用51单片机设计超声波测距系统的设计原理和电路(附源程序)

基于51单片机的超声波测距仪说明书

引言

超声波测距仪，可使用于汽车倒车、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。利用超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。

一、性能要求

该超声波测距仪，要求测量范围在0.08-3.00m，测量精度1cm，测量时和被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

二、工作原理及方案论证

超声波传感器及其测距原理

超声波是指频率高于20KHz的机械波。用超声波传感器产生超声波和接收超声波，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.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渡越时间法TOF（timeofflight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源和障碍物之间的距离。

根据要求并综合各方面因素，采用AT89C52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，超声波测距仪的系统框图如下图所示：

图1 超声波测距仪系统设计框图

三、系统硬件部分

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。

1.单片机系统及显示电路

单片机采用AT89C52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P1.1引脚发射脉冲控制超声波的发送，然后单片机不停的检测外中断0口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和障碍物之间的距离。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三极管驱动。

单片机系统及显示电路如下图所示：

X T A L 2

18X T A L 119A L E 30E A

31P S E N 29R S T

9P 0.0/A D 039P 0.1/A D 138P 0.2/A D 237P 0.3/A D 336P 0.4/A D 435P 0.5/A D 534P 0.6/A D 633P 0.7/A D 732P 1.0/T 21P 1.1/T 2E X 2P 1.23P 1.34P 1.45P 1.56P 1.67P 1.7

8P 3.0/R X D 10P 3.1/T X D 11P 3.2/I N T 012P 3.3/I N T 113P 3.4/T 014P 3.7/R D

17

P 3.6/W R 16P 3.5/T 115P 2.7/A 15

28

P 2.0/A 821P 2.1/A 922P 2.2/A 1023P 2.3/A 1124P 2.4/A 1225P 2.5/A 1326P 2.6/A 1427U 1

A T 89C 52

Q 1

9012

Q 3

9012

Q 4

9012

Q 2

9012

1A 021A 141A 261A 382A 0112A 1132A 2152A 3171O E 12O E

191Y 0181Y 1161Y 2141Y 3122Y 092Y 172Y 252Y 33

U 2

74L S 244

R

510

510

R 1

4.7K

R 2

4.7K

R 3

4.7K

R 4

4.7K

V c c C 13.3u

X T 112M

S 1

C 3

20p

R 8

10K

C 2

20p

G N D

图2 单片机系统及显示电路

2.超声波发射电路

利用555时基电路振荡产生40kHz的超声波信号，使之和换能器的40kHz固有频率一致。12V电源保证555时基具有足够驱动能力。P1.1为超声波发射控制信号，由单片机控制。发射电路如图3所示：

图3 超声波发射电路原理图

3.超声波检测接收电路

超声波接收电路采用集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz和测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。接收电路如图4所示：

图4 超声波接收电路图

四．系统软件部分

超声波测距程序设计软件部分主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。下面对超声波测距仪的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介绍。1．超声波测距仪的算法设计

下图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器和反射物体的距离。

距离计算公式：d=s/2=(c*t)/2

*d为被测物和测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为