超声波探测系统设计

目录

超声波探测系统设计及制作 (1)

第1 章绪论 (1)

1.1 背景 (1)

1.2 研究的意义 (1)

第2章超声波测距原理 (2)

2.1 超声波简介 (2)

2.2 超声波测距原理 (2)

第3章方案论证 (3)

3.1 单片机应用系统概述 (3)

3.2 设计思路 (3)

第4章主要元件介绍 (5)

4.1 单片机AT89s52 (5)

4.2超声波测距模块HY-SRF05 (7)

4.3锁存器74HCS373 (8)

4.4共阴数码管LG5631AH (8)

第5章硬件电路设计 (9)

5.1 HY-SRF05模块电路 (9)

5.2复位电路 (9)

5.3时钟电路 (10)

5.4原理电路 (10)

第6章软件设计 (11)

6.1 程序设计 (11)

第7章实现与仿真 (15)

7.1 PCB设计图 (15)

7.2 实物图 (15)

7.3 运行结果图 (17)

致谢...................................................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 (18)

超声波探测系统设计及制作

第1 章绪论

1.1 背景

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

1.2 研究的意义

目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且显示距离也比较困难，操作使用也不是很方便。而本设计研究的测距仪成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔。在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出警告声，提醒驾驶员注意刹车。本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车，如集装箱车、载货车、公共汽车等倒车交通事故。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89S52单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。

第2章 超声波测距原理

2.1 超声波简介

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz 。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

2.2 超声波测距原理

超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离D 为

ct D 2

1

= （2.1）

式中 c ——超声波的传播速度；

t 2

1

——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。 由上式可风，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度

由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz 的晶振，使机器周期为精确的1μs,不会产生累积误差，使定时间达到1μs 。超声波的传播速度c 并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为

K

T

c M

RT

c 27310+

==

γ （2.2） 式中 γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。 R ——气体普适常数，为8.314kg/mol 。

T ——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t 。 M ——气体相对分子质量，空气为28.8×10-3kg/mol 。 c 0——0℃时的声波速度，为331.4m/s 。

第3章方案论证

3.1 单片机应用系统概述

单片机的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。

单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如下：

图1 技术路线

3.2 设计思路

测量距离方法有很多种，短距离可以用尺，远距离有激光测距等，超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。

目前比较普遍的测距的原理：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。

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，除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AT89S52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；AT89S52还控制显示电路，用动态扫描法实现LED数字显示。

第4章主要元件介绍

4.1 单片机AT89s52

单片机即单片微型计算机SCMC（Single Chip MicroComputer）。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 In-line Package塑料双列直插式）封装的AT89S52高性能8位单片机。AT89S52为ATMEL 所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flsah存储器。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MCS-51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AT89S52提供了高性价比的解决方案。

AT89S52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2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，AT89S52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

AT89S52的引脚功能有：

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。

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。

ALE/——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，PROG

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AT89S52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。

EA：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），/

/V PP

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。第二变异功能的具体含义如表4.2：

表4.2 P3口的第二变异功能

4.2超声波测距模块HY-SRF05

HY-SRF05实物图管脚说明：

1.vcc：供5v电压；

2.trig：触发控制，信号输入；

3.echo：回响信号输出；

4.out：开关量输出（当报警模块使用）；

5.gnd：地线。

4.3锁存器74HCS373

[3]

4.4共阴数码管LG5631AH

引脚图如下：

第5章硬件电路设计5.1 HY-SRF05模块电路

5.2复位电路

图5.4 复位电路

5.3时钟电路

图5.5 时钟电路5.4原理电路

第6章软件设计

6.1 程序设计

#include

#include

/*****sbit相当于设置各功能端口的实际接口****/

sbit TRIG=P3^1;//超声波回波电平接口

sbit eled0=P2^6;//数码管百位使能接口

sbit eled1=P2^3;//数码管十位使能接口

sbit eled2=P2^0;//数码管个位使能接口指端口号

sbit Pause=P3^7;//测距暂停接口

unsigned int nled[3]={0x6d,0x6d,0x6d};//设置数码管的全局变量double t=0;

unsigned int i,d;

unsigned int n[3];

