1、 密级： 公开 科学技术学院 NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR （ 2009 2013 年） 题 目 基于 AT89S52 单片机的超声波测距 的设计 学 科 部： 信息学科部 专 业 ： 通信工程 班 级： 通信 091 班 学 号： 7023809033 学生姓名： 江文祥 指导教师： 吕金甫 彭岚峰 起讫日期： 2012 年 11 月 26 日 2013 年 5 月 26 日 目 录 摘要 .I Abstract. II 第一章 引言 . 1 1.1 单
2、片机应用系统概述 . 1 1.2 超声波测距 系统概述 . 2 1.3 本设计的主要内容及课题研究方案 . 2 第二章 超声波的原理 . 4 2.1 超声波概述 . 4 2.2 压电式超声波传感器原理及特性 . 5 2.3 超声波测距系统原理 . 6 第三章 系统主要硬件设计 . 8 3.1 电路工作原理及设计 . 8 3.2 主要元器件介绍 . 8 3.2.1 单片机 AT89S52 . 8 3.2.2 芯片 CX20106 介绍 . 10 3.3 单片机主机电路系统 . 12 3.3.1 单片机电路 . 12 3.2.2 复位电路 . 12 3.3.3 时钟电路 . 13 3.3.4 蜂鸣
3、器电路 . 13 3.3.4 超声波发送电路 . 14 3.3.5 超声波接收电路 . 14 3.3.6 显示电路 . 15 第四章 系统软件设计 . 18 4.1 超声波的软件原理 . 18 4.2 主程序流程表 . 18 第五章 超声波测距的误差分析 . 20 5.1 测量结果 . 20 5.2 误差分析 . 20 结 论 . 21 参考文献（ References） . 22 致 谢 . 23 附录 I 原理图 . 24 附录 II 源程序 . 25 I 基于单片机 AT89S52 的超声波测距的设计 专业：通信工程 学号： 7023809033 学生姓名：江文祥 指导老师 :吕金 甫、
4、 彭岚峰 摘要 ： 随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来 越高。在社会生活中应用超声波测距技术已很广泛，如汽车倒车雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，因而超声测距技术的研究和开发具有实际意义。 本文介绍了一种利用超声波测距的系统，该系统是一种基于 AT89S52 单片机的超声波测距系统，它根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。通过单片机的 I/O 口 控制超声波
5、发射电路发出40KHz 的超声波，反射波经由超声波检测接收电路、放大电路送入单片机外部中断端，通过计算超声波的发射和返回的时间，确定超声波发生器和反射物体之间的距离，完成测距。该系统可实现 3 米内测距，盲区 20 厘米。 关键词 ： 超声波，单片机，数码管显示，测距，误差分析 II Desgin of UI trasonic Tester Based on the AT89S52 Abstract： With the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasin
6、g. It is applied widely by ultrasonic to measure distance,such as cars reversing radar， range finder and level measurement and so on.Because of the strong point of ultrasonic, low energy consumption,long distance transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultr
7、asonic. In this paper ,it introduces a system to measure distance by ultrasonic,which is based on the AT89S52.The theory is based on the principles of reflection of ultrasonic spreading in the air. The system uses ultrasonic sensors as a detector, and applies MCU and the time difference of ultrosoni
8、c spreading in the air to measure the distance. The system consists of the main controller module, ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module and display module. The MCU I / O port controls ultrasonic transmitter to send 40 KHz ultrasonic, and the reflecting singal is received by the
9、ultrasonic receiver circuit, and it is amplified,and finally,it starts the interruptor of the MCU.The MCU calculates the time of launch and return of ultrasonic to get the disctance between the ultrasonic generator and the reflective objects. The range of measurement is within four meters,with the b
10、lind spot of 20 cm. Keyword： ultrasonic ranging, single-chip,LED display, Distance measuremen, error analysis 1 第一章 引言 1.1 单片机应用系统概述 单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域 通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展 ,并正在深深地改变着我们的社会，超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸 如工业自动控制，建筑工程测量
11、和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用 1。和其他方法相比，如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。 嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的 IT 应用之一。嵌入式系统的应用可以使传 统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命 ” 的现代化智能系统。嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的
12、设备中，单片机作为嵌入式系统的核心部件，其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果，常常无需对硬件资源做任何改动，只需更新系统软件就能使系统功能升级。现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域，主要可以归纳为以下几个方面。 1、 军事装备：各种武器控制 (火炮控制、弹道控制、炮弹引信等 )，坦克、舰船、轰炸等各种电子装备，雷达、电子对抗、军事通讯装备等。 2、 家用电器：各种家电产品，如数字电视、机顶盒、数码相机、 VCD、 DVD、可视电话、洗衣机、电冰箱、手机、智能玩具等。 3、 工业控制：各种智能仪器仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统
13、、工业机器人、机电一体化设备、汽车电子设备等。 4、 商用设备：各种收款机、 POS 系统、电子秤、条形码阅读器、商务终端、 IC 卡输入设备、自动柜员机、防盗系统等。 5、 办公用品：复印机、打印机、传真机、扫描仪、手机、个人数字助理 (PDA)、变频空调设备、通信终端、程控变换机、网络设备等。 6、 医疗电子设备：各种医 疗电子仪器，如 X 光机、超声诊断仪、心脏起搏器、监护仪器等，以及辅助诊断系统、专家系统等。 单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如下： 2 图 1.1
14、设计步骤 1.2 超声波测距系统概述 在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。由于超声波 具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，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 2。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影
