1、基于 51 單片機的超聲波測距系統賈源完成日期： 2011年 2月 22日目錄一、設計任務和性能指標 21.1 設計任務 21.2 性能指標 2二、超聲波測距原理概述 32.1 超聲波傳感器 42.1.1 超聲波發生器 42.1.2 壓電式超聲波發生器原理 42.1.3 單片機超聲波測距系統構成 4三、設計方案 53.1 AT89C2051 單片機63.2 超聲波測距系統構成 73.2.1 超聲波測距單片機系統 8圖 3-1 ：超聲波測距單片機系統 83.2.2 超聲波發射、接收電路 8圖 3-1 ：超聲波測距發送接收單元 93.2.3 顯示電路 9四. 系統軟件設計 104.1 主程序設計

2、104.2 超聲波測距子程序 114.3 超聲波測距程序流程圖 124.4 超聲波測距程子序流程圖 13五. 調試及性能分析 135.1 調試步驟 135.2 性能分析 14六. 心得體會 14參考文獻 15附錄一超聲波測系統原理圖 17附錄二超聲波測系統原理圖安裝圖 18附錄三超聲波測系統原理圖 PCB圖19附錄四超聲波測系統原理圖 C語言原程序 20參考文獻 25一、設計任務和性能指標1.1 設計任務利用單片機及外圍接口電路 （鍵盤接口和顯示接口電路 ） 設計制作一個超聲波測距 儀器，用LED數碼管把測距儀距測出的距離顯示出來。要求用 Protel 畫出系統的電路原理圖，印刷電路板，繪出程

3、序流程圖，并給出程 序清單。1.2 性能指標距離顯示：用三位LED數碼管進行顯示（單位是 CM。測距范圍：25CM到250C M之間。誤差：1%二、超聲波測距原理概述超聲波是由機械振動產生的，可在不同介質中以不同的速度傳播。由于超聲波指向 性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如 測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。超聲測距是一種非接觸式的檢測方 式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對 于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環境下有一定的適應能力。 因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識

4、別等方面有廣泛應用。特別是應 用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很 容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、 計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求。超聲波測距的方法有多種，本超聲波測中系統的原理為：檢測出從超聲波發射器發 出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間，將這個時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。超聲波發射器向某一方向發射超聲波， 在發射時刻的同時單片機開 始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障

5、礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射 波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對應值如表2-1，根據計時器記錄的時間t （見圖2-1），就可以計算出發射點距障礙物的距離（s ），即：s =v t / 2。溫度（c）3020100102030100聲速（m313319325323338344349386董H胴甘中表2-1聲速與溫度的關系-WLWIHwtfbwwIirnmr _；t= !- To；Te.Ta圖2-1超聲波測距時序圖2.1超聲波傳感器 超聲波發生器為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發生器?？傮w上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超

6、聲波，一類是用機械方式產生超 聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣 流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、 功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相 同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。壓電式超聲波發生器原理壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應的原理，壓電效應有逆效應和 順效應，超聲波傳感器是可逆元件， 超聲波發送器就是利用壓電逆效應的原理。所謂壓 電逆效應如圖2-2所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應變。若在圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化 正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化

7、負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度 方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。壓電陶瓷電拠長度方問上伸長© r長度方向上縮短© /圖2-2壓電逆效應圖單片機超聲波測距系統構成單片機AT89C51發出短暫的40kHz信號，經放大后通過超聲波換能器輸出；反射后 的超聲波經超聲波換能器作為系統的輸入， 鎖相環對此信號鎖定，產生鎖定信號啟動單 片機中斷程序，讀出時間t，再由系統軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結果被送至LED數碼管進行顯示限制超聲波系統的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的