/****启动测距脉冲函数****/

void start(){

TH1=0xff;//设置计时10us

TL1=0xec;//设置计时10us

TRIG=1;//高电平

TR1=1;// 计时开始

while(TF1==0);//判断计时是否结束

TR1=0;//计时结束停止计时

TF1=0;//计时标志位清零

TRIG=0;//启动脉冲归零

}

/****检测回波电平时长*****/

void keep_on (){

unsigned int h,l;

TH0=0x00;//重置计时器

TL0=0x00;//重置计时器

TH1=0Xc9;=

TL1=0X50;

TR1=1;

while(INT0==0&&TF1==0);//声波未发出，等待

while(INT0==1&&TF1==0);//声波未返回，等待

//display_distance();

if(TF1==0){

h=TH0;

l=TL0;//将电平持续的时间保存

h=h*256;

t=h+l;//计算回波高电平时间

}

TR1=0;

TF1=0;

}

/****计算距离****/

void get_distance(){

d=(int)(t*340/20000);

if(d>450){

d=985;

}

}

/*****确认数码管管码*****/

void enture_LED(){

n[2]=d%10;

d=d/10;

n[1]=d%10;

d=d/10;

n[0]=d;

for(i=0;i<3;i++){

switch(n[i]){

case 0 :nled[i]=0x3f;break;

case 1 :nled[i]=0x06;break;

case 2 :nled[i]=0x5b;break;

case 3 :nled[i]=0x4f;break;

case 4 :nled[i]=0x66;break;

case 5 :nled[i]=0x6d;break;

case 6 :nled[i]=0x7d;break;

case 7 :nled[i]=0x07;break;

case 8 :nled[i]=0x7f;break;

case 9 :nled[i]=0x6f;break;

}

}

}

/*************确保视觉暂留，加强显示效果**********/ void Delay5us()//@11.0592MHz

{

unsigned char i;

_nop_();

i = 11;

while (--i);

}

/*****LED显示距离*****/

void display_distance(){

P0=nled[0]+0x80;//加128表示显示小数点

eled0 = 0; //低电平使能

Delay5us();

eled0 = 1; //关闭该位

/*此处一定要先赋值再使能，否则显示会出问题！！*/

P0=nled[1]; //给下一位置值

eled1 = 0;

Delay5us();

eled1 = 1;

P0=nled[2];

eled2 = 0;

Delay5us();

eled2 = 1;

}

/**************计时59790us期间显示距离*****************/

/*考虑到发出声波的时间200us，和启动测距时间10us所以60ms-210us得出该时间*/ void time59790 (){

TH1=0x16;

TL1=0x72;//设置计时59790us

TR1=1;//开始计时

while(TF1==0){//判断是否计时完毕，否则显示之前的距离

display_distance();

}

TR1=0;//计时完成，停止计时

TF1=0;//重置计时溢出位

}

/*****主函数******/

void main(){

INT0=1;

TRIG=0;

TMOD=0x19;//设置两个计时器工作方式

TR0=1;

while(1){

while(Pause==0){

display_distance();

}//检测暂停键是否有效

start();

display_distance();//为了保证视觉暂留效果keep_on(); //计算回波电平持续时间

display_distance();

get_distance();//由持续时间计算距离

display_distance();

enture_LED();//计算出数码管各位显示的码值display_distance();//显示最新一次测距time59790();//确保两次测距间隔大于60ms }

}

第7章实现与仿真7.1 PCB设计图

7.2 实物图

7.3 运行结果图

参考文献

[1]王爱珍.基于单片机的超声波测距系统的设计与实现.山西忻州师范学院学报.2010年

04月第26卷第2 期.

[2]瞿金辉，周蓉生.超声波测距系统的设计[J].中国仪器仪表，2007（8）：44-45

[3]张东阳.2012单片机原理与嵌入式系统--第2讲单片机系统的电路基础.沈阳理工

大学教学课件 2012—2013.

[4]林伟, 梁家宁, 李才安. 便携式多功能超声波测距仪的设计与实现[J]. 电子测量

技术，2008, (01): 29-31.

[5]王丰，栾学德. 单片机原理与应用技术[Ｍ]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007：

254－261.