基于51单片机的超声波测距系统-姚晨岗

基于51单片机的超声波测距系统-姚晨岗内容摘要：

，故被测距离为 S=1/2vt （ 22） 本测量电路采用第二种方案。 由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。 如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 超声波测距适用于高精度的中长距离测量。 因为超声波在标准空气中的传播速度为 米 /秒，由单片机负责计时，单片机使用 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达 到毫米级。 CPU 的选型 本课题所设计的超声波测距系统是基于单片机控制的，在选择 CPU之前，我们先来简单了解一下单片机的工作原理。 单片 机基础 知识 单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机 种 [4]。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件： CPU(Central Processing Unit，中央处理器 )、存储器和 I/O 接口电路等。 因此， 一个单片机只需要与 适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 5l系列单片机中典型芯片 (8051)采用 40引脚双列直插封装 (DIP)形式，内部由 CPU，4kB的 ROM， 256 B的 RAM， 2个 16b的定时／计数器 T0和 T1， 4个 8位的 I/O端口： P0，P1， P2， P3，一个全双功串行通信口等组成。 特别是该系列单片机片内的 Flash可编程、 6 可擦除只读存储器 (EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。 该系列单片机引脚与封装如图 22所示。 P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7VP D/ R S TP 3 . 0 / R X DP 3 . 1 / T X DP 3 . 2 / I N T OP 3 . 3 / I N T 1P 3 . 4 / T 0P 3 . 5 / T 1P 3 . 6 / W RP 3 . 7 / R DX T A L 2X T A L 1VS S1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 04 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 32 22 1V C CP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7VP P/ E AP R O G / A L EP S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 08 0 5 1 图 22 51系列单片机的封装引脚图 5l系列单片机提供以下功能： 4 kB存储器； 256 BRAM； 32条 I/O口 线 ； 2个 16位 定时／计数器； 5个 2级中断源； 1个全双向的串行口以及时钟电路。 空闲方式： CPU停止工作，而让 RAM、定时 /计数器、串行口和中断系统继续工作。 掉电方式：保存 RAM 的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。 5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。 充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下 构成功能完善的超声波测距系统。 CPU 的选型 在综合考虑了 MCS51的多种单片机后，我选择了本科期间学习最多，也是最为熟悉的 8051单片机，此单片机具有成本低，实用性强的特点，虽然在功能和操作上较其他一些新型单片机稍差，但 8051可以满足本次设计的所有要求。 7 系统总体方案分析 系统资源的使用 1 I/O端口的占用 本次设计中，超声波的发送和显示电路都要用到单片机的 I/O口，发送电路的信号源由单片机产生，经单片机 ，显示电路的 LED灯接 单片机的 P3口。 2 系统资源 系统的资源包括起主控作用的单片机，单片机的晶振电路，用来产生 40kHz的超声波。 超声波的发射的电路，起放大作用。 超声波的接收电路，用到放大器和一些集成芯片。 显示电路用到 LED灯。 几种常见的方案 超声波测距系统的设计包括超声波发射电路的设计、超声波接收电路的设计及 LED显示电路的设计。 超声波发射电路的目的主要就是对单片机发出的 40kHz的信号进行放大，再由超声波发射探头发出。 超声波接收电路的目的就是使单片机能够接收到信号比较强并且无其他明显干扰的 40kHz的波形 ，使单片机能够在接收到此信号后停止计时。 其主要原理主要有两个，第一个是经放大后，以整形滤波为主的电路 [5]，第二个是经放大后，以检波为主的电路，这两种电路各有优缺点，电路也各不相同。 同时对其中的任意一种原理的电路也有很多种。 图 23与图 24为这两种原理的 流程图。 超 声 波 接 收 器 放 大 电 路 整 形 滤 波 电 路单 片 机显示电路超 声 波 发 射 器放 大 电 路 图 23 放大整形滤波的电路流程图 8 超 声 波 接 收 器 放 大 电 路 检 波 电 路单 片 机显示电路超 声 波 发 射 器放 大 电 路 图 24 放大检波电路的电路流程图 根据这两种不同原理所设计的电路有很多，本文列出以下几 种供参考。 发射电路有以下几种： S E N DC 1R 12 S A 1 0 1 52 S C 1 8 1 5R 2P 1 . 0V C C 图 25 由三极管构成的发射电路 此电路采用两个三极管进行放大 [6]。 U 4 A U 4 BU 4 DU 4 CU 4 ER 1R 2V C C7 4 H C 0 47 4 H C 0 4S E N DP 1 . 0 图 26 由集成芯片 74HC04构成的发射电路 如图 26，编程由单片机 40 kHz 左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够， 40 kHz 方波脉冲信号分成两路，送给 由 74HC04组 成的推挽式电路进行 功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射 换能器 9 TCT40－ 16T 以声波形式发射到空气中。 