基于51单片机超声波测距器设计

=《单片机原理及应用》课程设计报告书课题名称基于51单片机超声波测距器设计姓名学号专业指导教师机电与控制工程学院年月日填写说明1、正文部分：（1）标题与正文格式定义标准如下：一级标题：1.标题1二级标题：1.1标题2三级标题：1.1.1标题3四级标题：1.1.1.1标题4（2）表格：尽可能采用三线表。（3）图形：直接插入的插图应有图标、图号，不能直接插入的图应留出插图空位。图中文字、符号书写要清楚，并与正文一致。（4）文字表述：要求层次清楚，语言流畅，语句通顺，无语法和逻辑错误，无错字、别字、漏字。文字的表述应当以科学语言描述研究过程和研究结果，不要以口语化的方式表达，报告中科技术语和名词应符合规定的通用词语，并使用法定计量单位和标准符号。2、参考文献：（1）数量要求：参考文献只选择最主要的列入，应不低于5种。（2）种类要求：参考文献的引用，可以是著作[M]、论文[J]、专利文献[P]、会议论文等。（3）文献著录格式及示例。参考文献用宋体五号字。[1]作者.书名[M].版次.出版地:出版者,出版年:起止页码（著作图书文献）[2]作者.文章名[J].学术刊物名称.年.卷(期):起止页码（学术刊物文献）示例：[1]王社国，赵建光。基于ARM的嵌入式语音识别系统研究[J]。微计算机信息，2007，2-2:149-150.3、附录或附件：（可选项）重要的测试结果、图表、设计图纸、源程序代码、大量的公式、符号、照片等不宜放入正文中的可以附录形式出现。4、如果需要可另行附页粘贴。任务书一、课题名称基于51单片机超声波测距器设计二、任务要求设计一个超声波测距器，可以应用于倒车雷达、工地以及一些工业现场，当车在倒的过程中，与物体在0.10-5.00m时，发出响声，提醒驾驶员，使车不至于撞到物体或人，更安全。目录1、绪论…………………………………………………………....12、方案论证……………………………………………................23、方案说明……………………………………………………....44、硬件方案设计………………………………………………....75、软件方案设计………………………………………………...156、调试…………………………………………………………....187、技术小结………………………………………………............208、参考文献……………………………………………………....219、附录………………………………………................................221.绪论近年来，随着单片机在我国的推广，以其的简单实用、功能强、体积小而日益广泛的被广大设计师所采用，尤其在工业控制领域中应用更为突出。基于单片机的超声波测距器作为单片机众多应用中的佼佼者，无疑为现代的工业生产带来了更多的便利。超声波测距器可以应用于一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。超声波是指频率在20KHZ以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路和显示电路，另外还有复位电路和LED控制电路等。本次课程设计采用AT89S51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，AT89S51控制计算超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。本系统具有易检测、软件功能完善、工作可靠、准确度高等优点。本文论述了单片机技术研制成功的超声波测距仪的基本原理，测量计算方法，实现方案。采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。实际使用表明，极大的提高了安全性、可靠性。12.方案论证在当代工业生产中，普遍应用的高科技测距方式有红外测距、激光测距及超声波测距三种。2.1红外线测距技术红外线测距的优点是成本便宜、仪器易制、安全性高，但其缺点较多，主要在于测量距离近、精度低、方向性差。自然界红外光分布比较广泛，容易引起测量误差。市场上的红外线测距器一般的测距范围在20cm-150cm之间，只适合于近距离的测量，而其测量的精度就更不值得一提了，只有1cm左右。2.2激光测距方式激光测距的优点是精确、距离远，缺点是需要注意人体安全，且制作的难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量结果。2.3超声波测距方式声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限（根据大量实验数据统计，取整数为2000HZ）时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性——反射、折射、干涉等等。超声波测距就是利用其反射的特性。超声波反射器不断发出某一频率的超声波，遇到被测物体后反射回反射波，然后超声波接收器接收到反射回来的信号，并将其转换为电讯号，2测出发射波和反射波的时差，根据光速及计算公式，即可求出待测的距离，超声波测距的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，测距范围比激光近，比红外远，一般为3cm-5cm，精度一般在1cm，有的达到1mm级，超声波测距的缺点是一定距离内有一定的束角，受周围障碍物影响大，适合于室内测量，且测量精度受到温度的一定影响。超声波的特性有如下几点：1束射特性：由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能够聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。