绵阳师范学院学报审稿时间

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摘 要 IABSTRACT（英文摘要） II目 录 IV第一章 引 言 课题的提出 超声波测距发展概况 本课题研究内容及科学意义 3第二章 超声波测距技术综述 超声及超声传感器简介 超声概述 超声传感器结构 超声传感器的主要参数及选择 超声测距原理与方法 测量盲区的影响 本章小结 13第三章 硬件系统设计 方案论证 凌阳61板简介 功能区分与工作原理 系统各模块工作原理 超声波测距模组简介 超声波谐振频率发生电路、调理电路 超声波回波接受处理电路 超声波模组电源设置 LED键盘模组简介 硬件系统设计说明 系统设计 硬件原理图 系统连接 本章小结 26第四章 软件系统设计 主程序设计 超声波测距程序设计 本章小结 31第五章 试验结果与改进 系统调试 试验结果分析 试验结果 误差分析 系统改进方法 本章小结 38结论 39参考文献 41致谢 44附录一 45附录二 46附录三 47

目前国内超声波测距器的设计大多采用汇编语言设计。由于单片机应用系统的日趋复杂，要求所写的代码规范化，模块化，并便于多人以软件工程的形式进行协同开发，汇编语言作为传统的单片机应用系统的编程语言，已经不能满足这样的实际需要了，而C语言以其结构化和能产生高效代码满足了这样的需求，成为电子工程师进行单片机系统编程时的首先编程语言。在本设计中，由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的距离计算又要求精确计算超声波测距时程序运行的时间，所以本设计采用C语言和汇编语言混合编程来实现。本文论述的是一种基于AT89C52单片机的超声波测距器，可用于汽车倒车等场合⋯。1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。要求测量范围在0．10—5．00 m，测量精度lem，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。2设计思路2．1超声波及其测距原理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，习惯上称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，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOt(time of fliight)。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声源与障碍物之间的距离。测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波收稿日期：2008-04-08作者简介：周功明(1963一)，男，副教授，主要研究方向：电子信息科学技术。·50· 绵阳师范学院学报(自然科学版) 第27卷在标准空气中的传播速度为331．45粑秒，由单片机负责计时，单片机使用12．0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现【7】。2．2超声波测距器的系统框图根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C52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，超声波测距器的系统框图如下图l所示¨2|：3系统组成3．1硬件部分主要由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组成。采用AT89C52来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40—10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1．0引脚经反相＼超声波接收E ：， LED显示单片机r／＼Z ∑超声波发送高控制器：> 扫描驱动图1 超声波测距器系统设计框图Fig．1 Ultrasonic eLangi．g system design diagram器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离¨≈J。3．2软件部分主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。4系统硬件电路设计4．1单片机系统及显示电路单片机采用AT89C52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P1．0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断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，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图2所示‘1。31。图2单片机及显示电路原理图Fig．2 MCU and display circuit schematics第8期周功明等：基于AT89C52单片机的超声波测距器设计·51．4．2超声波发射电路原理图压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构如图3‘3Ⅲ1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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PI．O将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器；如没加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收转换器。超声波发射转换器与接收转换器其结构稍有不同。4．3超声波检测接收电路图3发射电路原理图参考红外转化接收电路，本设计采用集成F‘g·3 U1‘ms。nie劬啪mi‘妇c‘咖1‘∞hem蚯c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，可以利用它作为超声波检测电路。如图4【3 J[71超声波检测接收电路原理图所示，适当改变C4的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。⋯． J。j-二5系统程序设计超声波测距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及显示子程序组成。下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。5．1超声波测距器的算法设计GND图4超声波检测接收电路原理图Fig．4 Ultrasonic receiver and detection circuit schematic图5【_列示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接收返回信号所用的时问，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离计算公式：d=s／2=(c木t)／2，其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。图5超声波测距原理图Fig．5 Ultrasonic Ranging schematic声速c与温度有关(见表1)，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度补偿。这里可以用DSl8820测量环境温度，根据不同的环境温度确定一声速提高测距的稳定性。为了增强系统的可靠性，可在软硬件上采用抗干扰措施。表1不同温度下的超声波速表Table I Under different temperatures ultrasonic velocity Table·52· 绵阳师范学院学报(自然科学版) 第27卷5．2主程序主程序首先对系统环境初始化，设置定时器1D工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端Po和P2清0。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，需延迟0．1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为lus，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器哟中的数(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仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为344 m／s则有：d=(C木TO)／2=172T0／10000cm(其中，ID为计数器，ID的计数值)。测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED，然后再发超声波脉冲重复测量过程。主程序框图如图6所示。5．3超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生子程序的作用是通过PI．0端口发送2个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12 US左右，同时把计数器，ID打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号(INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器，ID停止计时，并将测距成功标志字赋值l。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rID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H旬J。5．4超声波测距器的部分程序清单／宰超声波测距器弹片机c程序使用Keil C51 ver 7．09。木／#include#define uchar unsigned int#define uint unsigned int#define ulong unsigned longExtem void ca_t(void)；Extem void delay(uint)；Extem void display(unchar)；Data unehar testtok；／木超声波测距器主程序术／Void main(void){data unchar dispram[5]；data uint i；data ulong time；p0=0xff；pl=0xff；TMOD=0X11：IE=0x80；While(1){．“}开始系统初始化发送超声波脉冲等待发射超声波计算距离显示结果0．5s图6主程序框图diagram of the main program第8期周功明等：基于AT89C52单片机的超声波测距器设计·53·6软硬件调试超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用中15的超声波换能器TCT40一IOFl(T发射)和TCT40—10S1(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—8 cm，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。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∞】【71。7 结束语本文设计的是基于AT89C52单片机的超声波测距器，可应用于汽车倒车等场合，提醒驾驶员倒车时有效的避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人，从而有效避免由于倒车造成的汽车碰撞或擦伤经济损失和人身安全问题。具有较强的实用性。参考文献：[1] 周功明．基于AT89C2051弹片机的防盗自动报警电子密码锁系统设计[J]．绵阳师范学院学报，2007，26(5)：112—116．[14]张齐．单片机应用系统设计技术一基于c语言编程[M]．北京：电子工业出版社，2006．李光飞．单片机c程序设计实例指导[M]．北京：航空航天大学业出版社，2005．楼燃苗，李光飞．51系列单片机设计实例[M]．北京：航空航天大学业出版社，2003．Zhongbo Li．Electronic 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期刊名称： 绵阳师范学院学报期刊汉语拼音： Mianyang shifan xueyuan xuebao期刊外文名： Journal of Mianyang Normal University刊 期： 月刊（1、3、4、6、7、9、10、12期为社会科学版;2、5、8、11期为自然科学版）创办日期： 1982年主管部门： 四川省教育厅主办单位： 绵阳师范学院编辑： 绵阳师范学院学报编辑部编辑部通信地址： 四川省绵阳市仙人路1段30号邮政编码： 621000国内统一刊号： CN51-1670/G国际标准刊号： ISSN1672-612X发行范围： 国内外订购处： 绵阳师范学院学报编辑部印刷装订： 绵阳市魏城彩印厂国内定价： 元出版日期： 每月15日编辑团构成主 编： 苏智先常务副主编：魏成富副主编： 冯源编委会主任： 苏智先编委会主任： 苏智先副 主 任： 魏成富 冯 源文 科 编 辑：王崇铮 邹建雄 孔明玉理 科 编 辑： 陈桂芳 向 波编 务 人 员： 杨清新