超声波测距器课程设计

《微机原理及应用》课程设计

超声波测距器的设计

学生姓名郝强

学号***********

学院名称机电工程学院

专业名称机械电子工程

指导教师王前

2013年12月27日

摘要

随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51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在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。

关键词：超声波；传感器；测量距离；控制

目录

摘要 (2)

目录 (3)

1.设计目的 (4)

2.总体方案 (4)

3.硬件设计 (5)

3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5)

3.2.1单片机芯片的选择 (6)

3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6)

3.3超声波发射电路设计 (6)

3.3.1选择超声波发生器类型 (6)

3.3.2 超声波发射电路设计 (7)

3.4超声波接收电路设计 (8)

3.5超声波显示电路设计 (9)

4.软件设计 (9)

4.1波测距器的算法设计 (10)

4.2系统的主控制程序设计 (11)

4.3发生子程序设计 (12)

4.4接收中断程序设计 (13)

4.5显示程序设计 (14)

4.6距离计算程序 (15)

5.结论 (17)

参考文献 (18)

1.设计目的

超声波测距器，可应用于汽车倒车、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1 cm，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。

2.总体方案

硬件部分

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AT89C1或其兼容系列来实现对CX20106A红外接收芯片和74LS04系列超声波发射模块的控制。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。

软件部分

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等部分。

3.硬件设计

3.1 超声波测距器硬件电路设计

超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离。路程、波速、时间之间的关系，可用下列简单的公式表示：

==⨯

/2()/2

d s c t

上式中，d为超声波传播单边的路程，s为超声波来回的路程， c为超声波波速, t为超声波来回所用的时间。

当声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距的原理。超声波测距的原理如图所示。

3.1超声波测距原理

根据超声波测距原理，超声波测距器需要有超声波发生器、超声波接收器、超声波传播的计时器。

按照系统设计功能的要求，硬件电路由单片机计时及控制电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、显示电路及电源五部分组成。系统原理总框图见图。

3.2超声波测距器的原理总框图

3.2.1 单片机芯片的选择

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Pro grammable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.2.2AT89C51定时计数应用电路

AT89C51单片机片内集成有两个可编程的定时/计数器T0和T1[4]。它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式。本设计采用定时计数器T0，根据需要，让其工作于方式1。方式1的计数位数是16位，由TL0作为低8位，TH0作为高8位，组成16位加1计数器。其初值在65 535～0范围，计数范围为1～65 536。具体应用见程序设计部分。

3.3 超声波发射电路设计

3.3.1选择超声波发生器类型

压电式超声波换能器利用压电晶体的谐振来工作，其内部结构如图所示。超声波换能器有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加电脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，从而带动共振板振动，产生超声波。反之，如果在共振板上外加适当的机械振动，使压电晶片发生共振，将在压电晶片之间产生交变的电信号。这时它就成为了超声波接收器。

本设计选用压电式超声波换能器TCT40—l0Fl作超声波发射器。使用时注意分清器件，因为它与接收换能器在结构上稍有不同。