基于单片机的超声波测距器的硬件设计.docx

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基于单片机的超声波测距器的硬件设计

CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY

科研实践

题目：

基于单片机的超声波测距器的设计

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

基于单片机的超声波测距器的设计

摘要

本文阐述了超声波测距的原理，介绍如何用AT89C52单片机实现超声波测距，分析各个部分的工作原理，并给出了原理图和源程序。

此设计电路由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。

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、建筑施工工地等场合。

关键词：

超声波测距单片机

目录

摘要I

第一章绪论1

1.1设计的研究背景1

1.2研究内容1

1.3超声波测距系统概述1

1.4课题设计意义2

第二章超声波测距器硬件系统设计2

2.1超声波传感器2

2.1.1超声波传感器结构3

2.1.2超声波传感器工作原理3

2.2总体方案设计5

2.3超声波发射电路设计6

2.4超声波接收电路的设计6

2.5显示电路的设计7

第三章硬件设计8

3.1总体设计结构图8

3.2单片机的最小系统9

3.2.1复位电路9

3.2.2稳压电路设计10

3.3输入电路11

3.3.1超声波发射电路11

3.3.2超声波接受系统12

3.4输出系统12

3.4.1数码管显示12

第四章硬件仿真13

4.1调试系统简介13

4.2硬件调试14

第五章实物的制作与调试14

5.1电路板焊接14

5.2电路板调试14

第六章附录15

6.1超声波测距套件元件清单15

6.2原理图16

6.3程序清单16

6.4实物图21

第7章参考文献21

结论22

第一章绪论

1.1设计的研究背景

由于社会不断进步发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高，许多传统的测距方法已经无法满足我们的需求，例如在：

液位、井深、管道长度等场合还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。

而目前能够通过采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量的技术主要有激光测距、微波雷达测距和超声波测距三种。

激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。

超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。

于是，超声波测距这种新的测距方法在测距的应用中将越来越广。

超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。

而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。

超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。

目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测，汽车的倒车雷达的应用中都有着非常重要的作用。

在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也被广泛的应用着。

超声波测距仪作为一种新型的非常有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高定位、更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。

可以预见的是超声波测距的作用将在未来的各个领域中有着非常重要的作用。

1.2研究内容

超声波测距仪主要以单片机AT89C51为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振袋动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。

一般情况下，超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即s=340×t/2。

1.3超声波测距系统概述

由于超声波具有指向性好、能量损耗低、传播距离较远、不易受外界环境影响和对被测目标无损害等特点，利用超声波测量距离就可以解决传统测量方法中超声波测距仪设计遇到的问题。

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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。

超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。

通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波发送到物体反射后接收到的传播时间，通过超声波在空气中的传播速度来用软件计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好，并且能够非常简单快捷的测出所需要的距离。

超声波测距适用于高精度的中长距离测量，超声波在空气中的传播速度约为340m/s，由单片机计时，单片机使用12.0MHz晶振，所以此系统的测量精度在理论上可以达到毫米级。

本文设计的倒车雷达系统就是利用超声波的上述特性做到对倒车距离实时和高精度的检测，因此很多领域都能利用超声波的测量精度来做到精准测量，比如运用到倒车雷达中就能够对倒车距离实时和高精度的检测，同时此系统的成本非常的低廉，稳定性好,可以得到广泛的应用。

1.4课题设计意义

通过本题的完成，可以使学生初步具备超声波发出以及接受电路的设计，学会通过c语言来实现参数的获得来完成距离的计算，并且能通过protel等应用工具软件完成系统硬件的原理图与印版图的制作。

第二章超声波测距器硬件系统设计

2.1超声波传感器

超声波传感器是根据超声波的特性而研制成的传感器。

超声波是一种机械波，其振动频率高于声波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生。

超声波的频率高、波长短、绕射现象小，方向性好、能够成为射线而定向传播。

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换，即在发射超声波的时候，转换电能，发射超声波，在收到回波的时候，则将超声波振动转换为电信号。

