单片机项目--基于51单片机的超声波测距仪的设计

单片机项目--基于51单片机的超声波测距仪的设计内容摘要：

)的数码管。 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。 当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 7LED 数码显示管结构 LED 管的显示可以分为静态和动态两种。 静态 显示： 静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二 十进制译码器译码进行驱动。 静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点 是占用 I/O 端口多。 动态显示 数码管动 态显示 是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。 在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为3~5ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更 低。 84. 系统软件的设计 的方案 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。 超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超 声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。 这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用 的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。 距离的计算公式为 d=s/2=(ct)/2。 其中， d 为被测物与测距仪的距离，s 为声波的来回的路程， c 为声速， t 为声波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T1，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。 当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求， 执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 95. 系统的硬件的调试 超声波发射和接收采用 型号 为 TCT4016R/T超声波模块 (直径 16mm）标称频率 为 40kHz。 为提高超声波发射的效率， 用 555 记时 IC 作为频率发生器 时使的 555 的输出频率为 40kHZ 的信号 方波 为最佳。 若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。 超声波接收头接收到超声波后 ,转换为电信号 ,此时的信号比较弱 ,必需经过放大。 根据测量范围要求不同，可适当调整 本系统 中 采用 的 LF347 对接收到的 信号进行放大 的大小。 一般一级放大 10 倍，保证波形的完整性，二级放大可以放大 10 到 100 倍，以提高系统的 灵敏度。 综合上述的建议可 以获得 较好 的接收灵敏度和抗干扰能力。 应该要注意的事项： 超声波模块标称频率为 40kHz。 本系统 中 对接收到的信号进行放大 时曾采用 LM324，由 LM324 的频率特性可知道，放大倍数最大为 一级放大 10倍，二级放大可以放大到 10 倍。 这点对 系统的 灵敏度 造成较大的影响，不建议采用。 而 LF347 对接收到的信号进行放大 时， 一般一级放大 10倍，二级放大可以放大 10 到 100 倍， 这点对 提高系统的 灵敏度 起到了关键的作用。 LM324 的频率特性 10 74HC164 是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。 74HC164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。 数据通过两个输入端（ DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。 两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。 但当 LED 显示出现乱码或显示出错的时候，就需要检查 74HC164 硬件 电路是否在正常的工作。 在超声波接收的端口检测不到发射后回来的信号时，要检测的原件有 555IC 和 4069 放大电路。 555IC 的检测可以在 555 的输出端用万用表测量是否有 40KHZ 的方波输出；而 4069 放大电路的检测，可以从 4069的工作电压，是否工作在放大的状态，和是否有输出几方面来检测。 电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。 根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。 系统调试完后应不断优化系统使其达到 超声波测距系统的精度要求。 使 系统软硬件设计合理 、抗干扰能力强、实时性良好 11 6. 总结 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。 超声波测距仪 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。 单片机采用 AT89C51 或其兼容系列。 采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。 利 用 555 记时 IC 作为频率发生器 时使得 555 的输出 端 频率为 40kHZ 的信号方波 输出 ，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。 显示电路采用简单实用的 4 位 LED 数码管，段码用74HC164N 驱动，位码用三极管 S9013 作为开关来 驱动 电路。 超声波 发射电路主要由 555 记时 IC 输出频率为 40kHZ 的 方波 信号 ，经 4069 内部集成 的 六个反向器 的其中四个 ,使用它 具有 的 放大功能。 经 反相器 4069 放大后 和超声波发射换能器 T构成 一个完整的发射电路。 555 的输出 端 口输出的 40kHz 的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个 电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。 输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。 超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接 收换能器。 超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 超声波检测接收电路 主要是由 集成 放大 电 器 LF347N和 超声波接收换能器 组成， 超声波接收头接收到超声波后 ,转换为电信号 ,此时的信号比较弱 ,必需经过放大。 根据测量范围要求不同，可适当调整 本系统中采用的 LF347 对接收到的信号进行放大的大小 ， 以提高系统的 灵敏度。 12 超声波测距的算法设计原理为超声波发生器 T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。 这样只要计算出从发出超声波信 号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T1，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。 当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 超声波测距仪的软件设计主要由超声波发生子程序、超声波接收中断程序、 键盘扫描和处理程序 及显示子程序组成。 超声波测距仪主程序利用外中断 0， 边沿触发方式， 检测返回超声波信号，一旦 接收到返回超声波信号（即 INT0 引脚出现低电平），立 即进入中断程序。 进入中断后就立即 关掉定时器 1 停止计时，并将测距 所得的数据进行计算处理，然后送到 4位 LED数码管显示。 在元件及调制方面， 由于采用的电路使用了 较多的 集成电路。 对各电子元件也无特别要求。 根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容 C0的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 若能将超声波。