2吸收特性：声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为厉害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。3超声波的能量传递特性：超声波之所以能在各个工业部门得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么会有这么强大得功率呢？因为当声波进入某一介质时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动3所获得的能量除了与分子本身的能量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量，超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。4超声波的声压特性：当声波进入某物质时，由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波的振动引起附加压力现象叫声压作用。从成本和实用性上来说，超声波测距在现代工业生产应用中是最优的方案选择。随着超声波技术的发展，高端的超声波测距模块在精度上已经达到mm级别，而超声波测距带温度补偿的功能又可以大大的消除温度的影响，使测量更精确、更稳定。超声波测距器比较低廉的成本价格以及比较高的安全性能，也成为人们选择它的不二理由！下表给出了上述三种不同测距方式的比较。不同测距的方式比较方式比较精度造价抗干扰测试距离激光7mm较高强较长超声波32mm低一般较长红外线20cm-150cm低弱短3.方案说明超声波是指频率高于20KHZ的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成此功能的装置就是超声波传4感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用波越时间法TOF（timeofflight），首先测出超声波从发射至遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度即得到2倍的声源与障碍物之间的距离。测量距离的方法有多种，短距离的可以用尺，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331.45m/s，由单片机计时，单片机使用12.0KHZ的晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波发生器可以分为2类：一类是用电气方式产生超声波；二是用机械方式产生超声波。该课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。利用超声波测距原理，测量低速行驶车辆与飞机的距离，当车辆与飞机的距离小于安全距离时，发出声光报警，并显示车辆与飞机之间的距离，提醒驾驶员及时采取减速、制动等措施，从而达到避免车辆与飞机碰撞，拖挂等事故。整个系统由超声波发射、超声波接收、551单片机系统和声光报警、距离显示等设备组成，如下图所示：超声波测距报警装置原理框图发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器及超声换能器组成。单脉冲发生器在振荡器的每个周期内都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，来自单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声换能器发射超声波。接收部分由超声换能器、接收放大器和编码解调器组成。接收到的超声波反射信号经超声波换能器转换、放大、解调后，送到单片机系统进行处理，并通过距离显示车辆与飞机之间的距离，当该距离小于设定的告警距离时，启动报警系统报警。在多台车辆同时作业时，某台车辆发射的超声波信号可能被其它车辆接收，从而因造成系统混乱而产生误报。为解决这一问题，系统对不同的车辆进行不同的编码调制，使每辆车只能接收到其本身发射的信号。为有效消除干扰，编码解调采用积累检测解调。系统中的发射和接收部分由单片机控制轮流工作。在单片机编码发送完毕后，即转入接收状态，同时关闭发射部分的单脉冲发生器；当接收一定时间后再6转入发射状态重发编码时，同时关闭接收放大器。因此，为保证测距正确，接收时间必须根据实际量程来限制时，众所周知，声波传播的距离s，速度c及传播时间t之间的关系为：s=c×t，若系统量程为5m，则接收时间T应满足：T=2*5/340=29.4ms4.硬件方案设计4．1系统设计本设计采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器和计数器来完成，超声波测距器的系统框图如下所示：超声波测距器系统的框图图中的单片机AT89S51用来协调各个单元，超声波接收电路用来接收要接收的信号，超声波发射电路用来发射需要发射的信号，存储器用来存储接收的信号，用数码管LED显示距离。4．2芯片AT89S51介绍4．2．1AT89S51单片机的概述由于此单片机应用于测距仪上，所以本设计选用了低功耗、低价格，小管脚（40脚）的AT89S51单片机，如下图所示：7AT89S51芯片引脚图AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，AT89S51具有40个引脚，4KBytesFlash片内程序存储器，128Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出口（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时器计数器，2个全双工串行通行口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。4．2．2引脚功能介绍⑴Vcc：电源电压⑵GND：地8⑶p0口：p0口是一组8位漏极开路型