基于单片机的超声波测距课程设计报告

课程设计说明书

题目：超声波测距

院（系）：电子工程与自动化

专业：

学生姓名：

学号：

指导教师：

2011 年 11 月 7 日

目录

一、绪论

二、对本课程的设计分析

2.1 总体设计方案介绍

2.1.1 超声波测距原理

2.1.2 超声波测距原理框图

2.2 系统硬件设计方案

2.2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理

2.2.1.1 51系列单片机的功能特点

2.2.1.2 单片机实现测距原理

三、主要电路模块的实现方案比较及选择

3.1 超声波发射电路

3.2 超声波检测接收电路

3.3 超声波测距系统的硬件电路设计

3.4 系统电路图及其PCB图

四、系统的软件设计

4.1 主程序流程图

4.2超声波发射子程序和超声波接收中断程序

五、测试数据以及结论

六、课程设计过程中遇到的主要问题以及解决办法

七、心得体会

一、绪论

随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越受到人们的重视。超声波测距离的一个最重要的功能就是作用于倒车系统上。要实现倒车系统的准确精度，就得把超声波和单片机相结合，利用单片机的控制系统和精确的运算使超声波测距离更加快速和精确。从而，减少事故的发生。通过该实验学习利用单片机和超声波探测元件测试距离的基本方法，进一步熟悉单片机定时器技术、中断技术在数据采集和数据处理过程中的综合运用方法，提高综合应用程序的编程方法与技巧。

发射器发出的40KHz超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。

报告内容包括：单片机控制主程序、中断子程序、延时子程序和超声波发射、接收电路、数码管驱动显示电路以及主电路。

二、对本课程设计的分析

2.1总体设计方案介绍

2.1.1超声波测距原理

发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

表1-1 超声波波速与温度的关系表

2.1.2超声波测距仪原理框图如下图

采用AT89s52单片机，晶振：12MHZ，单片机P1.0口发出40kHZ的方波信号，通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号，利用外部中断0口监测超声波输出的返回信号，显示电路采用简单的4位LED数码管，位码用8550驱动。

图1-1 超声波测距原理框图

2.2系统的硬件结构设计

硬件电路的设计主要包括单片机系统及LED显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89S52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。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。单片机通过P1.0口经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不断的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平用高电平变为低电平时就认为超声波已返回。计数器所记的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到超声波传感器与障碍物的距离。

2.2.151系列单片机的功能特点及测距原理

2.2.1.151系列单片机的功能特点

51系列单片机中典型芯片(AT89S52)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，8kB的ROM，256 B的RAM，3个16b的定时／计数器TO、T1以及T2，4个8 b的工／O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。

5l系列单片机提供以下功能：8 kB存储器；256 BRAM；32条工／O线；3个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。2.2.1.2单片机实现测距原理

单片机发出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S＝Ct／2，式中的C 为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

三、主要电路模块的实现方案比较及选择

3.1超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图3-1所示。发射电路主要由反相器CD4069和超声波发射换能器TX构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的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，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。

图3-1 超声波发射电路原理

图

3.2超声波检测接收电路

集成电路CX20106A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38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图3-2)。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。