基于单片机的超声波测距器的软件设计

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

科研实践

题目：基于单片机的超声波测距器设计

二级学院（直属学部）：延陵学院

专业：电气工程及其自动化班级：10电Y3 学生姓名：学号：

指导教师姓名：范力旻职称：副教授2013年12月30日至2014年1月10日

目录

第一章简介 (3)

1.1设计项目概述 (3)

1.2设计要求 (3)

1.3超声波测距原理 (3)

第二章超声波测距器总体方案设计 (5)

2.1总体方案设计 (5)

第三章软件设计 (6)

3.1主程序设计 (6)

3.2超声波发生子程序设计 (8)

3.3超声波接收中断程序设计 (9)

3.4超声波测距仪的算法设计 (12)

3.5显示模块设计 (11)

第四章软件仿真 (13)

4.1 KEIL软件的介绍及使用 (13)

4.2 KEIL软件仿真 (13)

第五章实物的制作与调试 (14)

5.1实物的制作与调试 (14)

第六章总结 (16)

第七章附录 (18)

7.1参考文献 (18)

7.2元件清单 (18)

7.3原理图 (19)

7.4程序清单 (19)

7.5实物图 (24)

第一章 简介

1.1 设计项目概述

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波被广泛应用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便，计算简单，已做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用要求，测量时与被测物体无直接接触等，这些优点使其广泛应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位测量、精深测量等场合。目前国内一般实用专用集成电路设计超声波测距器，但是成本高，没有显示，操作不便，操作使用不方便，创展不灵活。基于单片机的超声波测距易克服了上述缺点，应用非常广泛。

1.2 设计要求

设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车、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。具体要求如下：

(1)测量范围在0.5-2.00m ，测量精度1cm 。

(2)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。

1.3 超声波测距原理

采用单片机作为主控制器，用LED 数码管作为显示仪器来显示所测的距离。由单片机发射和接受超声波信号，再经过单片机计算输出显示被测距离，即超声波发生器T 在某一时刻发出一段超声波信号，当超声波遇到障碍物（被测物体）后返回被接收器R 接受。测距的原理如图1.1。

图1.1 测距的原理

这样只要计算出发射超声波和接收到超声波之间的时间，就可以计算出超声发射器与反射物体的距离。距离计算公式为：2/)(2/t c s d ?==

其中：d 为被测物与测距器的距离 s 为声速的来回路程 c 为声速

t 为声波来回所用的时间

超声波是指频率高于20KHZ 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生

超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯称之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两种，但是一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器利用压电效应的原理将超声波和电能相互转换，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波，而在收到回波的时候，则将超声振动转换为电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法。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生源与障碍物之间的距离，超声波测距适用于高精度的中长距离测量，因为超声波在标准空气中的传播速度为332.45m/s。单片机使用12MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论可以达到毫米级。

图1.2 基于单片机的超声波测距器系统框图

第二章超声波测距器总体方案设计

2.1 总体方案设计

单片机采用AT89C52，系采用12MHZ高精度晶振得到较为稳定的时钟频率以减小测量误差。用单片机P1.0端口输出40KHZ方波信号，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机，利用外中断0检测接收返回的超声波信号。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制七段数码管显示出来。其时序图如图2.1所示。

图2.1 时序图

单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。

该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。

第三章软件设计

3.1 主程序设计

超声波测距器主程序流程图如图3.1所示。

图3.1 超声波测距器程序流程图

超声波测距器软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序组成。

超声波主程序首先对系统初始化，设置定时器的初值和工作方式，使总中断允许位EA=1，并给显示端口清零。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，需延时0.1ms（这也就是测距器会有一个最小可能测距的原因）后，才能打开外中断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

器之间的距离，设计时取20摄氏度时的声速344m/s，则有：(

(

2/=

2/)

?

=，（其中T0为计数器T0的计数值）。

=

172

c

/0

cm

t

T

10000

d)

s

程序：

void main()

{

int i;

init_CTC( ); // 初始化定时器

init_INT( ); // 初始化外部中断

CLflag=1; // 测量标志

for(i=6;i>4;i--)

disp[i]=0xff;

cshu=0; // 传数

delay(200); // 延时

IE=0x80; // 开中断

ET1=1; ET0=1;

TR1=0; TR0=0;

TL1=T12us; TH1=T12us;

while(1)

{

CLflag=0;

cshu=0;

EX0=0;

TH1=T12us;

TL1=T12us;

TL0 = 0; TH0 = 0; // 定时器0的初始时间

VOLCK=0;

TR1=1; // 启动定时器1，发送信号

while(cshu<3) ; // 发1个脉冲串

TR1=0;

