超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)方案

1、個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用超聲波測(cè)距儀電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告輪機(jī)系樓宇 071周鈺泉2007212117實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獬暡y(cè)距儀的原理，掌握焊接方法，掌握電路串接方法，熟悉電路元件。實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材：電烙鐵，錫線，電路元件以下為元件清單：參數(shù)名稱代號(hào)數(shù)量參數(shù)470UC111K100uC214.7104C3, C42220K224C5, C10222K223C614.7K330PC71按鍵3.3UFC81蜂鳴器1UFC91超聲波接收管47UFC111超聲波發(fā)射管10uFC121LM780530pCY1, CY2274HC2454007D1, D2, D3, D4489S520.36 數(shù)碼管DS11CD4

2、069/74LS04360 R5, R6, R7, R8, R9, R10,8CX20186AR11, R12,10K 排阻PR1111.0592M8550Q1, Q2, Q3, Q4, Q55DC 電源插座下載頭JTAG1PCB 電路板名稱代號(hào)數(shù)R1, R2, R3,量6R4, R16,1R13R141R151R181RST, S1,5S2, S3, S41SP1R1T1U11U21U31U41U51Y11P111實(shí)驗(yàn)步驟：1,學(xué)習(xí) keil 軟件編寫程序 2、焊接電路板 3、運(yùn)行調(diào)試超聲波測(cè)距程序：#include <AT89X52.H>39 。 p1EanqFDPwunsig

3、ned char codeunsignedchardispbitcode=0x31,0x32,0x34,0x38,0x30,0x30,dispbuf8=10,10,10,10,10,10,0,0。0x30,0x30 。 b5E2RGbCAPunsigned char dispcount。unsignedcharcodeunsigned char getdata。dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,unsigned int temp 。0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x77,0x7c,0xunsigned int temp1 。1/1

4、1個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用unsigned char i。ST=0。sbit ST=P30 。while(1>sbit OE=P31 。sbit EOC=P34 。if(K1=0>sbit CLK=P35 。sbit M1=P36 。delay10ms(> 。sbit M2=P37 。if(K1=0>sbit SPK=P26 。sbit LA=P33 。yw=1 。sbit LB=P32 。wd=0 。sbit LC=P27 。sbit K1=P24 。sbit K2=P25 。else if(K2=0>bit wd 。bit yw 。delay10ms(>

5、 。bit shuid 。if(K2=0>bit shuig 。unsigned int cnta 。wd=1 。unsigned int cntb 。yw=0 。bit alarmflag 。void delay10ms(void>else if(LC=1>unsigned char i,j 。for(i=20 。 i>0 。 i->delay10ms(> 。for(j=248 。 j>0 。 j-> 。if(LC=1>void main(void>M1=0 。M2=1 。M1=0 。temp1=13 。M2=0 。shuid=0

6、。yw=1 。shuig=1 。wd=0。LB=0 。SPK=0 。ST=0。OE=0 。else if(LC=0> && (LB=1>>TMOD=0x12 。TH0=0x216 。delay10ms(> 。TL0=0x216 。if(LC=0> && (LB=1>>TH1=(65536-500>/256 。TL1=(65536-500>%256 。M1=0 。TR1=1 。M2=0 。TR0=1 。ET0=1 。temp1=12 。ET1=1 。shuig=0 。EA=1 。shuid=0 。ST=1。LB

7、=0。2/11個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用if(EOC=1>OE=1 。else if(LB=0> && (LA=1>>getdata=P1。OE=0 。delay10ms(> 。temp=getdata*25 。if(LB=0>&&temp=temp/64 。(LA=1>>i=2 。dispbuf0=10 。M1=1 。dispbuf1=10 。dispbuf2=0 。M2=0 。dispbuf3=0 。if(yw=1>&&(wd=0>>temp1=11。dispbuf+i=temp