15、响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提 高超声波测距的精度，具有较大的现实意义。 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的传播时间，用软件来计算出距离，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。 距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决
16、的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测 ，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离 3。 1.3 本设计的主要内容及课题研究方案 3 本课题主要内容是设计一个超声波测距系统 ,由于 超 声 波 在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差 ，最终 计
17、算出发射点到障碍物的实际距离 。 1、 超声波测距仪设计要求如下： (1) 测量距离 6m； (2) 精度优于 1%； (3) 显示方式采样数码管； (4) 具有抗干扰能量； (5) 体积小、功耗低、便于嵌入到其他系统。 2、 硬件电路的设计 (1) 方案的论证 ; (2) 元件的选择 ; (3) 用 Altium designer 绘制原理图。 3、 系统的 PCB 制作 (1) PCB 布局布线； (2) PCB 实验板的焊接。 4、 系统软件 的编写 (1) 软件的编写和编译检查； (2) 基于 Proteus 的软件仿真。 5、 误差分析 (1) 误差的分析； (2) 改进。 课题研究
18、方案是根据设计要求并综合各方面因素，采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，本设计要进行近距离测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器 压电式超声波换能器 4。 4 第二章 超声波的原理 2.1 超声波概述 声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到 18 世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界
19、存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率 (约 20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声 5。对于液体介质，只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。 声速是随着介质及其状态 (如温度 )的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为 334m/s，在水中的声速约为 1440m/s，而在钢铁中约为 5000m/s。除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增
20、加。 声速与介质的许多特性有关，有的关系非常直接，可有精确的理论公式，有的关系比较间接而复杂，但在特定条件下，也可建立一些经验公式，例如介质的成分、混合物的 比例、溶液的浓度、某些液体的比重等，都可以与声速建立一定关系，这样就可以通过声速来测定这些特性参数。由于介质的温度、压强和流速等状态参量的变化都会引起响应的声速变化，因此出现了超声温度计和超声流量计等。在声速已知的介质中，可以利用身波传播距离 L 和传播时间 t 的关系 L=vt，进行超声测距，超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。 声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分透射过界面
21、，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。 由物理学可知 ，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波型相同时，波速相同，入射角度等于反射角。当波在界面处生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比。 超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传声介质的密度 与声速 c 的乘积，用 Z 表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利 (rayl)。 超声波在弹性介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生
22、原因 可分为三个方面 : (1) 由于波前的扩展而产生的能量损失； (2) 超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减； 5 (3) 由于介质内耗所产生的吸收衰减。 2.2 压电式超声波传感器原理及特性 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，或者超声波探头。压电式超声波传感器如图 2.1 所示。 图 2.1 超声波传感器结构图 压电式超声传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转 换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器
23、分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效应 6。 逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反 向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，品体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体藕合到
24、弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。 正压电效应是指当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能 (即声能转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为接收 换能器。 压电 晶片 共振板 电极 6 超声波传感器的基本特性分为频率特性。 图 2.2是超声波的频率特性曲线。图中， f0为超声波发射器的中心频率，在 f0处，超声波发射器产生的超声机械波最强，也就是说，在 f0处所产生的超声波声压能级最高。而在 f0两测，声压能级迅速
25、减小。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的 f0的交流电压来激励。由图知， f0为中心频率，曲线在 f0处最尖锐，输出电信号的幅度最大，信号 f0处接收灵敏度最高。因此超声波接收器具有很好的频率选择特性，在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外，超声波接收器的频率特性和输出端 外接电阻有很大关系，如果 R很大， (如大于 100K)频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果 R较小， (如小于 10K)频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽，同时灵敏度也随着降低。并且最大灵敏度向着稍低的频率移动 7。因此，超声波接收器应于输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的
26、接收灵敏度。 图 2.2 超声波发射传感器的发射频率特性 2.3 超声波测距系统原理 在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽 度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 1、 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 2、 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t， 所以 被测距离 的 为S=1 2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。 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。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 331.45 米 /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。 120 110 100 80 70 0 灵敏度 KHZ f=40KHZ