8、質地、反 射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收 能力將決定最小可測距離。驅動電路接收檢測圖2-3超聲波測距系統框圖三、設計方案按照系統設計的功能的要求，初步確定設計系統由單片機主控模塊、 顯示模塊、超 聲波發射模塊、接收模塊共四個模塊組成。單片機使用51系列的AT89C2051單片機，該單片機工作性能穩定，同時也是在單 片機課程設計中經常使用到的控制芯片。發射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調試工作小較小。超聲波接收模塊 -超聲波發射模塊 -AT89C單片機控制51顯示模塊鍵盤模塊供電單元圖 3-1 ：

9、系統設計框圖硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、 超聲波發射電路和超聲波接收電 路三部分。單片機采用AT89C2051采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率， 減小測量誤差。單片機用P3.5端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，P3.6 端口監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數碼管，段碼輸出端口為單片機的 P1 口，位碼輸出端口分別為單片機的 P3.2、P3.1、P3.0 口 ,數碼管位驅運用PNP三極管S9012三極管驅動。3.1 AT89C2051 單片機AT89C2051是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能 CMOS位單

10、片機，片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PERO）和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-5I指 令系統，片內置通用8位 央處理器和Flash存儲單元，功能強大。AT89C2051單片機 可為您提供許多高性價比的應用場合。主要性能參數與MCS-51產品指令系統完全兼容 2k字節可重擦寫閃速存儲器 1000次擦寫周期 2.7V6V 的工作電壓范圍全靜態操作： 0Hz24MHz兩級加密程序存儲器 128X 8字節內部RAM 15個可編程 IO 口線 2個 l6 位定時計數器 6 個 斷源可編程串行U

11、ART通道可直接驅動 LED 的輸出端口內置一個模擬比較器低功耗空閑和掉電模式功能特性概述AT89C205僱供以下標準功能：2k字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM 15 個 I O 口線，兩個 16 位定時計 數器，個 5 向量兩級 斷結構，一個全雙工串行 通信口，內置一個精密比較器，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C205何降至0HZ的 靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM定時/計數器，串行通信口及 斷系統繼續工作。掉電方式保存 RAM中的內 容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。3.2 超聲波測距系統

12、構成本系統由 A T 8 9 C 2 0 5 1 單片機控制，包括單片機系統、發射電路與接收放大 電路和顯示電路幾部分組成，如圖 3-1 所示。硬件電路的設計主要包括單片機系統及 顯示電路、超聲波發射電路和超聲波接收電路三部分。 單片機的晶振采用12MHz高精度 的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。通過單片機的 P3.5 端口輸出超聲波 換能器所需的40kHz的方波信號，P3.6端口監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯 示電路采用簡單實用的3位共陽LED數碼管，段碼輸出端口為單片機的 P1 口，位碼輸 出端口分別為單片機的P3.2、P3.1、P3.0 口 ,數碼管位驅運用PNP三極管S

13、9012三極管 驅動。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經過接收電路處理后，向單片機 P3.7 輸入一 個低電平脈沖。單片機控制著超聲波的發送， 超聲波發送完畢后，立即啟動內部計時器 T0計時，當檢測到P3.7由高電平變為低電平后，立即停止內部計時器計時。單片機將 測得的時間與聲速相乘再除以 2即可得到測量值， 最后經 3位數碼管將測得的結果顯示 出來。超聲波測距單片機系統C2104VCC +5VR1670G斗 R1547OFE=!尺曲70D三 R124'0CB3A20194IC1 AT89C20311817167ilc.7+6j+4j.21b0.7 孔乩乩鞏pl.Iy. V.T o 1

14、 2 3 4- 5 D 朋冋啟X1X2玖F3.F3.E).曲工IoLED1Id：-12M20P20PLEDd LH)2hi邯? /shop60328266. taobao. com/超聲波測距單片機系統主要由：A T 8 9 C 2 0 5 1單片機、晶振、復位電路、電源濾波部份構成。如圖3-1。圖3-1 :超聲波測距單片機系統超聲波發射、接收電路超聲波發射、接收電路如圖 3-1。超聲波發射部份由電阻 R2及超聲波發送頭T40 板成；接收電路由BG1 BG2X組成的兩組三級管放大電路組成；檢波電路、比較整形電 路由C7 D1、D2及BG3組成。40kHz的方波由A T 8 9 C 2 0 5