8、1 。shuig=0。elseshuid=0。if(yw=0>&&(wd=1>>while(temp/10>LB=0 。dispbufi=temp/10 。temp=temp%10 。else if (LA=0>dispbuf+i=temp 。delay10ms(> 。ST=1 。if(LA=0>ST=0 。M1=1 。P0=dispcodedispbufdispcount 。M2=0 。P2=dispbitcodedispcount 。temp1=0。dispcount+ 。shuid=1 。if(dispcount=8>shu

9、ig=0 。LB=0 。dispcount=0 。if(shuig=1> && (shuid=0>>cnta+ 。void t0(void> interrupt 1 using 0if(cnta=800>CLK=CLK 。cnta=0。alarmflag=alarmflag 。void t1(void> interrupt 3 using 0if(alarmflag=1>TH1=(65536-500>/256 。TL1=(65536-500>%256 。SPK=SPK 。3/11個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用SPK=SPK 。el

10、se if(shuig=0> && (shuid=1>>cntb+ 。elseif(cntb=400>alarmflag=0。cntb=0 。cnta=0。cntb=0 。alarmflag=alarmflag。if(alarmflag=1>/ 完整的程序電路原理圖：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.1 超聲波測(cè)距儀硬件電路硬件電路可分為單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。1.2 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路本系統(tǒng)采用 AT89S52來實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳感器的控制。單片機(jī)通過P1.0 引腳4/11個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后

11、單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。超聲波測(cè)距的硬件示意圖如圖3 所示： DXDiTa9E3d單片機(jī)采用89S52 或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，已獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減少測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的40KHz 的方波信號(hào)，利用外中斷 0 口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。RTCrpUDGiT1.3 顯示的輸出顯示的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT顯示器等，都可以與微機(jī)連接。其中單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最

12、常用的顯示是發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器<簡(jiǎn)稱LED顯示器）。液晶顯示器簡(jiǎn) LCD。 LED顯示器價(jià)廉，配置靈活，與單片接口方便， LCD可顯示圖形，但接口較復(fù)雜成本也較高。 5PCzVD7HxA該電路使用 7 段 LED構(gòu)成字型“ 8”，另外還有一個(gè)發(fā)光二極管顯示符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)。這種顯示器分共陽極和共陰極兩種。這里采用共陽極 LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極共接，如下圖 1 所示，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，該發(fā)光二極管亮。它的管腳配置如下圖 2 所示。 jLBHrnAILgVCC圖 1圖 2實(shí)際上要顯示各種數(shù)字和字符，只需在各段二極管的陰極上加不同的電平，就可以得到不同的代碼。這些用來控制L

13、ED顯示的不同電平代碼稱為字段碼 <也稱段選碼）。如下表為七段 LED的段選碼。 xHAQX74J0X 表 3-1 七段 LED的段選碼顯示字符共陽極段選碼顯示字符共陽極段選碼dp gfedcbadp gfedcba0C0HA88H1F9HB83H2A4HCC6H3B0HDA1H499HE86H592HF8EH682HP8CH7F8Hy91H880H8.00H990H“滅”FFH5/11個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用本系統(tǒng)顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽 LED數(shù)碼管，位碼用 PNP三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)顯示電路如圖 3 所示。 LDAYtRyKfE圖 3 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路1

14、.4 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 4 所示。發(fā)射電路主要有反向器 CD4069和超聲波發(fā)生換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) P1.0 的端口輸出 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻 R10， R11一方面可以提高反向器 74lS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時(shí)間。Zzz6ZB2Ltk6/11個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 4 超聲波發(fā)射電

15、路原理圖1.5 超聲波檢測(cè)接收電路集成電路 CX20186A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38KHZ與測(cè)距的超聲波頻率40KHZ較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路 <如圖 5）。實(shí)驗(yàn)證明用CX20186A接受超聲波 <無信號(hào)時(shí)輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 dvzfvkwMI1圖 5 超聲波檢測(cè)接收電路原理圖2. 超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)2.1 超聲波測(cè)距儀的程序設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接

