超聲波測距論文

1、西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 畢業(yè)設計（論文）題 目：基于單片機的超聲波測距儀 學 院： 專業(yè)班級： 指導教師： 職稱： 學生姓名： 學 號： 摘 要在空氣介質(zhì)中超聲測距傳感器因其性能好，價格低廉、使用方便，在現(xiàn)場機器人定位系統(tǒng)、車輛自動導航、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)、城市交通管理和高速公路管理監(jiān)測系統(tǒng)，以及河道、油井和倉庫及料位的探測中都有應用。由于超聲波傳播不易受干擾，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距和物位測量等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。為此，深入研究超聲波的產(chǎn)生與傳播規(guī)律、開發(fā)高性能超聲波換能器及其收發(fā)電路，對于超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)

2、實意義。本設計介紹了基于單片機控制的超聲測距的原理：由STC89C52控制定時器產(chǎn)生一定頻率脈沖，計算從發(fā)射到接收回波時間，從而得到實測距離，數(shù)據(jù)處理采用，顯示距離，語音播報。關(guān)鍵詞：超聲波，距離測量，語音播報，單片機IIABSTRACTIn the air medium, ultrasonic range finder sensor because of its good performance, low price, convenient use, in the field of robot positioning system, automatic vehicle navigation,

3、 vehicle safety driving assist system, city traffic management and management of expressway monitoring system, as well as river, well and warehouse and material level detection used in. Because the ultrasonic wave propagation is not susceptible to interference, energy consumption slow, medium of com

4、munication in the longer distance, which are often used for ultrasonic distance measurement, such as the location and level measurement can be achieved by ultrasound. Therefore, in-depth study of ultrasonic generation and propagation, the development of high performance ultrasonic transducer and its

5、 transceiver circuit, the ultrasonic detection technology development has very important real sense.This article introduces the design of control based on single chip ultrasonic ranging principle: control by STC89C52 timer produces a certain frequency pulse, calculated from transmitting to receiving

6、 echo time, so as to obtain the measured distance, data processing using the temperature compensation, four digital tube display distance, voice broadcast.KEYWORDS: ultrasonic, range measurement, voice broadcast, singlechip 目 錄第1章 緒論1.1 課題設計目的及意義1.1.1設計的目的1.1.2設計的意義1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)1.3 本課題研究的主要內(nèi)容第2章 總體方案2

7、.1 方案選擇2.2 超聲波測距儀的設計思路2.2.1 超聲波測距原理2.2.2 超聲波測距原理框圖2.3 使用元件選擇第3章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計3.1 STC89C52單片機的功能及特點3.2 單片機最小系統(tǒng)3.3 語音播報3.4 顯示單元第4章 系統(tǒng)的軟件設計4.1 主程序流程圖4.2 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序第5章 超聲波測距接收5.1 HC-SR04模塊5.2 T40、R40超聲波傳感器簡介5.2.1 超聲波傳感器的基本介紹5.2.2 超聲波傳感器的主要應用5.2.3 超聲波傳感器的工作原理5.3 超聲波發(fā)射電路5.4 超聲波接收電路5.5 超聲波接收過程5.6 接收數(shù)據(jù)處

8、理第6章總結(jié)致 謝參考文獻附錄1原理圖附錄2主要源程序誠信聲明XLV第1章 緒 論1.1 課題設計目的及意義1.1.1設計的目的隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波在測距中的應用越來越廣。但就目前的急速水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領域。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因此超聲波經(jīng)常用于距離測量，如超聲波測距和物位測量等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器。研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足

9、水中武器實施全隱蔽攻擊的需求；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖拽線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；研制更適合與前還工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；搭理降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。毋庸置疑，無線的超聲波測距將于自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距。隨著測距儀的技術(shù)進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。1.1.2設計的意義由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護、不污染

