超声波测距精讲.pptx
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超声波发射电路模块
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发射模块工作原理
发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T组成， 单片机P1.0端口输出的40 KHz方波信号一路经反向器后送 到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到 超声波华能器的另一个电极。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,R11一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。
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超声波发生子程序和接收中断程序
用单片机编程产生40kHz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定 义一个延时函数delays()，然后可用for 语句循环，并且循环一次同 时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下： void delays() {} //延时函数 void main() {for(a=0；a<200；a++) //产生100 个40KHz 的方波 {P36=!P36； //每循环一次，输出引脚取反 delays() ； } }
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超声波信号的检测与处理
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单片机系统及显示电路模块
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显示模块工作原理
单片机采用AT89C51，采用12MHz高精度的晶振， 以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机 用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波 信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的 返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED 数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管 8550驱动。
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主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为 16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端 P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波 脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直 接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可 测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。 由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到 接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回 所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间 的距离,设计时取20℃时的声速为344 m/s则有： d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数 值）测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED
利用AT89C51编程产生频率为40kHz 的方波，经过发射驱动电 路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波 波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电 路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如下图所示。
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超声波传感器
压电效应原理：
压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发 送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图2-2 所示，是在 压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的 压电陶瓷上施加如图b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化 正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用， 压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变 反，如图c 所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
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第11页/现较复杂的算法，汇编语言 程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序行动的 时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计 算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波 测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混 合编程。
超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生 子程序，超声波接收中断程序及显示子程序组成。
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超声波转换器的功能
利用压电晶体谐振工作。它有两个压电晶片和一个共 振板。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；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫 压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它 就成为超声波接受转换器。超声波接受转换器与发射 转换器其结构稍有不同。
单片机每隔一段时间产生一串40kHz 方波，同时定时器开始计时，当收 到回波，产生中断信号后，单片机执行中断程序。在中断程序中，先让 定时器停止计数，然后读取时间，通过时间计算出所测距离，输出结果。 中断程序如下：
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void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO 中断服务程序 {uint bwei,shwei,gwei； uchar DH,DL； ulong COUNT； ulong num； TR0=0 ； //停止计数 DH=TH0； DL=TL0； COUNT=TH0*256+TL0； num= (344*COUNT)/20000； //计算距离 bwei=num/100； //取百位 gwei=(num-bwei*100)/10； //取十位 shwei=num%10； //取个位 P1=tab[bwei]； //输出百位 P0=tab[shwei]； //输出十位 P2=tab[gwei]； //输出个位 TH0=0； TL0=0；
超声波测距原理
时间差测距法
S=vt/2
发射点距障碍物的距离(s) 超声波在空 气中的传播速度为 v，根据计时器记录的时间 t，
声速与温度的关系
温 度 （ ℃ ）－30 －20 －10 0
10
20
30
100
声速(m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386
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基于单片机的超声波测距系统
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感谢您的观看。
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超声波发射电路模块
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发射模块工作原理
发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T组成， 单片机P1.0端口输出的40 KHz方波信号一路经反向器后送 到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到 超声波华能器的另一个电极。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,R11一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。
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超声波发生子程序和接收中断程序
用单片机编程产生40kHz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定 义一个延时函数delays()，然后可用for 语句循环，并且循环一次同 时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下： void delays() {} //延时函数 void main() {for(a=0；a<200；a++) //产生100 个40KHz 的方波 {P36=!P36； //每循环一次，输出引脚取反 delays() ； } }
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超声波信号的检测与处理
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单片机系统及显示电路模块
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显示模块工作原理
单片机采用AT89C51，采用12MHz高精度的晶振， 以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机 用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波 信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的 返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED 数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管 8550驱动。
第12页/共18页
主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为 16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端 P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波 脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直 接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可 测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。 由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到 接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回 所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间 的距离,设计时取20℃时的声速为344 m/s则有： d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数 值）测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED
利用AT89C51编程产生频率为40kHz 的方波，经过发射驱动电 路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波 波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电 路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如下图所示。
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超声波传感器
压电效应原理：
压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发 送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图2-2 所示，是在 压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的 压电陶瓷上施加如图b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化 正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用， 压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变 反，如图c 所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
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第11页/现较复杂的算法，汇编语言 程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序行动的 时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计 算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波 测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混 合编程。
超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生 子程序，超声波接收中断程序及显示子程序组成。
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超声波转换器的功能
利用压电晶体谐振工作。它有两个压电晶片和一个共 振板。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；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫 压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它 就成为超声波接受转换器。超声波接受转换器与发射 转换器其结构稍有不同。
单片机每隔一段时间产生一串40kHz 方波，同时定时器开始计时，当收 到回波，产生中断信号后，单片机执行中断程序。在中断程序中，先让 定时器停止计数，然后读取时间，通过时间计算出所测距离，输出结果。 中断程序如下：
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void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO 中断服务程序 {uint bwei,shwei,gwei； uchar DH,DL； ulong COUNT； ulong num； TR0=0 ； //停止计数 DH=TH0； DL=TL0； COUNT=TH0*256+TL0； num= (344*COUNT)/20000； //计算距离 bwei=num/100； //取百位 gwei=(num-bwei*100)/10； //取十位 shwei=num%10； //取个位 P1=tab[bwei]； //输出百位 P0=tab[shwei]； //输出十位 P2=tab[gwei]； //输出个位 TH0=0； TL0=0；
超声波测距原理
时间差测距法
S=vt/2
发射点距障碍物的距离(s) 超声波在空 气中的传播速度为 v，根据计时器记录的时间 t，
声速与温度的关系
温 度 （ ℃ ）－30 －20 －10 0
10
20
30
100
声速(m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386
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基于单片机的超声波测距系统
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