16、受中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算<計(jì)算距離時(shí)），有要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間<超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C 語言和匯編語言混合編程。下面對(duì)超聲波測(cè)距器的算法、主程序、超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收斷程序逐一介紹。 rqyn14ZNXI7/11SixE2yXPq5個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)圖 6 示意了超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波信號(hào)遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器 R

17、 所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 EmxvxOtOcoTR圖 6 超聲波測(cè)距的示意圖距離的計(jì)算公式：d=s/2=(c*t>/2其中 d 為被測(cè)物與測(cè)距器的距離， s 為聲波的來回路程， c 為聲波， t 為聲波來回所用的時(shí)間。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與溫度有關(guān)，表 4-1 列出了幾種不同溫度下的超聲波聲速，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的，如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速校正后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。表 4-1不同溫度下超聲波聲速表溫

18、度-30-20-100102030100聲速 c/m/s313319325323338344349386主程序主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時(shí)器 T0 工作模式為 6 位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA并給顯示端口 P0 和 P2 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約 0.1ms<這也就是超聲波測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是 12MHz 的晶振，計(jì)算器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1us, ，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù) &

19、lt;即超聲波來回所用的時(shí)間）按式 <1-2 ）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20時(shí)的聲速為 344m/s 則有 6ewMyirQFLD=(c*t>/2=172T0/10000cm1-2 其中 T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD碼方式送往 LED顯示約 0.5s ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用 C 語言編寫。圖 7 為主程序流程圖。 kavU42VRUs8/11個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用開始系統(tǒng)初始化發(fā)射超聲波脈沖等待反射超聲波計(jì)算距離顯示結(jié)果0.5s圖 7 主程序流程圖系統(tǒng)程序流程

20、圖如圖 8 所示：圖 8 超聲波測(cè)距程序流程圖工作時(shí)，微處理器 AT89S52先把 P1.0 置 0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器 T0 開始計(jì)時(shí)。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完 16 個(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號(hào)識(shí)別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號(hào)，要檢測(cè)返回信號(hào)必須在啟動(dòng)發(fā)射信號(hào)后 2.38ms 才可以檢測(cè)，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描INT0 引腳，如果 INT0 接收的信號(hào)由高電平變?yōu)?/11個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用低電平，此時(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器

21、中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。y6v3ALoS892.2 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.0 端口發(fā)送 2 個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào) < 頻率約為 40kHz 的方波），脈沖寬度為 12us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。 M2ub6vSTnP超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷 0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào) <即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平）立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷程序后立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值

22、 1。 0YujCfmUCw如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出是還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示本次測(cè)距不成功。 eUts8ZQVRd3. 超聲波測(cè)距儀誤差分析與調(diào)試3.1誤差來源分析由超聲波測(cè)距原理可知，它是基于聲波速度不隨頻率變化為基礎(chǔ)的，利用聲波行進(jìn)于待測(cè)距離的時(shí)間為測(cè)量參量確定待測(cè)間距。主要誤差來源有：sQsAEJkW5T<1）聲波速度變化引起的誤差，這與空氣的元素含量以及空氣溫度有關(guān)。由聲波傳播速度可知，聲速是與空氣的分子量與以及空氣溫度有關(guān)。 GMsIasNXkA<2）脈沖計(jì)數(shù)頻率的穩(wěn)定性是直接導(dǎo)致“等效標(biāo)準(zhǔn)尺”長(zhǎng)度變化的因素。由測(cè)長(zhǎng)誤差關(guān)系式可得，當(dāng)脈沖頻率準(zhǔn)確到10-5時(shí)，如果測(cè)量距離L 是 100M的話，=0.001M，此誤差遠(yuǎn)小于超生測(cè)長(zhǎng)誤差。 TIrRGchYzg<3）開關(guān)門的可靠性是標(biāo)志超聲波測(cè)距可靠性的關(guān)鍵，即同步門控制。也就是說，超聲波發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)必須同步開門。