10、、高可靠、長壽命等特點，所以超聲波測距系統(tǒng)主要應用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場中的液位、井深、管進長度測量等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)有著很大的現(xiàn)實意義。對本課題的研究與設計，還能進一步提高自己的電路設計水平，深入對單片機的理解和應用。1.2 國內(nèi)外研究動態(tài) 國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)一些學者也作了相關(guān)的研究。目前超聲波測距方法主要有三種：（1）相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限；（2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響；（3）渡越時間法：工作方式簡單，直觀?，F(xiàn)在對超聲波測距的精度主要取決于所測的超聲波傳輸時間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，

11、二者中以傳輸時間的精度影響較大，所以大部分文獻采用降低傳輸時間的不確定度來提高測距精度。溫度對傳感器的影響也很大，因此，需要用溫度傳感器進行校正，目前相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波換能器。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波換能器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波換能器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲

12、振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，擬應用以下三種技術(shù)： a、單片機技術(shù)：STC89C52系列的單片機具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)較為簡單，成本低廉，可以實現(xiàn)一般的控制功能的優(yōu)點。而且單片機更適用應用于小型的嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應用?，F(xiàn)代人類生活大部分電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。 b、超聲波測距技術(shù)：超聲波測距技術(shù)與一般測距技術(shù)相比，具有操作方便、系統(tǒng)簡單以及計算簡單的優(yōu)點。 c、顯示技術(shù)：數(shù)據(jù)處理，數(shù)碼管顯示測出與物體之間

13、的距離。 d、語音模塊技術(shù)：OTP芯片來語音播報距離。第2章 總體方案2.1 方案選擇 采用單片機來控制超聲波測距，信號線發(fā)射到與超聲波發(fā)射器相連的信號端，超聲波發(fā)射器向既定方向發(fā)射，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物將產(chǎn)生回波。2.2 超聲波測距儀的設計思路2.2.1 超聲波測距原理超聲波測距的方法有多種,如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限，聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本測距系統(tǒng)采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離l。設

14、l為測量距離，t為往返時間差，超聲波的傳播速度為c，則有l(wèi)=ct/2。超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。再由單機計算出距離，送數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。 超聲波測距的算法設計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15時）。是接收超聲波時刻，是超聲波聲波發(fā)射時刻，得出的是一個時間差的絕對值，假定=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下： 如圖2-1為測距原理。圖2-1測距原理因為/2角度較小,可以忽略不計，所以LS。 超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下： (2-1)由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫

15、度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米秒。表2-1列出了幾種溫度下的聲速。表2-1 聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度）3020100102030100聲速（米秒）313319325323338344349386在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速c是基本不變的，計算時取c為340m/s。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進算法的方法來加以校正。2.2.2 超聲波測距原理框圖 超聲波測距模塊用HC-SR04，微處理器使用STC89C52單片機，顯示部分采用共陽數(shù)碼管。HC-SR04集成的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波

16、，遇到障礙物產(chǎn)生回波，被接收電路模塊接收，STC89C52單片機統(tǒng)計出聲波傳輸所用時間，經(jīng)過溫度補償溫，計算出正確的待測距離，同時OTP語音芯片根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)處理進行組合播報當前測試距離，并且由數(shù)碼管顯示。圖2-2 超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3 使用元件選擇由于測量距離的精度和長度要求不是很高，精度達到2cm，測量距離達到2m即可，因此超聲波模塊選用價格低廉且實用的HC-SR04即可。 控制核心部分選擇實用的STC89C52單片機即可滿足計算和控制要求。溫度補償?shù)臏囟葌鞲衅鬟x擇普遍且實用的DS18B20。 語音播報:此系列語音芯片是技針對市場推出的一款具有PWM輸出的OTP語音標準芯片。共有3個I

17、O口，外圍最低僅需要一個104電容就可以穩(wěn)定的工作，產(chǎn)品方案成本極低。此語音芯片內(nèi)置電阻，沒有外圍元件，外圍電路只要一個104電容。整個方案的費用為您節(jié)省30%-50%左右 顯示部分:選擇了四位數(shù)碼管。第3章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計3.1 STC89C52單片機的功能及特點 STC89C52單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。 3.1.1 主要特性 增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。 工作電壓：5.5V3.3V（5V單片

