基于 STC89C51单片机超声波测距系统的设计

基于 STC89C51单片机超声波测距系统的设计一、设计任务1.1设计前景超声波技术在日常生活中有着广泛的应用, 例如探伤技术、清洗技术、测距技术等等。

超声波测距多应用于汽车倒车雷达、建筑工地以及一些工业现场的位置监控如液位、井深的测量等场合。

国内的超声波测量主要集中在对0～10 m 固体和液体的测量,一般测量精度高,回波稳定。

由于高精度的超声波测距仪所采用的专业集成电路成本较高,以价格比较低廉的 STC89C51 单片机为核心设计一款具有低成本、高精度、具有动态显示等优点的超声波测距系统。

该系统测量距离0127～4100 m,测量精度为1cm。

同时给出了其硬件电路和软件设计方法。

实际使用表明该仪器工作稳定。

1.2超声波测距原理超声波发生器内有一个共振板和两个压电晶片,当它的外加脉冲信号频率等于压电晶片的固有频率时,压电晶片会产生共振,并带动共振板一起振动,这样就产生了超声波。

在电路中,发射端输出的脉冲是一系列方波,其宽度称为发射超声波的时间间隔,被测物距离越大,其脉冲宽度就越大,输出脉冲个数与被测物距离成正比。

T mier寄存器对 P110口的高、低电平分别进行 12 L s的延时, 实现从 P110口输出周期为24 Ls的方波信号。

当单片机控制超声波发生器向某一方向发射超声波波束,在发射时刻的同时,单片机内部定时器开始计时。

在传播过程中,超声波遇障碍物(被测物)后反射回波,超声波接收器接收到第一个反射波后,定时器停止计时。

定时器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过公式换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

由于超声波的声速和温度有关,如果温度变化不是很大,认为声速基本不变。

如果测距精度要求很高,那么可以通过温度补偿的方法来加以校正。

不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系：v = 33114+0161T 其中, T为实际温度; v的单位为 m /s。

表 1 声速与温度的关系测距的公式为: L= v×▽t，其中, L为测量的距离长度; v为超声波在空气中的传播速度; ▽t为发射到接收所用时间的一半,由单片机的定时功能实现对超声波信号的准确计时。

二、元器件清单三、设计过程3.1硬件设计超声波测距仪硬件部分主要由超声波信号接收电路、超声波发射电路、显示电路、单片机外围电等组成。

采用STC89C51 实现对CX20106A 红外接收芯片和 TCT40-10系列超声波转换模块的控制,同时加了MAX232芯片,它和外围电路组成了RS232-TTL电平转换电路, 它是串口 ISP下载电路,可以通过串口ISP在线下载程序。

图1超声波测距仪系统设计框图3.2 STC89C51控制器单元STC89C5控制器单元包括STC89C51、振荡电路、复位电路。

振荡电路使用12 MH z高精度晶振,振荡电容选择30 pF小瓷片电容;复位电路使用 RC电路,使用普通的电解电容与金属膜电阻即可。

STC89C51可以代替AT89C 51,其功能更强、速度更快、寿命更长、价格更低,可以完成ISP在线编程功能,可以在程序中修改,断电不丢失,还增加了两级中断优先级。

3.3超声波发射电路超声波在空气中传播功率及精度与频率成正比,比较和分析几个常用超声波频率的特点,最终选取频率为40 kH z。

为了便于超声波的发射与接收, 超声波发射探头采用共振频率为40 kH z的 TCT40-16探头,接收探头采用 RCT40-16。

超声波发射电路主要由超声波换能器和反相74LS04 图2 超声波发射电路构成,单片机P110端口输出40kH z间断方波,此时定时器开始计时,信号经两路反相器送到超声波换能器的两个电极,可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反相器并联,可以提高驱动能力。