15、1 單片機的P 3 .5驅動超聲波發射頭發射超聲 波，經反射后由超聲波接收頭接收到 40kHz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時衰減， 所以接收到的波形幅值較低，經接收電路放大，整形，最后輸出一負跳變，輸入單片機 的P3腳。該測距電路的40kHz方波信號由單片機 A T 8 9 C 2 0 5 1 的P 3 .5發出。方波 的周期為1/40ms,即25卩s,半周期為12.5卩s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平 取反，便可產生40kHz方波。由于單片機系統的晶振為12M晶振，因而單片機的時間分辨率是1卩s,所以只能產生半周期為12“或13“的方波信號，頻率分別為 41.67kHz和38.46k

16、Hz。本系統在編程時選用了后者，讓單片機產生約38.46kHz的方波。由于反射回來的超聲波信號非常微弱， 所以接收電路需要將其進行放大。 接收電路 如圖4所示。接收到的信號加到BG1 BG2組成的兩級放大器上進行放大。每級放大器 的放大倍數為70倍。放大的信號通過檢波電路得到解調后的信號，即把多個脈沖波解 調成多個大脈沖波。這里使用的是I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管 之間電容電壓。該接收電路結構簡單，性能較好，制作難度小。顯示電路本系統采用三位一體L E D數碼管顯示所測距離值，如圖8（見下頁）。碼管采用 動態掃描顯示，段碼輸出端口為單片機的 P1 口，位碼輸出端口分別為

17、單片機的 P3.2、 P3.1、P3.0 口 ,數碼管位驅運用PNPE極管S9012三極管驅動。voc四. 系統軟件設計4.1主程序設計超聲波測距的軟件設計主要由主程序、 超聲波發生子程序、超聲波接收程序及顯示 子程序組成。超聲波測距的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言編程。主程序首先是對系統環境初始化，設定時器 0為計數，設定時器1定時。置位總中 斷允許位EA進行程序主程序后，進行定時測距判斷，當測距標志位cl=1，即進行測量一次，程序設計中，超聲波測距頻度是 1次/秒。測距間隔中，整個程序主要進行循 環顯示測量結果。當調

18、用超聲波測距子程序后，首先由單片機產生6-8個頻率為38.46kHz超聲波脈沖，加載的超聲波發送頭上。超聲波頭發送完送超聲波后，立即啟 動內部計時器T0進行計時，為了避免超聲波從發射頭直接傳送到接收頭引起的直射波 觸發，這時，單片機需要延時約 1.5 -2ms時間（這也就是超聲波測距儀會有一個最小 可測距離的原因，稱之為盲區值）后，才啟動對單片機P3.7腳的電平判斷程序。當檢測到P3.7腳的電平由高轉為低電平時，立即停止T0計時。由于采用單片機采用的是12 MHz的晶振，計時器每計一個數就是1卩s,當超聲波測距子程序檢測到接收成功的 標志位后，將計數器 T0 中的數(即超聲波來回所用的時間)按

19、式( 2)計算，即可得被 測物體與測距儀之間的距離。設計時取15C時的聲速為340 m/s則有： d=(c xt)/2=172 XT0/10000cm其中， TO為計數器T0的計算值。 測出距離后結果將以十進制 BCD碼方式送往LED顯示約 0.5s ，然后再發超聲波脈沖重復測量過程。4.2 超聲波測距子程序void csbcj()/超聲波測距子程序if(cl=1)TR1=0;TH0=0x00;TL0=0x00;i=20;/超聲波脈沖個數 10個while(i-)csbout=!csbout;TR0=1;i=450;while(i-)i=0;while(csbint)/判斷接收回路是否收到超聲