18、機）/3.8V2.0V（3V單片機） 工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051的 080MHz，實際工作頻率可達48MHz 。 用戶應用程序空間為8K字節(jié)。 片上集成 512 字節(jié)RAM。 通用I/O口(32個)復位后為:P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉,P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。 ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器無需，專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒可完成一片。 具有EEPROM功能。 具有看門狗功能。 共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時

19、器T0、T1、T2。 外部中斷4路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 。 通用異步串行口（UART）,還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。 工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級）/075（商業(yè)級）。3.1.2 工作模式掉電模式：典型功耗<0.1A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序。 空閑模式：典型功耗2mA典型功耗。正常工作模式：典型功耗4Ma7mA典型功耗。掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設備。3.1.3 引腳功能說明 VCC（40引腳）：電源電壓VSS（20引腳）：接地 P0 端口（P0.0

20、P0.7，3932引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O 口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負載，對端口P0寫入每個引腳能驅(qū)動寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線 位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在Flash ROM編在程時，P0端口接收指令字節(jié)端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。 P1端口（P1.0P1.7，18引腳）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向 I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方

21、式）4個TTL輸入。對端 口寫入1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。 此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體參見下表：在對Flash ROM編程和程序校驗時,P1接收低8位地址。表3-1 P1.0和 P1.1引腳復用功能引腳號功能特性P1.0T2(定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P101T2EX（定時器/計數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制） P2端口（P2.0P2.7，2128引腳）：P2口

22、是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會 輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。 在對Flash ROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口（P3.0P3.7，1017 引腳）：P3是一個帶內(nèi)

23、部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。 在對Flash ROM 編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。 P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復用功能，如下表所示：表3-1 P3口引腳復用功能引腳號復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6（外部

24、數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST（9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作?？撮T狗計時完成后，RST 引腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功 能無效。DISRTO 默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 ALE/ ROG（30 引腳）地址鎖存控制信號 ：（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳（ROG）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而

25、，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE 脈沖將會跳過。圖3-1 STC89C52引腳圖3.2單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。 對52系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。3.2.1 單片機最小系統(tǒng)電路介紹 52單片機最小系統(tǒng)復位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用1030uF，51單片機最小系統(tǒng)容值越大需要的復位時間越短。 52單片機最小系統(tǒng)晶振Y1也可以采用12MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻

26、率越大處理速度越快。 52單片機最小系統(tǒng)起振電容C2、C3一般采用1533pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好4.P0口為開漏輸出，作為輸出口時需加上拉電阻，阻值一般為10k。 設置為定時器模式時，加1計數(shù)器是對內(nèi)部機器周期計數(shù)（1個機器周期等于12個振蕩周期，即計數(shù)頻率為晶振頻率的1/12）。計數(shù)值N乘以機器周期Tcy就是定時時間t。 設置為計數(shù)器模式時，外部事件計數(shù)脈沖由T0或T1引腳輸入到計數(shù)器。在每個機器周期的S5P2期間采樣T0、T1引腳電平。當某周期采樣到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時，則計數(shù)器加1，更新的計數(shù)值在下一個機器周期的S3P1期間裝入計數(shù)器。由

27、于檢測一個從1到0的下降沿需要2個機器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個機器周期。當晶振頻率為12MHz時，最高計數(shù)頻率不超過1/12MHz，即計數(shù)脈沖的周期要大于2 ms。圖3-2單片機最小系統(tǒng)3.3 語音播報 語音模塊采用OTP語音模塊，此系列語音芯片是技針對市場推出的一款具有PWM 輸出的OTP 語音標準芯片。共有3個IO 口，外圍最低僅需要一個104 電容就可以穩(wěn)定的工作，產(chǎn)品方案成本極低。 此語音芯片內(nèi)置電阻，沒有外圍元件，外圍電路只需要一個104電容。整個方案的費用為您節(jié)省30%-50%左右。優(yōu)勢說明： 工作電壓2.2-5.5V，適用范圍很寬。輸出方式：PWM 此芯片是特定的

