1、超聲波測距儀防撞系統一、原理介紹1超聲波測距器的系統框圖根據設計要求并綜合各方面因素，可以采用STC89C52單片機作為主控制器，用動態掃描法實現LCD數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統框圖如下圖所示1.1超聲波測距原理發射器發出的超聲波以速度在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。表1-1 超聲波波速與溫度的關系

2、表溫度（）-30-20-100102030100聲速（ms）3133193253233383443493861.2 超聲波測距儀原理框圖如下圖單片機發出40kHZ的信號，經放大后通過超聲波發射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，用鎖相環電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數并送LCD顯示。超聲波發射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環檢波電路定時器單片機控制顯示器圖1-1 超聲波測距儀原理框圖1.3課題設計的任務和要求設計一超聲波測距儀，任務：(1).了解超聲波測距原理。(2).根據超聲波測距原理，設計超聲波測距器的硬件結構電

3、路。設計一超聲波測距儀，要求：設計出超聲波測距儀的硬件結構電路。對設計的電路進行分析能夠產生超聲波，實現超聲波的發送與接收，從而實現利用超聲波方法測量物體間的距離。對設計的電路進行分析。以數字的形式顯示測量距離。2 系統的硬件結構設計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檢測接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。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P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0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4位共陽LED數碼管，段碼用74LS244驅

4、動，位碼用PNP三極管8550驅動。2.1 51系列單片機的功能特點及測距原理 5l系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2個16b的定時計數器TO和T1，4個8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖2-1所示。Stc89c52引腳圖5l系列單片機提供以下功能：4 kB存儲器；256 BRAM

5、；32條工O線；2個16b定時計數器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時計數器、串行口和中斷系統繼續工作。掉電方式：保存RAM的內容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統。2.1.2 單片機實現測距原理 單片機發出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差tr，然后求出距離SCt2，式中的C為超聲波波速。限制該系統的最大可測距離存在4個因素：

6、超聲波的幅度、反射的質地、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的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發射接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關。2.2 超聲波發射電路7超聲波發射電路原理圖如圖2-2所示。發射電路主要由反相器74LS04和超聲波發射換能器T構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發射

7、強度。輸出端采兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。圖2-2 超聲波發射電路原理圖 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發射換能器與接收換能器

8、在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。2.3 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖2-3)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖2-3 超聲波檢測接收電路3 系統軟件的設計超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于

9、實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀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語言和匯編語言混合編程。3.1 超聲波測距儀的算法設計10 超聲波測距的原理為超聲波發生器T在某一時刻發出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：d=s/2=(ct)/2 （1）其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回

10、所用的時間。在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在INT0或INT1端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。其部分源程序如下： Trig=0; /首先拉低脈沖輸入引腳 EA=1;/打開總中斷0TMOD=0x10; /定時器1，16位工作方式 while(1) delay(100);beep=1;EA=0; /關總中斷Trig=1; /超聲波輸入端delay_20us(); /延時20us Trig=0; /產生一個20

11、us的脈沖while(Echo=0); /等待Echo回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標志 EA=1;EX0=1; /打開外部中斷0 TH1=0; /定時器1清零TL1=0; /定時器1清零TF1=0; /計數溢出標志TR1=1; /啟動定時器1delay(20); /等待測量的結果TR1=0; /關閉定時器1 EX0=0; /關閉外部中斷03.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，如圖3-1（a）（b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發射和接收順序的控制。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發射，外部中斷服務子程序主要完成

12、時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 主程序首先是對系統環境初始化，設置定時器T0工作模式為16位定時計數器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調用超聲波發生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發，需要延時約0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12 MHz的晶 振，計數器每計一個數就是1s，當主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）按式（2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取20時的聲速為344 m

13、/s則有：d=(ct)/2=172T0/1000mm (2)其中，T0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。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。 3.3超聲波發生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發生子程序的作用是通過P1.0端口發送2個左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時把計數器T0打開進行計時。超聲波發生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。 超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出

14、現低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A3A的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優先級為先右后左。部分源程序如下：3系統硬件電路設計31單片機系統及顯示電路單片機采用STC89C52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P10端口輸出超聲波轉化器所需的40KHz方波

15、信號，利用外中斷0口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10FI（T發射）和TCT40-10SI（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據實際情況可以修改超聲波發生子程序每次發送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不

16、同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測的范圍為0.075.5m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。二、擴展思路將基于51單片機的流水燈系統連接到測距儀上，使其在危險距離開始閃爍報警。超出安全距離將不與工作。總 結由于時間和其它客觀上的原因，此次設計沒有做出實物。但是對設計有一個很好的理論基礎。設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產生超聲波，實現超聲波的發送與接收，從而實現利用超聲波方法測量物體間的距離。以數字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發射和接受，根據超聲波傳播的時間來

17、計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。超聲波測距儀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檢測接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。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P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0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4位共陽LED數碼管，段碼用74LS244驅動，位碼用PNP三極管855

18、0驅動。超聲波發射電路主要由反相器74LS04和超聲波發射換能器T構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發射強度。輸出端采兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的

19、固有振蕩頻率時，壓電晶片會發生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀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語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主