基于单片机的超声波测距仪设计与制作

基于单片机的超声波测距仪设计与制作内容摘要：

方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。 在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的 超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。 通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。 而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。 以 8051 为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能 强等特点。 尤其值得一提的是，出 8 位 CPU 外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位 CPU，位 RAM、 ROM（ EPROM），位寻址寄存器、 I/O 口和指令集。 所以， 8051 是双 CPU 的单片机。 位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而 8 位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用 AT89C52 单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。 利用软件产生超声波信号，通过输出 引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 3 章 课题设计方案制定 6 生超声波；超声波信号的接收采用锁相环 LM567 对放大后的信号进行频率监视和控制。 一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由 RC值决定），则其输出引脚的电平将从“ 1”变为“ 0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。 可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度； AT89C52 还控制显示电路，用动态扫描法来实现 LED 数字显示。 系统总体结构设计 超声波测距仪系统结构如 图 所示。 它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、 LED 显示电路及电源电路组成。 系统主要功能包括： 1) 超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离； 2) 通过 LED 电源指示灯，检测电源电路是否正常工作； 3) LED 显示器显示距离； 4) 单片机综合处理接收到的数据； 5) 当系统运行不正常时，用上电复位电路复位。 图 超声波测距仪系统结构框图 4 位 LED 显示器 复位电路 电源电路 AT89C52 超声波发射电路 超声波接收电路 T40 R40 河南城建学院本科毕 业设计（论文） 第 4 章 硬件电路的主要元器件介绍 7 第 4 章 硬件电路的主要元器件介绍 单片机 AT89C52 单片机即单片微型计算机 SCMC（ Single Chip Micro Computer）。 它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如 CPU（进行运算、控制）、 RAM（数据存储）、 ROM（程序存储）、输入 /输出设备（例如：串行口、并行输出口等）、中断系统、定时 /计数器等集中在一块芯 CPU（进行运算、控制）、 RAM（数据存储）、 ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器 MCU（ Microcontroller Unit）。 相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与 控制，因此也称为嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded Microcontroller Unit)。 本设计的 MCU 采用的是 DIP（ Dual Inline Package 塑料双列直插式）封装的AT89C52 高性能 8 位单片机。 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C52 提供了高性价比的解决方案。 AT89C52 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 3 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口，AT89C52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。 其引脚图如右图。 AT89C52 的引脚功能有： 图 .1 AT89C52 的引脚图 1) 主电源引脚 VSS—— 第 20 脚，电路接地电平。 VCC—— 第 40 脚，正常运行和编程校验 +5V 电源。 河南城建学院本科毕 业设计（论文） 第 4 章 硬件电路的主要元器件介绍 8 2) 时钟源 XTAL1—— 第 19 脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。 当直接采用外部信号时，此引脚应接地。 XTAL1—— 第 18 脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。 当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。 3) 控制、选通或复用 RST/VPD—— 第 9 脚， RESET 复位信号输入端口。 当单 片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为 2 个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。 在 VCC 掉电期间，此引脚 (即 VPD)可接通备用电源，以保持片内 RAM 信息不受破坏。 PROGALE/ —— 第 30 脚，输出允许地址锁存信号。 当单片机访问外部存储器时，ALE 信号的负跳变将 P0 口上的低 8 位地址送入锁存器。 在非访问外部存储器期间，ALE 仍以 1/6 振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。 要注意的是：每当访问外部存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 PROG 为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 PSEN —— 第 29 脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。 当 AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 PSEN 信号不出现。 /VPP/EA ：外部访问允许。 欲使 CPU 访问外部程序存储器（地址 0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。 需注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 Flash 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP。 4) 多功能 I/O 端口 P0 口 —— 第 32~39 脚， 8 位漏极开路双向 I/O 端口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“ 1”可作为高阻抗输入端用。 在访问数据存储器或程序 存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 P1 口 —— 第 1~8 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 在对片内程序存储器（ EPROM 型）进行程序编程和校验时，用做低 8 位地址总线。 P2 口 —— 第 21~28 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 当单片机访问存储器时，用做高 8 位地址总线；在对片内程序存储器（ EPROM 型）进行程序编程和校验时，亦用做高 8 位地址总线。 P3 口 —— 第 10~17 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 它还提供特殊的第二变异功能。 它的每一位均可 独立定义为第一功能的 I/O 口或第二变异功能。 第河南城建学院本科毕 业设计（论文） 第 4 章 硬件电路的主要元器件介绍 9 二变异功能的具体含义如表 ： 端口引脚 第二功能 RXD （串行输入口） TXD （串行输出口） 0INT （外中断 0） 1INT （外中断 1） T0 （定时 /计数器 0） T1 （定时 /计数器 1） WR （外部数据存储器写选通） RD （外部数据存储器读选通） 表 P3 口的第二变异功能 超声波传感器 超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。 压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。 也就是说，若在压电晶片两边加以频率为 0f 的交流电电压时，它就会产 生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当 0f 落在音频范围内时便会发出声音。 反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。 超声波传感器结构如下： 图 元件内部结构 图 传感器外部结构 河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 5 章 超声波测距硬件电路设计 10 第 5 章 超声波测距硬件电路设计 超声波发射电路 超声波发射电路原理图如图 所示。 发射电路主要由反相器 74HC04 和超声波发射换能器 T40构成，单片机 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。 输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。 上位电阻 R R5 一方面可以提高反向器 74HC04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。 图 超声波发射电路原理图 河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 5 章 超声波测距硬件电路设计 11 超声波接收电路 超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导 致接收效果甚至不能接收。 由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。 本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片 CX20206A，由于红外遥控的中心频率在 38KHz，和超声波的 40KHz 很接近，所以可以用来做接收电路。 CX20206A 是日本索尼公司的产品，采用单列 8 引脚的直插式封装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配 合少量外接元件就可以对 38KHz 左右的信号的接收与处理。 超声波接收电路如图 所示。 图 超声波接收电路 河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 5 章 超声波测距硬件电路设计 12 四位 LED 数码管显示电路 显示电路如图 ，四位 LED 组成动态扫描电路，由 AT89C52 的 P0 口输出。 动态扫描时，由 P2 口控制 LED 的当前显示位。 当距离测量结束并调用显示程序，就会显示距离大小，显示两位小数。 超声波显示电路如图 所示： 图 显示电路 图 超声波显示电路 USB 供电电源电路 电源电路如图 所示。 为方便起见，本设计采用的是 5V USB 供电，输出 +5V稳恒直流电，作为电路的电源。 LED 是电源指示灯，通电后发光。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 5 章 超声波测距硬件电路设计 13 图 电源电路 单片机复位电路 A。