28、固定標準模塊，可以通過單片機最少2 個IO 口控制多達128段聲音任意調(diào)用和組合的語音標準芯片。通常最常用的制方式是3個IO，現(xiàn)針對此模式做一個詳細的原理說明，以方便調(diào)試。 BUSY：芯片工作時（播放聲音），輸出低電平，停止工作或者待機時，保持高電平； DATA：接受控制脈沖的腳位。收到幾個脈沖，就播放第幾個地址的內(nèi)容； REST：任何時候，收到一個脈沖的時候，可以使芯片的播放指針歸零（就是是DATA 的腳位恢復到初始狀態(tài)），同時即刻是芯片停止，進入待機狀態(tài)； 工作示例：例如現(xiàn)在需要播放第十段聲音。單片機控制原理是：先發(fā)送一個復位脈沖到RST（Rest）腳，接著發(fā)送10個脈沖到DATA 腳。芯

29、片即刻工作，播放第十段的聲音；如果需要播放第5段的聲音，則是先發(fā)送一個復位脈沖到REST 腳，接著發(fā)送5個脈沖到DATA 腳。芯片即刻工作，播放第5段的聲音。 3-3 語音播報電路3.4 顯示單元 本設計在接收端部分采用數(shù)碼管顯示模塊來顯示距離，圖3-3為數(shù)碼管顯示電路圖。圖3-6 顯示電路圖第4章 系統(tǒng)的軟件設計超聲波測距儀的軟件設計主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序需要有較復雜的計算（計算距離時），所以控制程序可采用C語言編程。4.1 主程

30、序流程圖軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，如圖4-1、圖4-2、圖4-3所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務子程序完成單方向超聲波的發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，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)，需要延時約0.1ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷1接收返回的超聲波信號。圖4-1主程序流程由

31、于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1s，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（4-1）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取20時的聲速為344m/s則有： （4-1）其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。測出距離后結(jié)果將傳給LCD數(shù)碼顯示約5s，同時測量距離送語音模塊播報。然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。4.2 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P1.1端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為20s左右，同時把計

32、數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確。圖4-2 定時中斷服務子程序圖4-3 外部中斷服務子程序超聲波測距儀主程序利用外中斷1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT1引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷1關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。第5章 超聲波測距接收5.1 HC-SR04模塊HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，其結(jié)構(gòu)簡單，使用單片機控制電路簡單容易，

33、而且價格便宜。該模塊包括超聲波發(fā)射、接收與控制電路。實物如圖5-1。圖5-1 HC-SR04模塊實物圖電氣參數(shù) HC-SR04模塊參數(shù)如下表5-1所示。表5-1 模塊參數(shù)電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC 5V工作電流15mA工作頻率40khz最遠射程4m最近射程2cm測量角度15°輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸入回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15cm基本工作原理采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)時間就是超

34、聲波從發(fā)射到返回的時間。超聲波時序圖超聲波時序圖如圖5-2所示圖5-2超聲波時序圖 以上時序圖表明只需要提供一個10us以上脈沖信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40khz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與測量的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離：距離=高電平時間*聲速（340m/s）/2。為防止發(fā)射信號對回響信號的影響，測量周期一般要60ms以上。模塊主要由Em78p153單片機、MAX232、TL074、超聲波傳感器：T40-16、R40-16組成。5.1.1 Em78p153單片機概況描述Em78p153是采用高速CMO

35、S工藝制造的8位單片機。其內(nèi)部有512*13位一次性ROM(OTPROM)。因此，用戶可以方便改進完善程序。程序代碼可用EMC編程器寫入芯片。有13位選項位可滿足用戶要求，其中的保護位可用來防止程序被讀出。功能特點工作電壓范圍：2.0V6.0V；工作溫度范圍：070；工作頻率范圍：DC8MHz；512×13位片內(nèi)ROM；32×8位片內(nèi)寄存器（SDRAM）；片內(nèi)有4MHz校準RC振蕩器；2個雙向I/O端口；8位實時定時/計數(shù)器（TCC），信號源、觸發(fā)沿可編程選擇，溢出產(chǎn)生中斷；掉電模式(SLEEP模式)；3個中斷源：TCC溢出中斷、輸入引腳狀態(tài)變化中斷、外部中斷；EM78P1