发射部分的电路。 图中输出端上拉电阻 R31，R32，一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换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间 [7]。 RT R IGC V o ltV C C QD IST H RG N D5 5 5+ 5 VR 1R 2C 1C 24258376P 1 .0S E N D 图 27 由 555集成芯片构成的发射电路 需要注意的是，图 27中的由 555集成芯片 构成的发射电路其所发出的超声波不是单纯 由单片机产生的，而是单片机产生的 由 P1. 0 输出一个 250 μs 的高电平 ,经过 555振荡成 10 个 25μs 的 40 kHz 脉冲 [8]，其在原理上与其他电路不同。 V C CR 1R 2TS E N DP 1 . 0 图 28 由一个三极管构成的超声波发射电路 图 28是由一个三极管和两个上拉电阻组成的超声波发射电路。 图 25所示的电路与 图 28所示的电路都是由三极管构成的，图 25中因为有两个三 10 极管，所以其放大倍数有所增加，但三极管放大强度和效果并没有图 26中的 74HC04好，并且其稳定性和可靠性也不如 74HC04高。 图 27中的由 555集成芯片 构成的发射电路 ，其40kHz的方波脉冲是由 555振荡产 生，属于外部信号源，其操作麻烦，不易使用。 所以本次设计采用图 26所示的由 74HC04构成的发射电路。 超声波接收电路较发射电路会比较复杂，经过查资料，接收电路一般有以下几种，如图所示。 D 1D 2C 1C 2L M 7 4 1C 3C 4C 5R 3R 4R 1R 2R 5I N T O+V C C 图 29 由 LM741组成的放大滤波电路 超声波探 头 接收到超声波后，通 过 声 电转换 ， 产 生一正弦信号，其 频 率 为传 感器的中心 频 率，即 40kHz。 该 信号通 过 C1 高通 滤 波后 经 LM741 放大，最后 经 二极管整形后 输出到 单 片机中断口。 LM741 是一 单 运放集成芯片。 图 210是由检波芯片 LM567构成的接收电路， LM358将 超声波探头传递过来 的信号放大后 又传递给 LM567检波， LM567的滤波频率设定为 40kHz。 11 3 4 8L M 5 6 756 7 1 2SR 1R 2+ 5 V+ 5 VR 3R 4C 1C 2R 5R 6C 3C 3C 4I N T O++L M 3 5 8 AL M 3 5 8 B 图 210 由 LM567组成的放大检波电路 C X 2 0 1 0 6V C CI N T OI N 2 3 G N D 5 6 O U T V C CC 1R 1C 2C 3R 2C 4R 3R0 . 0 5 6u F4 . 7 k1 u F2 2 0 k3 3 0 p F2 2 k3 . 3 u F 图 211 由 CX20206集成芯片组成的接收电路 12 RC 1R 1R 2D 1D 2R 3C 2T L 0 8 4 AT L 0 8 4 BR 4R 5C 4C 33 9 3+ 2 . 5 5 V+ 2 . 5 V+ 2 . 5 5 VR 6+ 1 2 VI N T O+++ 图 212 放大整形的接收电路 图 29所示的电路是将接收到的信号经过滤波放大并经过 一个加法电路整定成一个稳定的高电平信号，再送至单片机，但经过仿真发现，其稳定性并不好，而且参数的设定比较麻烦，所以本次设计不用其作为接收电路。 图 210所示电路因为 LM567检波芯片 在噪声几十 mV到 几百 mV时自身相应时间误差也能到毫秒级 ，其误差较大，而且 LM567的响应时间过长，所以本次设计也不采用这种电路。 图 211所示的由集成芯片 CA20206A构成的接收电路无论从稳定性还是滤波效果都比较出色，所以 ，本设计中选择图 211所示的由红外接收芯片 CX20206A为主要组件的接收电路。 本文将在第三章详细介绍 发射电路和接收电路的工作原理。 13 第三章 硬件设计 总体方案设计 由单片机 8051编程产生 40kHz 的方波，由 ，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。 发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理 ,送至单片机。 单片机利 用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。 该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射 /接收电路和 LED 显示器组成。 传感器输入端与发射接收电路 相连 ,接收电路输出端与单片机相连接 ,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。 其时序图如图 31 所示。 图 31 时序图 单片机在 T0 时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。 计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。 超声波测距系统的硬件设计主要由单片机系统及显示电路、发射电路和接收检波电路三部分组成。 14 发射电路的设计 由单片机产生的 40kHz 的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波 ，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是 74HC04 集成芯片。 超声波发射部分是为了让超声波发射换能器 TCT40－ 16T能向外界发出 40 kHz左右的方波脉冲信号。 40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由 555 振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。 编程由单片机 端口输出 40 kHz 左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够， 40 kHz 方波脉冲信号分成两路，送给一个由 74HC04 组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求， 最后送给超声波发射换能器 TCT40－。