电阻 R1、R2可以增加超声波换能器的阻尼效果,这样可以缩短振荡时间,提高74LS04输出高电平的驱动能力。

3.4超声波接收电路超声波接收电路采用SONY公司的CX20106A集成电路,对接收探头收到的信号进行放大、滤波。

它是一款红外线检波接收的专用芯片,有较强的抗干扰性和灵敏度。

管脚1是超声波信号输入端,其输入阻抗约为40kΩ;管脚2的C2、R3决定接收换能器的总增益,增大电阻R或者减小C,将使放大倍数下降,负反馈量增大,电容C的改变会影响到频率特性,实际使用中一般不改动,推荐选择参数R =4178, 图3 超声波接收电路C= 313 LF;管脚3与GND之间连接检波电容,考虑到检波输出的脉冲宽度变动大,推荐参数313LF;管脚 5上的连接电阻R4用以设置带通滤波器的中心频率,阻值越大,中心频率越低,取R=200 k8时,中心频率约为42 kH z;管脚6与GND 之间接入一个积分电容,标准值为30 pF,如果该电容取得太大,会使探测距离变短;管脚 7是遥控命令输出端,它是集电极开路的输出方式,因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端,该电阻推荐阻值为R5 =220 kΩ,没有接收信号时该端输出为高电平有信号时则会下降;管脚 8接电源正极,4.5～5 V。

3.5单片机外围电路该系统单片机外围电路如图 4所示,有温度补偿电路、串口ISP下载电路。

采用3脚PR235封装的数字温度传感器 DS18B20对环境温度进行检测,从而对超声波的传播速度进行温度补偿,提高测量精度。

两个按键用于控制测量的开始与停止以及距离与温度显示的切换。

其特点如下:硬件接口简单,性能稳定,单线接口, 仅需一根接口线与 MCU 连接无需外围元件; 由总线提供电源; 测温范围为- 55～75 e;精度为015e;9位温度读数;A/D变换时间为200 ms。

图4 STC89C51及其外围电路3.6显示电路为了节约成本, 该系统用 4位数码管显示, 显示电路采用简单实用的 4位共阳 LED 数码管来显示测距离, 采用单片机动态扫描显示。

段码用74LS245驱动, 位码用 PNP三极管 VT1、 VT2、 VT3、 VT4驱动。

图5 显示电路3.7软件设计该系统采用模块化设计,由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、温度检测子程序、显示子程序等模块组成。

主程序完成初始化后调用发射子程序, 由 P110口发射脉冲,驱动超声波传感器发射超声波,并关外部中断,计数器T0开始计时。

为防止虚假回波的干扰,在延时一段时间后,开中断。

当有外部中断信号时,单片机就停止T0的计时,计算出渡越时间t并存储E2PROM中;然后调用测温子程序,采集超声波测距时的环境温度,并换算出准确的声速v,存储到E2PROM中,单片机再调用计算子程序,计算出传感器到目标物体之间的距离,最后把测量果存储并通过数码管电路显示出来,完成一次测量。

该系统的主程序采用键控循环工作方式,当按下测量键时,主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序,并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出来。

设计中,超声波发射探头和接收探头距离较近,当发射探头发射超声波后,有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收探头上,这部分信号是无用的,会引起系统误测。

设计中采用延时技术来解决这个问题,并设定延时时间为1 ms, 即在发射极发射超声波 1ms内,通过软件关闭所有中断,接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬, 1 ms后立即启动T0,这时接收到的信号才有效,并在接收到回波信号的同时,T0停。

此时T0所记录的CPU发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的，因此系统存在测量盲区。

图6主程序流程图四、总结通过设计的超声波测距系统具有结构简单、功耗低、易于操作、灵活性高、成本低的特点,还具有操作方便、运行可靠的优点,它有良好的人机界面,能方便地实时显示测距数据。