20、波的回波i+;if(i>=2450)/如果達到一定時間沒有收到回波 ,則將 csbint 置零 ,退出接收回波處理程序csbint=0;TR0=0;TH1=0x9E;TL1=0x57;t=TH0;t=t*256+TL0;s=t*csbc/2;/計算測量結果TR1=1;cl=0;4.3超聲波測距程序流程圖4.4超聲波測距程子序流程圖五. 調試及性能分析5.1調試步驟我們的步驟是先焊接各個模塊，焊接完每個模塊以后，再進行模塊的單獨測試，以確保在整個系統焊接完能正常的工作，原件安裝完畢后，將寫好程序的AT89C2051機裝到測距板上，通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復移動，看數碼管的顯示結果

21、會不會變化，在測量范圍內能否正常顯示。如果一直顯示“- - -”，則需將下限值增大。本測距板 1S 鐘測量一次，若要修改測量間隔，可將程序 “if(csbds>=40) /1S 測量一次?！敝械摹?0”增大或減小即可。 超聲波發送功率 較大時，測量距離遠，則相應的下限值(盲區)應設置為高值。 試驗板中的聲 速沒有進行溫度補償，聲速值為 340m/s。5.2 性能分析從實物測試的總體來說本測距板基本上達到了要求， 理想上超聲波測距能達到 5 到7 米左右，而我們所能實現的最大距離只有 2.5 米，測量結果受環境溫度影響。分析原 因如下：1.超聲波發送部份為了簡化電路 ,沒加設置專門的超聲波

22、驅動電路 , 而是用單片機 的 P3.5 輸出端加了一個上拉電阻后就直接驅動超聲波發送頭。理論上，驅電電壓只有 5 伏。2. 本測距板沒設計溫度補償電路，來對測量結果進行修正。六 . 心得體會俗話說“好的開始是成功的一半”。通過這次實習，我們學到了很多東西。在進行 課程設計時，我們應該做到以下三點： 首先，我認為最重要的就是認真的研究老師給的 題目。其次，在老師講解的基礎上認真研究硬件電路的設計， 和軟件流程的設計。 最后， 重點實現軟硬結合的綜合調試。這次的實習算起來一共進行了兩周，在這兩周的時間里我們進行了硬件電路圖設計，PCB板的設計，以及軟件的編程實現，軟硬件的綜合調試。最終一個完整的

23、課程設 計成果出來了，很高興它能按著設計的思想與要求運作起來。 當然，這其中也有很多 問題，比如在PCB制作過程中沒有建立網絡報表導致了部分連線沒有倒入PCB板中，還有部分封裝出現了錯誤。 就實現功能來說，設計結果能夠符合題意，成功完成了此次實 習要求，我們不只在乎這一結果，更加在乎的，是這個過程。這個過程中，我們花費了 大量的時間和精力， 更重要的是， 我們在學會創新的基礎上，同時還懂得合作精神的重 要性，學會了與他人合作。在已度過的大學時間里，我們大多數接觸的是理論課。我們 在課堂上掌握的僅僅是專業課的理論知識， 如何去鍛煉我們的實踐能力？如何把我們所 學的專業基礎課理論知識運用到實踐中去

24、呢？我想做類似實習就為我們提供了良好的 實踐平臺。同時這次實習給我們帶來前所未有的的啟發： 首先，查閱資料的必要性。在做本次實習的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的 設計資料了。為了讓自己的設計更加完善，查閱這方面的設計資料是十分必要的，同時 也是必不可少的。其次，在這次課程設計中，我們運用到了以前所學的專業課知識，如：模擬和數 字電路知識等。 雖然過去從未獨立應用過它們， 但在學習的過程中帶著問題去學我發現 效率很高，這是我做這次課程設計的又一收獲。再次，在實習之前，我們要對所用單片機的內部結構有一個系統的了解，知道該 單片機內有哪些資源； 要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖； 在設