36、53為14腳封裝；封裝形式：SOP、SSOP和DIP。引腳分配Em78p153單片機引腳分配如圖5-3。圖5-3 Em78p153引腳圖5.1.2 MAX232MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。MAX232多用于串口通信，起到電平轉(zhuǎn)換的作用，而本設計只用到其電平轉(zhuǎn)換，將40kHz的方波由5V轉(zhuǎn)換成20V，提高發(fā)射功率。超聲波發(fā)射頭采用共振頻率為40kHz的TCT40-16探頭，接收頭采用RCT40-16。MAX232引腳圖芯片引腳如圖5-4。圖5-4 MAX232引腳圖引腳介紹第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6

37、腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道；8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。5.1.3 TL074常用的低噪聲JFET輸入運算放大器，引腳如圖5-5。圖5-5 TL074引腳圖 1、2、3腳是通道1的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，5、6、7腳是通道2

38、的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，8、9、10腳是通道3的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，12、13、14腳是通道4的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，4腳是正電源，11腳是負電源。TL074內(nèi)部組件數(shù)量如下表5-2所示表5-2 TL074組件電阻44晶體管56JFET6二極管4電容4epi-FET45.1.4 T40-16與R40-16為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：電氣方式產(chǎn)生超聲波, 主要包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式產(chǎn)生超聲波，主要包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相

39、同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。其內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片發(fā)生共振，帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。模塊使用T40-16T/R超聲波換能器即為壓電型。器件說明名 稱：壓電陶瓷超聲波傳感器；型 號：T40-16T/R；類 別：通用型；中心頻率：40KHZ；外 徑：16mm；使用方式：T為發(fā)射頭，R為接收頭，TR為收發(fā)兼

40、用；適用范圍：家用電器及其它電子設備的超聲波遙控裝置；超聲波測距及汽車倒車防撞裝置；液面探測；超聲波接近開關(guān)及其它應用的超聲波發(fā)射與接收。器件性能1.標稱頻率(KHz)：40KHz；2.發(fā)射電壓at10V(0dB=0.02mPa)：110dB；3.接收靈敏度at40KHz(0dB=V/ubar)：-70dB；4.靜電容量at1KHz,<1V(PF)：2000±30%；5.探測距離(m)：0.02-10。傳感器實物如圖5-5 所示。圖5-6 傳感器實物圖 HC-SR04模塊集成了發(fā)射和接受電路，硬件上不必再自行設計繁復的發(fā)射及接收電路，軟件上也無需再通過定時器產(chǎn)生40Khz的方波

41、引起壓電陶瓷共振從而產(chǎn)生超聲波。使用時，只要在控制端Trig發(fā)一個大于10us寬度的高電平,就可以在接收端Echo等待高電平輸出。單片機一旦檢測到有輸出就打開定時器開始計時。當此口變?yōu)榈碗娖綍r就停止計時并讀出定時器的值，此值就為此次測距的時間，再根據(jù)傳播速度方可算出障礙物的距離。5.2 T40、R40超聲波傳感器簡介5-7 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)5-8 元件外部結(jié)構(gòu)5.2.1 超聲波傳感器的基本介紹超聲波測距換能器是利用超聲波的特性研制而成的換能器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點

42、。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波換能器，或者探頭。超聲波換能器主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。5.2.2 超聲波傳感器的主要應用超聲波傳感技術(shù)

43、應用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學應用是其最主要的應用之一，下面以醫(yī)學為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應用。超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。在工業(yè)方面，超聲

44、波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波距離傳感器技術(shù)應用超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位（

45、液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報警等相關(guān)領域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。5.2.3 超聲波傳感器的工作原理超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。利用超聲波的特性，可做成各種超聲

46、傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應用。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（