TR0=1; // 启动定时器0，开始记时

EX0=1;

display();

}

}

超声波发生子程序：超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T0打开进行计时。

超声波发生子程序的流程图如图3.2所示。

图3.2 超声波发生子程序流程图

程序：

void CTC1_INT ( ) interrupt 3

{

VOLCK=~VOLCK;

cshu++;

}

超声波接收中断程序：超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。

超声波接收中断程序的流程图如图3.3所示。

图3.3 超声波接收中断程序流程图

程序：

void serve_INT0( ) interrupt 0

{

TR0=0; // 关闭定时器0

EX0=0; // 关中断

time=(long)TL0;

time+=(long)TH0*256;

Timetojuli(); //更新一次数据CLflag=1;

TH0=0;

TL0=0;

}

void CTC0_INT ( ) interrupt 1

{

TR0=0;

ET0=0;

}

3.4显示模块设计

本设计中，采用了4位共阳极连接的数码管显示来显示与障碍物之间的距离同时数码管与P1口连接进行动态的段扫描。由于这个距离值是不断变化的，所以，这个数码管的显示的过程是在外部中断0发生后才进行的。

所以当主程序给超声波发生器发送了信号后，此时中断和定时器0就已经被打开，并开始计时了。当超声波接收电路接收了到回波信号的同时时，电路便会产生一个低电平到单片机的P0.0端口，在单片机检测到该信号后，定时器计时就将停止，同时定时器的计数的次数将被提取出来，这样就可以得到测量的距离值。

超声波显示模块程序的流程图如图3.4所示。

图3.4 超声波显示模块程序流程图

3.5超声波测距仪的算法设计

超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：

d=s/2=(c×t)/2

其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

第四章软件仿真

4.1 keil软件的介绍及使用

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境、将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

4.2 keil软件仿真

第五章实物的制作与调试

5.1实物的制作与调试

超声波测距器的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Φ16的超声波换能器TCT40-16F1（T发射）和TCT40-16S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

按照已经设计好的电路原理图将元器件焊成整机块版。

硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距器能测的范围为0.07～3m，测距器最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。图5.1、5.2、5.3分别为整块版通电调试时测试的不同的三个测距显示。

图5.1 测试第一个测距显示

图5.2 测试第二个测距显示

图5.3 测试第三个测距显示

第六章总结

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

超声波测距仪硬件电路的设计主要包括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。单片机采用AT89C51或其兼容系列。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，位码用PNP三极管8550驱动。

超声波发射电路主要由反相器74HC04和超声波发射换能器T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。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74HC04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，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它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。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。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

超声波测距仪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。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（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。主超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关

闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。

超声波测距的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是很多，所以调试应该不会太难。一般只要电路焊接无误，稍加调试应该会正常工作。电路中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。

第七章附录

7.1参考文献

［1］周荷琴、吴秀清．微型计算机原理与接口技术[M]．北京：中国科学技术大学出版社，2009：45-47.

［2］靳达.单片机应用系统开发实例导航[M]. 北京：人民邮电出版社，2003：26-29. ［3］余永权，汪明慧等.单片机在控制系统中的应用[M].北京：电子工业出版社，2004：45-51.

［4］胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社,2004：11-23. ［5］刘凤然．基于单片机的超声波测距系统[J]．传感器世界，2001,2(3):20-31. ［6］高飞燕．基于单片机的超声波测距系统的设计[J]．信息技术，2005,1(4): 41-52.

7.3原理图

7.4程序清单

#include

#include

/*定义数据类型*/

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

/*定义系统常数*/

long int time; // 时间

bit CLflag; // 测量标志

char cshu; // 串数

#define T12us (256-12) //定时器设初值T=（256-T12us）*12/12MHZ sbit VOLCK=P1^0; // 发射

sbit MING=P3^2; // 外部中断0检测接收信号

sbit dp=P0^5 ;

sbit S1=P2^1; //第一位数码管控制脚

sbit S2=P2^3; //第二位数码管控制脚

sbit S3=P2^5; //第三位数码管控制脚

sbit S4=P2^7; //第四位数码管控制脚

char idata disp[9]; // 显示数据

char idata shuju[5]; // 显示数据

char code tabsm[] ={0xA0,0xBB,0x62,0x2A,0x39,0x2C,0x24,0xBA,0x20,0x28}; //送数码管数字0-9的编码

/* 通用延时子程序*/

void delay( int j)

{

int i;

for(i=0;i

i++;

}

void display(void) // 显示4位数据

{

P0=tabsm[shuju[1]];

S1=0;

delay(200);

S1=1;

P0=tabsm[shuju[2]];

dp=0;

S2=0;

delay(200);

S2=1;