单片机测距系统

数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计题目：基于单片机超声波测距系统的设计专业：计算机科学与技术（专升本）班级：计算机081班姓名：阮程程学号：08191109指导老师：余水宝成绩：(2009.6)目录第1节引言……………………………………………………………………………11.1超声波测距系统概述…………………………………………………………21.1.1超声波传感器…………………………………………………………21.1.2超声波测距的基本原理………………………………………………21.2本设计任务和主要内容………………………………………………………31.2.1设计任务………………………………………………………………31.2.2主要内容………………………………………………………………3第2节系统主要硬件电路设计………………………………………………………42.1方法论证与比较………………………………………………………………42.2单片机系统电路………………………………………………………………52.3单片机硬件电路………………………………………………………………52.3.1单片机系统及显示电路………………………………………………52.3.2超声波发射电路………………………………………………………62.3.3超声波检测接受电路…………………………………………………7第3节系统软件设计…………………………………………………………………93.1超声波测距器的算法设计………………………………………………………93.2主程序设计……………………………………………………………………103.3超声波发射和接收子程序……………………………………………………113.4显示子程序……………………………………………………………………143.5超声波测距控制源程序………………………………………………………15结束语………………………………………………………………………………16参考文献……………………………………………………………………………17基于单片机超声波测距系统的设计数理与信息工程学院08计算机专升本阮程程指导教师：余水宝第1节引言18世纪，意大利传教士兼生物学家斯帕兰·扎尼在研究蝙蝠夜间活动时，发现将蝙蝠眼睛蒙上，在伸手不见五指的黑夜里，它仍能穿梭飞行，可是把蝙蝠的双耳塞住，它就会到处瞎撞。原来，蝙蝠飞行时能发出高频率的尖叫，由它特大的耳廓接收回波，来判定出目标或障碍物及其距离。蝙蝠是靠高频率的尖叫来确定障碍物的位置的。蝙蝠尖叫声的声波频率在每秒2万到10万赫兹之间，我们的耳朵对这样频率范围内的声波是听不到的，这样的声波被称之为超声波。蝙蝠发出超声波，然后借助物体反射回来的回声，就能判断出所接近的物体的大小、形状和运动方式。在自然界中除了蝙蝠还有很多其它动物能发出超声波，如海洋中的海豚也具备很强的超声定位本领。人们正是从自然界生物中获得了灵感，开始了仿生学研究并取得卓著成果。第二次世界大战时，军舰已使用回声探测术来侦察水下的潜艇。50年代，科学家们将超声波探测技术应用到医学上，到70年代以来，以B型超声成像为代表的医学超声诊断技术已经取得了很快的发展。超声诊断由于安全、简单、经济、信息量丰富而受到医学界的特别赏识。现在超声波已广泛应用于无损探伤物位测量测厚测距等领域。近二、三十年，特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。目前,超声波测距在各种场合均已经得到广泛的应用，如汽车倒车、海洋测量、物体识别、工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等。1.1超声波测距系统概述1.1.1超声波传感器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，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，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。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，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。测量距离的方法有很多种，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331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本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。1.1.2超声波测距的基本原理超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：22T）（VSD（1-1）式中D为被测物到测距仪之间的距离，S为超声波往返通过的路程，V为超声波在介质中的传播速度，T为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：TV61.04.331（1-2）式中，T为实际温度(℃)，v的单位为m/s。1.2本设计任务和主要内容1.2.1设计任务设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及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。要求测量范围在0.10-4.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。1.2.2主要内容该系统主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。其主要内容如下：硬件电路的设计：1．根据超声波测距的特点，进行系统的整体规划和设计。2．针对系统的整体功能，对各个模块电路进行具体设计。3．对超声波发生电路进行论证和设计，产生用于测量的超声波。4．对超声波接收电路进行论证和设计，接收反射回来的超声波。5．对数据采样电路进行设计和分析，测量发送和接收的时间，并计算距离。6．LED数码显示测量的距离值，以文字显示的方式显示测量的距离。系统软件的设计：1．超声波测距器的算法设计。2．系统主程序的设计。3．发送子程序的设计。4．接收中断程序的设计。5．显示子程序的设计。6．超声波测距控制源程序的设计。第2节系统主要硬件电路设计2.1方法论证与比较目前，非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。虽然激光测距比较精确，但是需要注意人体安全，制做的难度较大，成本也较高，并且光学系统需要保持干净，否则将会影响测量。雷达是利用极短的无线电波进行探测的，雷达的组成部分有发射机、天线、接收机和显示器等。由于无线电波传播时，遇到障碍物就能反射回来，雷达就根据这个原理把无线电波发射出去，再用接收装置接收反射回来的无线电波，这样就可以测定目标的方向、距离、高度等。雷达被称为“千里眼”，白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它常常是军事上必不可少的电子装备。但是，雷达却存在致命的的三大弱点：一是对超低空目标有盲区，“千里眼”实际是远视眼，头顶和鼻子底下有盲区；二是雷达是主动用电波去搜寻目标的，易暴露自身；三是雷达很容易受到干扰，频率相同的电波它不分敌我，一律可以入内。超声波测距是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。其测距原理与雷达原理相一致，但是在测距方面，超声波却比雷达和激光更有明显的优势。激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，一般仅用于军事和工业领域。相比之下，超声波测距系统电路不仅易实现、结构简单和造价低，而且穿透力强，指向性强，传输过程中衰减少，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，在传播过程中也不受烟雾、空气能见度等因素的影响，对外界光线、色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、有灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。另外，超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。2.2单片机系统电路根据设计要求并综合各方面因素，可以采用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完成，超声波测距器的系统设计框图如图2-1所示：图2-1超声波测距器系统设计框图2.3系统硬件电路本系统主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。其原理图如图2-2所示：图2-2超声波测距板原理框图2.3.1单片机系统及显示电路单片机采用AT89S51或其兼容系列，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机使用P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实超声波接收超声波发送单片机控制器LED显示扫描驱动定时器控制显示器调制器振荡器超声发射器计时器接收检测超声接收器用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动。单片机系统如图2-3所示：图2-3AT89S51单片机图2.3.2超声波发射电路图2-4超声波发射电路原理图发射电路主要硬件单元的功能：单片机OC1端输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R20一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。因为本课题属于近距离测量，所以本系统的超声波发生器采用常用的压电式超声波换能器来实现。压电超声波转换器的功能是利用压电晶体谐振工作。其内部结构如图2-4所示，它由两个压电晶片和一个共振板共同组成。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器；如果没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。另外，超声波发射转换器和接受转换器的结构稍有不同。图2-