基于单片机的超声波传感器测距系统

河北科技师范学院欧美学院

科技技能训练--------综述

姓名胡连

学号9310080311

专业电气工程及自动化

院系机电科学与工程系

指导老师王宽王枫

欧美学院机电科学与工程系

2011年7 月

基于单片机的超声波传感器测距系统

摘要如今，拥有汽车的人越来越多，随之带来的交通隐患也越来越大，从而超声波汽车倒车探测器的诞生，也为此隐患带来了一个很好的解决办法。本设计详细介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。文中首先阐述了超声传感器的原理及特性；对于测距系统的超声波频率、信号脉冲、器件型号等主要参数进行了讨论；在介绍了超声测距各模块功能的基础上，提出了系统的总体构成并对测距系统发射、接收、显示部分的硬件设计方案进行了论证。根据系统要求采用模块化的编程思路完成系统的算法设计，实现超声发射和距离显示功能。最后通过软硬件的综合调试实现短距离超声测距系统的基本功能。在本次设计中，最关健的部份是硬件电路和软件设计，所以本文对这两个部份做了比较详尽的介绍。其中硬件电路包括滤波电路、放大电路和整形电路。滤波电路的作用是滤掉一些噪声；因为超声波传感器是通过振动产生电流的，所产生的电流非常微弱，所以我们需要放大电路；而单片机只接收方波，所以要对放大的电流进行整波，这样单片机就可以正常工作了。

软件部份本文采用汇编语言编程，使用单片机的中断和计时功能，可以方便的实现所设想的功能。

关健词：超声波；传感器；单片机.

1超声波汽车倒车探测器简介

本文所研究的超声波汽车倒车探测器实际上就是一种近距离的雷达，它利用超声波测距原理，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时，停止计时。设超声波在空气中的传播速度为V，在空气中的传播时间为T，汽车与障碍物的距离为S，错误！未指定书签。S=VT/2，这样可以测出汽车与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上显示出来。

其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即逆压电效应是在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变，这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围内，这种机械波就是超声波。

本文所设计的超声波汽车倒车探测器主要由AT89S51单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路组成。

首先由单片机驱动产生40KHZ的频率，由超声波发射探头发送出去，在遇到障碍物反射回来时由超声波接收探头检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入单片机

进行计算，把计算结果输出到LED 液晶显示屏上。超声波发生器可以分为两大类：一类是用

电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液 和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器

根据设计要求并综合各方面因素，本例决定采用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。超声波测距器系统设计如图1.1所示。

1.1. 超声波测距器系统设计框图

我们人类在第一次世界大战时就学会了利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。超声波在医学上也得到了很好的利用，早在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。

自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。

超声应用、超声效应如今已广泛用于实际，主要有如下几方面：

(1) 超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。 (2) 超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。 2 目标

利用超声波传感器实现测距功能，并通过LED 数码管实时显示出两点间的距离。

3 系统硬件电路的设计

硬件电路主要分为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。单片机系统及显示电路

单片机采用AT89S51。系统采用12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz 方波信号，利用

超声波接收

单片机 控制器

超声波发送 LED 显示

扫描驱动

外中断0口检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，断码用74LS244驱动，位码用PNP 三极管9012驱动。单片机系统及显示电路如图2.1所示。

P1.0/T 1

P1.1/T 2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78INT113INT012T014

T115EA/VP 31X218

X119RESET 9

RD 17WR

16

PSEN

29

ALE/P 30RXD 10TXD 11P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.7

28

P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039AT89C52

U5*40KHz 输出

回波接收输入

Y2

12MHz

5V

C4

30pF

C5

30pF

+

20uF

RESET

10K

VCC

a

b

c d e f g a 1b 2c 3d 4e 5f

6g

7

DPY LED RES2

a

b

c d e f g a 1b 2c 3d 4e 5f

6g 7

DPY LED RES2

a

b

c d e f g a 1b 2c 3d 4e 5f

6g 7

DPY LED RES2

a

b

c d e f g a

1b 2c 3d 4e 5f

6g 7

DPY LED RES2

9012901290129012

4.7K

4.7K

4.7K

VCC

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

2.1 单片机及显示系统电路图

U4A

74LS04

U4B

74LS04U4C

74LS04U4D 74LS04

U4E

74LS04R101K R111K

T

VCC

1

2

3

4

5

6

8

9

10

11

2.2 超声波发射电路原理图

R12220K

R1310K

R14101

2

3456

7

8

CX20106A

U5

C7330pF

C4

0.056u F

+C51uF

+

C63.3uF

R

VCC

GND

P3.2