47、其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電

48、路組成，換能器接收波產(chǎn)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超進行檢測.而實際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進行控制5.3 超聲波發(fā)射電路HC-SR04模塊內(nèi)部超聲波發(fā)射電路如圖5-6所示，主要由Em78p153單片機、MAX232及超聲波發(fā)射換能器T40組成。圖5-9 超聲波發(fā)射電路5.4 超聲波接收電路HC-SR04模塊內(nèi)部超聲波接收電路如圖5-3所示，主要由TL074運算放大器及超聲波接換能器R40組成。圖5-10 超聲波接收電路5.5 超聲波接收過程

49、 單片機初始化，HC-SR04內(nèi)部ECHO接口與單片機P1.1的引腳相連，發(fā)射接口TRIG與單片機的P1.2引腳相接。 單片機開啟中斷，單片機P1.1給“Trig”接口一個約為20us的高電平，經(jīng)過HC-SR04模塊內(nèi)EM78P153發(fā)送8個連續(xù)的40KHz脈沖的信號，經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換，提高發(fā)射功率。換能器將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射。 當單片機的給一個20us的觸發(fā)信號時，TRIG由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，TRIG=1，單片機開時計時，開啟中斷，并記錄時間為T1，接收換能器等待接收回波，ECHO持續(xù)為高電平的時間為發(fā)射時間。換能器接收回波將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號，送至單片機，記錄時間為T2。

50、超聲波發(fā)射的時間為：T2-T1,計算發(fā)射距離為： (5-1) 如果等待回波時間超過65ms時，則無法接收到回波，單片機初始化，重新發(fā)射接收下一次回波。 5.6 接收數(shù)據(jù)處理單片機初始化函數(shù)如下。 接收過程：上電后先進行初始化，主要是對各變量即定時器0進行初始化，然后單片機給Trig端一個約為20us的高電平，此后在Echo端等待一個高電平，一旦檢測到高電平，則立即打開定時器，開始計時。此后只要定時器0中的值不超過約為65ms（65.5536ms）的計時上限，則認為仍處在有效測量范圍內(nèi)，并未進入盲區(qū)，則在Echo等待低電平的產(chǎn)生，一旦檢測到低電平，立即讀出此時的TH0和TL0，并關(guān)閉定時器0。則

51、超聲波從發(fā)射到返回總共所用時間為：time=TH0*256+TL0(us),再根據(jù)超聲波常溫下(27)在空氣中的傳播速度，(約為344m/s)計算出障礙物的距離，在數(shù)碼管上進行動態(tài)的實時顯示即可。參考資料1 張國熊. 測控電路M. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.2 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎M. 北京：高等教育出版社，2004.3 侯媛彬等. 凌陽單片機原理及其畢業(yè)設計精選M. 科學出版社，2006.4 李建忠. 單片機原理及應用M. 西安：西安電子科技大學出版社，2008. 5 霍孟友等. 單片機原理與應用M. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.6 高惠芳.單片機原理及系統(tǒng)設計 杭州電子科技大

52、學電子信息學校，20097 王安敏,張凱基于STC89C52 單片機的超聲波測距系統(tǒng) 儀表技術(shù)與傳感器8 張珩，劉亞杰STC89C52 超聲波測距倒車防撞報警系統(tǒng) 現(xiàn)代電子技術(shù)9 彭偉.單片機C語言程序設計設計實訓M.西安：電子工業(yè)出版社，2009.10 徐江海.數(shù)碼管顯示電路設計制造M.合肥：機械工業(yè)出版社，2003.11 Maurice Wilkes.Progress in Computers.Prestige Lecture delivered to IEE, Cambridge, on 5 February 2004附 錄附錄1原理圖附錄2主要源程序#include <reg52.h> /頭文件#include <intrins.h> / 延時 _crol_函數(shù) 的文件#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar Slong=30; / 報警距離值 如果需要修改報警距離，則改此處數(shù)值就可。void delay(uint); /聲明延時子函數(shù)int m; /定義變量muchar a=0; /定義變量a。 初始值為0；uchar z,value=0;unsigned int time=0;unsigne