超聲波測距器的算法設計圖4-1示意了超聲波測距的原理，即超聲波發生器T在某一時刻發出一個超 聲波信號，當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

7、發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生器與反射物體的距離。TR圖4-1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，表4-1列出了幾種不同溫 度下的超聲波聲速，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的， 如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。 聲速校正后，只要 測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/C-30-20-100102030100聲速c/m/s；313319

8、3253233383443493864.1.2 主程序主程序首先是對系統環境初始化，設定定時器 T0工作模式為6位定時計數 器模式，置位總中斷允許位 EA并給顯示端口 P0和P2清0。然后調用超聲波發 生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發，需要延時約0.1ms （這也就是超聲波測距器會有一個最小測距離的原因）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勺晶 振，計算器每計一個數就是1us,當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計 數器T0中的數（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，設計時取

9、 20c時的聲速為344m/s則有D=（c*t）/2=172T0/10000cm1-2其中T0為計數器T0的計數值。測出距離后結果將以十進制 BCM方式送往LED顯示約0.5s ,然后再發超 聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用 C語言編寫。圖4-1為主程序流程圖。圖4-1主程序流程圖系統程序流程圖如圖4-2所示:開始開中斷準備接收圖4-2超聲波測距程序流程圖工作時，微處理器AT89S5況把P1.0置0,啟動超聲波傳感器發射超聲波， 同時啟動內部定時器T0開始計時。由于我們采用的超聲波傳感器是收發一體的， 所以在發送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返

10、回信號識別消除超 聲波傳感器的發送信號，要檢測返回信號必須在啟動發射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當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弓I腳，如果INT0接收的信號由高電平變為低電平，此 時表明信號已經返回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數據經過 換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。4.2超聲波發生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發生子程序的作用是通過 P1.0端口發送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，同時把計數器T0打開進行計時。 超聲波發生子程序較簡單，但要求程序運行時

11、間準確，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引腳出現低電平）立即 進入中斷程序。進入該中斷程序后立 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關閉，并將測距成功標志字賦值 2以表示本次測距不成功。第五章超聲波測距儀誤差分析與調試5.1 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：(D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

12、有關。c =由聲波傳播速度R TM可知，聲速是與空氣的分子量與M以及空氣溫度T有關。(2)脈沖計數頻率的穩定性是直接導致“等效標準尺”長度變化的因素。N CmL =2- mf = L mf / f由測長誤差關系式f可得，當脈沖頻率準確到10-5時,如果測量距離L是0 100米的tS, mL =0.001米，此誤差遠小于超生測長誤差。(3)開關門的可靠性是標志超聲波測距可靠性的關鍵，即同步門控制。也 就是說，超聲波發射與脈沖計數必須同步開門。 所以，非同步性帶來的隨機誤差 會影響結果。5.2 調試過程超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F

13、 1(T發射)和TCT40-10SR接收)，中心頻率為40kHz, 安裝時應保持兩換能器 中心軸線平行并相距48cm1其余元件無特殊要求。若 能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽 起來，則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要 求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容 C4的大小，以獲得合適的接 收靈敏度和抗干擾能力。制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據實際情 況可以修改超聲波發生子程序 每次發送的脈沖寬度 和兩次測量的間隔時間，以適 應不同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測的范圍為 0.075.5m,測距儀最大誤差不超過1cm系統調試完后應對測量誤差和重復一 致性進行多次實驗分析，不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。調試注意事項：一超聲波探頭表面嚴禁用手及其它物體觸摸以免產生信號滯后性及損壞二所有IC器件最好拔下烙鐵插頭再焊接，以免損壞.三按圖安裝完畢后接上12V電源，測距部分只要安裝正確 不必進