25、計程序時， 不能妄想一次就將整個程序設計好， 反復修改、 不斷改進是程序設計的必經之路；要養 成注釋程序的好習慣， 一個程序的完美與否不僅僅是實現功能， 而應該讓人一看就能明 白你的思路， 這樣也為資料的保存和交流提供了方便； 在實習過程中遇到問題是很正常 的，但我們應該將每次遇到的問題記錄下來， 并分析清楚， 以免下次再碰到同樣的問題。 但是從中學到的知識會讓我受益終身。發現、提出、分析、解決問題和實踐能力提高都 會受益于我在以后的學習、工作和生活中最后，我們在這次實習中我們使用了分模塊焊接， 分模塊測試的方法進行硬件電路 的焊接和測試，這是我們最寶貴的收獲， 這樣做可以避免走很多彎路。使得

26、調試也條理 分明?？傮w上說，這次實習中收獲很多，感觸也很多。參考文獻1 趙建領 薛園園 51 單片機開發與應用技術詳解 北京 : 電子工業出版社 ,20092 沈紅衛 . 基于單片機智能系統設計與實現 . 北京 :電子工業出版社 ,20053 楊國田 白焰董 玲51單片機實用C語言程序設計 中國電力出版社20094 李群芳 , 黃建. 單片機微型計算機與接口技術 . 北京: 電子工業出版社 ,20015 樓然苗、李光飛 . 51 系列單片機設計實例 . 北京 :北京航空航天大學出版社 ,200320096 王守中 51 單片機開發入門與典型實例 . 北京：人民郵電出版社，附錄一超聲波測系統原理

27、圖VCC *5V呼3Io1C1 AtWC20?l20P工辛1RS'l VCCnoM.7mFI4XIP1JX2Pl.4R2PJJP5 3肥2PMPHP，FMGND FJ"R1討荀 Gfti"F0R附錄二 超聲波測系統原理圖安裝圖 onuo6GLRonuoSGAQl/H FnC2R3RzBG6 SG3 BG40000000000(®5)QQQ3000®C5附錄三超聲波測系統原理圖 PCB圖h'ttp I /shop60328266+1打ob已o* corn/附錄四 超聲波測系統原理圖 C語言原程序#include <REG2051.H&

28、gt;#define csbout P3_5/ 超聲波發送#define csbint P3_7/ 超聲波接收#define csbc=0.034#define bg P3_4unsigned char csbds,opto,digit,buffer3,xm1,xm2,xm0,key,jpjs,ki;/ 顯示標識unsigned char convert10=0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/09 段碼unsigned int s,t,i,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1,sjtz,sja,sjb;bit cl;void

29、 csbcj();void delay(i);/ 延時函數void scanLED();/ 顯示函數void showOnce();/ 顯示循環函數void timeToBuffer();/ 顯示轉換函數void offmsd();void main()/ 主函數EA=1;/ 開中斷TMOD=0x11;/ 設定時器 0為計數，設定時器 1定時ET0=1;/ 定時器 0中斷允許ET1=1;/ 定時器 1中斷允許TH0=0x00;TL0=0x00;TL1=0x57; csbds=0; csbint=1;csbout=1;cl=0;opto=0xff;jpjs=0; sj1=25;sj2=100;s

30、j3=450;ki=0;TR1=1;while(1)csbcj(); if(s>sj3)buffer2=0x39;buffer1=0x39;buffer0=0x39; else if(s<sj1)/ 設定時值 1為 20ms/ 調用超聲波測距程序/ 大于時顯示 "CCC"/ 小于時顯示 "- - -"buffer2=0x40;buffer1=0x40;buffer0=0x40; else timeToBuffer();/ 調用轉換段碼功能模塊offmsd();/ 調用判斷百位數為零模塊，百位為零時不顯示scanLED();/ 調用顯示函數void scanLED()digit=0x04;for( i=0; i<3; i+)P3=digit&opto;P1=bufferi;delay(20);