实际制作中加入 DSl8820温度检测集成电路会使测量更加精确。

采用CX20106A 芯片用于检波放大,减少了电路之间的互相干扰,减小了电噪声。

该系统可广泛应用于倒车雷达、机器人检测以及物位测量领域。

【参考文献】[1] 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10[2] 时德刚，刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10[3] 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉华中科技大学出版社，2002.5[4] 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).华中理工大学出版社，1999.4[5] 苏长赞.红外线与超声波遥控.人民邮电出版社，1993.7[6] 胜全.D18B20数字温度计在微机温度采集系统中的序编制.南京大学出版社，1998. 3附录：程序清单#INCLUDE <REG2051.H>#DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT P3_5 //超声波发送#DEFINE CSBINT P3_7 //超声波接收#DEFINE CSBC=0.034 #DEFINE BG P3_3UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER[3],XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;//显示标识UNSIGNED CHARCONVERT[10]={0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F};//0~9 段码UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BIT CL;VOID CSBCJ();VOID DELAY(J); //延时函数VOID SCANLED(); //显示函数VOID TIMETOBUFFER(); //显示转换函数VOID KEYSCAN();VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();VOID MAIN() //主函数{EA=1; //开中断TMOD=0X11; //设定时器0为计数，设定时器1 定时ET0=1; //定时器0 中断允许ET1=1; //定时器1 中断允许TH0=0X00;TL0=0X00;TH1=0X9E;TL1=0X57;CSBDS=0;CSBINT=1;CSBOUT=1;CL=0;ŌPTO=0XFF;JPJS=0;SJ1=45;SJ2=200;SJ3=400;K4CL();TR1=1;WHILE(1){KEYSCAN();IF(JPJS<1){CSBCJ();IF(S>SJ3){BUFFER[2]=0X76;BUFFER[1]=0X76;BUFFER[0]=0X76;}ELSE IF(S<SJ1){BUFFER[2]=0X40;BUFFER[1]=0X40;BUFFER[0]=0X40;}ELSE TIMETOBUFFER();}ELSE TIMETOBUFFER(); //将值转换成LED 段码OFFMSD();SCANLED(); //显示函数IF(S<SJ2)BG=0;BG=1;}}VOID SCANLED() //显示功能模块{DIGIT=0X04;FOR( I=0; I<3; I++) //3 位数显示{P3=~DIGIT&OPTO; //依次显示各位数P1=~BUFFER; //显示数据送P1口DELAY(20); //延时处理P1=0XFF; //P1 口置高电平（关闭）IF((P3&0X10)==0) //判断3 位是否显示完KEY=0;DIGIT>>=1; //循环右移1 位}}VOID TIMETOBUFFER() //转换段码功能模块{XM0=S/100;XM1=(S-100*XM0)/10;XM2=S-100*XM0-10*XM1;BUFFER[2]=CONVERT[XM2];BUFFER[1]=CONVERT[XM1];BUFFER[0]=CONVERT[XM0];}VOID DELAY(I){WHILE(--I);}VOID TIMER1INT (VOID) INTERRUPT 3 USING 2 {TH1=0X9E;TL1=0X57;CSBDS++;IF(CSBDS>=40){CSBDS=0; CL=1;}}VOID CSBCJ(){IF(CL==1){TR1=0;TH0=0X00;TL0=0X00;I=10;WHILE(I--){CSBOUT=!CSBOUT;}TR0=1;I=MQS; //盲区WHILE(I--){}I=0;WHILE(CSBINT){I++;IF(I>=2450) //上限值CSBINT=0;}TR0=0;TH1=0X9E;TL1=0X57;T=TH0;T=T*256+TL0;S=T*CSBC/2;TR1=1; CL=0;}}VOID KEYSCAN() //健盘处理函数{XX=0;IF(K1!=1) // 判断开关是否按下{DELAY(400); //延时去抖动IF(K1!=1) // 判断开关是否按下{WHILE(!K1){DELAY(30);XX++;}IF(XX>2000){JPJS++;IF(JPJS>4)JPJS=0;}XX=0;SWITCH(JPJS){CASE 1: K1CL();BREAK;CASE 2: K2CL();BREAK;CASE 3: K3CL();BREAK;CASE 4: K4CL();BREAK;}}}}VOID K1CL(){SJ1=SJ1+5;IF(SJ1>100)SJ1=30; S=SJ1;}VOID K2CL(){SJ2=SJ2+5;IF(SJ2>500)SJ2=40;S=SJ2;}VOID K3CL(){SJ3=SJ3+10;IF(SJ3>500)SJ3=100;S=SJ3;}VOID K4CL(){SX1=SJ1-1;SX1=SX1/CSBC;MQS=SX1/4.5;}VOID OFFMSD(){IF (BUFFER[0] == 0X3F)BUFFER[0] = 0X00;}。