超声波测距课程设计

注：1、在此页后附实习总结。其内容应包括：实习目的、实习内容及实习结果等项目。

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3、实习总结使用A4幅面纸张书写或打印，并附此页后在左侧一同装订。

第1章总体设计方案

1.1 总体设计方案

方案一

基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为 40kHz 的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图 1.1 所示。

图1.1

这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间

和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口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，结果输出给 LED 显示

利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。

方案二

基于CPLD 的超声波测距系统，这种测距系统采用CPLD(Complex Programmable Logic Device) 器件，运用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage) 编写程序，使用MAX+plusII 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。

CPLD 器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为 D 触发器、T 触发器、RS 触发器或JK 触发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非常

适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由MAX 来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。

本系统利用CPLD 器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在LED 上显示出来。配合使用MAX+plusII 开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。

其系统框图如下图所示。

图1.2

通过以上我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。本设计测距系统就是用单片机控制的。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 v，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。

本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，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。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口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，结果输出给数码管显示。

1.2 软硬件功能分析

软件部分：主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，

超声波测距仪主程序利用外中断0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闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。

接收部分：

CX20106A的工作过程如下，接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适复制的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，在经整形，送给输出端7脚，当接收与CX20106A滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到，AT89S52的INT0脚上，以触发中断，若频率有一些误差，可调节芯片引脚6的外接电阻R42，将滤波器的中心频率设置在40khz，就可达到理想的效果。

发射部分：

本系统所使用的方法为，用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，以声波形式发射到空气中，发射部分的电路，上拉电阻R3,R2一方面可以提高反相器的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，缩短其自由震荡的时间。

第2章硬件电路设计

2.1 单片机最小系统电路设计

单片机最小系统是单片机能正常工作的最小外接电路单元，是设计电路的核心部分，也是整个作品最关键的最重要的部分。单片机最小系统包括：复位电路、晶振电路、P0口外接一个排阻，同时EA引脚必须接在外部电源的正极。

单片机最小系统电路图2.1

2.2 数码管电路设计

本设计是最终距离需要数码管显示。我使用的是四位功能共阴极数码管。用于显示距离。采用动态显示方法显示数据，即所有段选接在一起接到P0口，把各位选分别接在P2。4-P2.7口上。同时所有位选必须接在NPN三极管的集电极，三极管的发射极分别接一个2K的电阻。

数码管电路设计图2.2

2.3超声波接收电路设计

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收和超声波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器，通过外接电阻可以调整检波频率，如图。。。实验证明，用CX20106A 接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。R4决定检波频率,220kΩ时为38kHz。适当的更改C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。使用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大，滤波，其总放大增益80dB，CX20106A电路说明如下所示。

CX20106A 电路图2.3

2.4超声波发射电路设计

发射电路主要由反相器74HC04和超声波换能器构成，单片机P1.0端输出的40KHZ 方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后超声波换能器的令一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度，输出端采用两个反相器的并联，以提高驱动能力。上拉电阻R2R3,一方面可以提高反相器74HC04输出高电平的能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振动的时间。

U1

ICP

74HC04发射电路图2.4 2.人机接口电路设计

人机接口电路图2.5

2.5 系统供电电源电路设计

本供电部分采用9v电池块加7805芯片转换成5V给整个单片机系统供电。

7805只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

用7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。

…

7805芯片电路图2.6

第3章系统软件设计

3.1 软件总体设计思路

本设计40kHz方波信号用于触法发射40kHz超声波，因此40kHz方波发生器的设计尤为重要。对于STC89C52单片机，单片机采用12MHz晶振。STC89C52通过T0或T1的方式2实现外部某引脚，如P1.0输出脉冲宽度为25μs、载波为40kHz的超声波脉冲串，中断函数如下：

sbit s40hHz = P1^0;l

void T0_ISR()interrupt1 using 1

{if(TH0 == (256-12))TH0 = 256-13;

else TH0 = 256-12;

s40hHz = !s40hHz;

}

通过控制ET0即可控制是否产生40kHz的方波。

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。

超声波测距仪主程序利用外中断0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闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。

主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每计一个数就是1μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为344 m/s则有：

d=(c×t)/2=172T0/10000cm

3.2 主程序流程设计

本设计软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如下图所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。

定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。

主程序电路图3.1

外部中断服务子程序

3.3 中断服务子程序设计

定时中断服务子程序图3.2

外部中断服务子程图3.3

课程设计总结

参考文献

附录附录1 总原理图

附录2 源程序

#include"reg52.h"

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit s40hHz=P1^0;

uint s,t;

uchar d[4];

uchar temperature;

uchar ultrasonic_counter;

uchar sign_failure;

uchar sign_complete;

void delay()

{uchar i;

for(i=0;i<4;i++)

{d[0]=s%10;

d[1]=s/10%10;

d[2]=s/100%10;

d[3]=s/1000%10;

}

}

void display(uint t)

{uchar i;

uchar code BCD_7[11] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00}; for(;t>0;t--)

{for(i = 0;i<4;i++)

{P0 = BCD_7[d[i]];

P2|=0x10<

delay();

P2&=0x0f;

}

}

}

void measure()

{sign_failure = 0;

sign_complete = 0;

TH2 = 0 ;TL2 = 1;

TH0 = (256-12);

TL0 = (256-13);

ultrasonic_counter = 0 ;