超声波发生器一般分为两类：

一类是用电气方式产生超声波，另一类使用机械的方式产生超声波。

超声波测距器属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

2.1.1超声波传感器结构

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。

超声波传感器结构如图2.1所示。

超声探头的核心是其外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。

图2.1超声波传感器结构

图2.216mm分体超声波收发器超声波传感器超声波探头

2.1.2超声波传感器工作原理

压电型超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，由于超声波传感器是一种可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。

在压电元件上施加电压，元件随之变形，即称应变，压电逆效应如图2.3所示。

如果在图a所示的已被极化的压电陶瓷上加一个图b所示极性的电压，压电陶瓷的极化正电荷与外部正电荷相互排斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相互排斥。

由于相互排斥的作用，压电陶瓷的厚度变小，长度伸长。

若外部施加相反极性的电压，如图c所示那样，则压电陶瓷厚度变厚，长度缩短。

图2.3压电逆效应图

超声波传感器采用的是双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向背向粘在一起，则在长度方向上，一片伸长，另一片缩短。

在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。

双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。

这两处的支点就成为振子振动的节点。

金属板的中心有圆锥形振子。

发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。

采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子（谐振频率为40kHz）上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz频率的超声波。

超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。

超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。

若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。

图2.4传感器的方向性

2.2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2.5所示。

图2.5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。

2.3超声波发射电路设计

超声波发射采用推挽形式将P1.0端口发出的方波加到超声波换能器两端以提高超声波发射的强度。

发射电路主要有74HC04和超声波换能器构成用单片机P1.0端口输出方波信号一路经一级反向后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向后送到超声波换能器的另一个电极。

2.4超声波接收电路的设计

超声波接收采用的是常用于电视红外遥控接收器的芯片CX20106A。

考虑到红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距超声波频率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。

适当改变超声波接收探头两端电容的大小，可以接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

其中，CXA20106A为红外线接收专用芯片，可以用于超声波的接收.。

各引脚说明如表2.2。

表2.2CXA20106A各引脚说明

引脚号

说明

1

超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2

该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。

3

该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。

4

接地端。

5

该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6

该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7

遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8

电源正极，4.5～5.5V。

图2.4为接收电路。

图2.4超声波接收电路

2.5显示电路的设计

数码管的结构数码管由7个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极，通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,这就是它的工作原理。

数码管按各发光二极管电极的连接方式分为共阳数码管和共阴数码管两种。

数码管符号和引脚如图2.9（a）,共阳数码管内部连接如图2.9（b），共阴数码管内部连接如图2.5（c）。

图2.5数码管

数码管要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，可以分为静态显示和动态显示两类。

（1）动态显示：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM由位选通控制电路控制，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，但是能够节省大量的I/O端口，功耗更低。

（2）静态显示驱动：

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89c52单片机可用的I/O端口才32，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

此设计显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P0口，位码输出端口分别为单片机的P2.1、P2.3、P2.5、P2.7口。

为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，此超声波测距的单片机控制系统采用动态扫描显示，并且软件消影。

第三章硬件设计

3.1总体设计结构图

3.2单片机的最小系统

单片机系统由CPUAT89C52和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。

这部分电路主要负责程序的存储和运行。

图3.2中MCS-51内部时钟方式电路外接晶体以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

晶体可在1.2MHz～12MHz之间任选，电容的典型值在20pF～100pF之间选择，但在60pF～70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。

典型值通常选择为30pF左右，但本电路采用33pF。

在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠的工作。

为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。

AT89C52的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

本设计中所用到的是上电按钮复位。

3.2.1复位电路

单片机AT89C52作为主芯片，控制整个电路的运行、单片机外围需要一个复位电路。

复位电路的功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关火电源插头分—合过程中引起的抖动而影响复位。

该设计采用含有电阻的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题。

在电源电压瞬间下降的时候可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位，复位电路设计如下图3.3所示：

复位是单片机的初始化操作，使CPU及各专用存储器处于一个确定的初始状态，其中把PC的内容初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，除了系统的正常开机（上电）复位外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死循环状态时，为摆脱困境，可按复位键进行基于单片机的超声波测距仪设计13复位，复位电路由片外和片内两部分电路组成。

AT89C52的RST引脚为复位引脚，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平,即可实现复位，复位通常有上电复位和按键复位两种方法。

