基于单片机的超声波测距系统设计

目录一、摘要………………………………………………………………3二、正文………………………………………………………………31、引言……………………………………………………………32、系统设计方案…………………………………………………42.1超声波测距的原理………………………………………42.2设计框图…………………………………………………42.3US-100超声波收发模块…………………………………42.4单片机电路………………………………………………62.5蜂鸣器报警电路…………………………………………82.6显示电路…………………………………………………92.7供电及程序下载电路……………………………………103软件编程………………………………………………………103.1软件流程图………………………………………………103.2主程序……………………………………………………114、下载调试………………………………………………………195、实物图…………………………………………………………196元件选择………………………………………………………20三、总结………………………………………………………………20四、参考文献…………………………………………………………201一、摘要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本设计详细介绍了超声波传感器的原理和特性，分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以STC89c52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。关键词：超声波单片机测距STC89c52AbstractUltrasonicwavehasstrongpointingtonature,slowlyenergyconsumption,propagatingdistancefarther,so,inutilizingtheschemeofdistancefindingthatsensortechnologyandautomaticcontroltechnologycombinetogether,ultrasonicwavefindsrangetousethemostgeneraloneatpresent,itappliestoguardagainsttheft,movebackwardtheradar,waterlevelmeasuring,buildingconstructionsiteandsomeindustrialscenesextensively。Thissubjecthasintroducedprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail，onthebasisofanalyzingprinciplethatultrasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,providelowcost,thehardwarecircuitofhighaccuracy,ultrasonicrangefinderofminiaturedigitaldisplayandsoftwaredesignmethodtakingSTC89c52asthecore,thiscircuitofsystemisreasonableindesign,workingstability,performancegoodmeasuringspeedingsoon,calculatingsimple,apttoaccomplishreal-timecontrol,andcanreachindustry'spracticaldemandinmeasuringtheprecision。KeyWords:Ultrasonicwave;One-chipcomputer;Rangefinding;STC89c52二、正文1、引言：测量距离的方法有很多种，短距离的可以用米尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，系统的测量精度理论上可以达到毫米级。2、系统设计方案22.1超声波测距的原理超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight），也可以称为回波探测法，如图所示。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在介质中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中(20℃)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s这里取整数)，根据计时器记录的时间就可以计算出发射点距障碍物的距离，公式S340*t/2。图1超声波测距原理由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。表1声速与温度的关系2.2设计框图本研究设计的超声波测距仪框图如图所示。3超声波测距仪方框图2.3US-100超声波收发模块该超声波收发模块可自己产生40kHz的方波，并经放大电路驱动超声波发射探头发射超声波，发射出去的超声波经障碍物反射后由超声波接收探头接收。经接收电路的检波放大，积分整形，在ECHO引脚上产生方波脉冲，该脉冲宽度与被测距离成线性关系。具体过程如图3所示。US-100超声波收发模块工作时序图上图表明：只需要在Trig/TX管脚输入一个10us以上的高电平，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号，当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。在此模式下，模块将距离值转化为340m/s时的时间值的2倍，通过Echo端输出一个高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值。即距离值为：（高电平时间*340m/s）/2注：因为距离值已经经过温度校正，此时无需再根据环境温度对超声波声速进行校正，也就是不管温度多少，声速选择340m/s即可。使用US-100超声波收发模块进行距离测量测量时，单片机只需要输出触发信号，并监视回响引脚，通过定时器计算回响信号宽度，并换算成距离即可。该模块简化了发送和接收的模拟电路，工作稳定可靠，其参数指标如表2所示。表2US-100模块电气参数4应注意测量周期必须在60毫秒以上，防止发射信号对回响信号的影响。US-100超声波模块外形图2.4单片机电路本设计选用单片机STC89C52，其管脚如图所示。5STC89C52单片机管脚图该芯片为52内核8位单片机，兼容Intel等52内核单片机，支持ISP下载，适用于常用检测控制电路。由STC89C52组成的单片机系统原理图如图6所示。图中TRIG引脚为单片机发送触发信号的引脚，ECHO引脚为US-100模块送回回响信号的引脚，接至单片机外部中断P3.2脚上，可以利用外部中断测量回响信号宽度。当测量距离小于阈值20cm时，单片机通过管脚P3.6发出灯光报警信号，触发LED报警灯亮，同时通过管脚P3.7发出声音报警信号beep，该信号用以触发蜂鸣器鸣响报警。6图6单片机系统及超声波模块接口原理图2.5蜂鸣器报警电路图7所示为蜂鸣器报警电路。由于单片机管脚的灌电流比拉电流容量大，因此电路设计为低电平输出时蜂鸣器响，高电平关闭。当P3.7脚输出低电平时，PNP型三极管8550导通，有集电极电流通过，蜂鸣器鸣响。当P3.7脚输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器关闭。图7蜂鸣器报警电路2.6显示电路显示部分采用SMC1602液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为：表3液晶屏技术指标接口信号说明如表4所示。7表4液晶屏接口信号说明与单片机接口电路如图8所示。图8LCD与单片机接口电路2.7供电及程序下载电路本设计采用USB接口供电，电源电压5V。同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图9所示。图9供电及程序下载电路3软件编程3.1软件流程图本设计软件主程序流程图如图10所示，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。8(a)主程序流程图9(b)外部中断流程图图10程序流程图3.2主程序(1)头文件和一些宏定义/*******************************************************************//*******************超声波测距仪************************************//*******************(液晶屏显示)************************************//*******************晶振11.0592MHz********************************/#includereg52.h#include1602.htypedefunsignedcharU8;/*definedforunsigned8-bitsintegervariable无符号8位整型*/typedefsignedcharS8;/*definedforsigned8-bitsintegervariable有符号8位整型*/typedefunsignedintU16;/*definedforunsigned16-bitsintegervariable无符号16位整型*/typedefsignedintS16;/*definedforsigned16-bitsintegervariable有符号16位整型*/typedefunsignedlongU32;/*definedforunsigned32-bitsintegervariable无符号32位整型*/typedefsignedlongS32;/*definedforsigned32-bitsintegervariable有符号32位整型*/typedeffloatF32;/*singleprecisionfloatingpointvariable(32bits)单精度浮点数32位长度*/typedefdoubleF64;/*doubleprecisionfloatingpointvariable(64bits)双精度浮点数64位*///定时器0的定时值为1mS，即11059/12=922个时钟脉冲，其补为65536-922=64614#defineSYSTEMCLK921600//11059200/1210#defineT0CLK921600//11059200/12#defineT1CLK921600//11059200/12#defineT1PERIOD1000000/921600//T1周期时间，以微秒为单位，约为1.085uS#defineTIMER0H0xFC//64614/256=252#defineTIMER0L0x66//54447%256=102(2)管脚、常量、变量定义和函数声明//管脚定义sbitTrig=P1^3;sbitEcho=P3^2;//回波必须接在外部中断