本设计采用的事按键复位，当按下键后，电容被短路，RST引脚就处于高电平，就可以达到复位的目的，下图3.3所示。

间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。

时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1KΩ。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端经过电阻与电源Vcc接通而实现的。

如图3.2.1

图3.2.1

3.2.2稳压电路设计

三端稳压管又称集成稳压器，它是将取样电路、基准电压、比较放大电路、保护电路及调整管等制作在一个芯片上，封装后作为一个元件来使用。

主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压管，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压管，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。

本设计稳压电路采用了7805三端稳压集成电路，顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管。

输入端输入9V电流的经7805稳压管后输出端输出5V电流。

系统图如图3.2.2所示

图3.2.2

3.3输入电路

3.3.1超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图3.4所示。

发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40KHZ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的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度，输出采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上拉电阻R1.R2一方面可以提高反向74LS04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，缩短其自由振荡的时间。

如图3.1.1

图3.1.1

3.3.2超声波接受系统

参考红外转化接收电路,本设计采用集成电路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与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用他作为超声波检测电路。

如图3.5超声波检测接收电路原理图所示，适当改变C12的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。

管脚1是超声波信号输入端，是输入阻抗约为40KΩ;管脚2的C12R19决定接受换能器的总增益，增大电阻R或者减小C，将使放大倍数下降，负反馈量增大，电容C的改变会影响到频率特性，实际使用中一般不改动，推荐选择参数R=4.7KΩ，C=3.3uF;管脚5上的连接电阻R18用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低，取R=200KΩ时，中心频率约为42KHZ；管脚6与GND之间接入一个分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短；管脚7是遥控命令输出端，是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源，该阻值推荐阻值为R5=220KΩ,没有接受信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降；管脚8接电源正极。

4.5v-5v.超声波接收原理图如图3.2.2

图3.2.2

3.4输出系统

3.4.1数码管显示

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管：

按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

由于它的价格便宜使用简单在电器特别是家电领域应用极为广泛。

如图3.4.1

图3.4.1

第四章硬件仿真

4.1调试系统简介

PROTEUS系统仿真平台与开发平台是由英国Labcenter公司开发的，是目前世界上最完整的系统设计与仿真平台之一。

PROTEUS可以实现数字电路、模拟电路及微控制系统与外设的混合电路系统的电路仿真、系统协同仿真和PCB设计等全部功能。

PROTEUS软件能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具，真正实现了在没有目标原形时就可以对系统进行调试与验证。

单片机系统的仿真是PROTEUSVSM的一大特色，同时，本仿真系统将源代码的编辑和编译整合到同一设计环境中，这样使得用户可以在设计中直接编辑代码，并且很容易地查看到用户对源程序修改后对仿真结果的影响。

源代码通过编译无误后，就可以进行仿真，在仿真过程中不断完善电路和程序的功能最后达到本次设计的目的。

4.2硬件调试

根据硬件电路设计的原则，本次硬件电路制作采用了：

“部分焊接部分调试”的思想，即每焊接一部分，就调试一部分，当此部分电路调试成功，再焊接下一部分电路。

这种方法弥补了在电路整体焊接后进行调试时，出现问题不易查找的不足，真正做到模块化设计、模块化调试、模块化分析。

该课题的硬件电路部分占了整个过程相当大的一个比例。

单片机的电源电路、传感器电路、显示电路、最小系统电路是本次设计的主要硬件电路。

第五章实物的制作与调试

5.1电路板焊接

一般来说，造成硬件问题的首要问题就是焊接了，也就是说焊接的好与坏直接响产品的正常运行。

造成焊接质量不高的常见原因是:

①焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积；焊锡过少,不足以包裹焊点。

②冷焊。

焊接时烙铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮（不光滑）,有细小裂纹（如同豆腐渣一样!

）。

③夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接不良。

若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜；若加热温度太高,则焊点下有一层碳化松香的黑色膜。

对于有加热不足的松香膜的情况,可以用烙铁进行补焊。

对形成的黑膜,要"吃"净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。

④焊锡连桥。

指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。

这在对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。

⑤焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。

当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。

⑥焊点表面的焊锡形成