超声波测距-电路-论文.doc

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2.5m，测量精度1cm，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。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，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，起到智能操作，实时监控报警 10cm 的作用。
关键词 单片机AT82S51 超声波  传感器  倒车雷达

一、 硬件设计方案
设计思路 
超声波传感器及其测距原理 
二、 超声波测距原理
　　1、 超声波发生器
　　为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：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。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
　　2、压电式超声波发生器原理
　　压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
　　3、超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。

表1 声速与温度关系表
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速（米/称）
313
319
325
323
338
344
349
386

　　三、 超声波测距系统的电路设计
　　本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用28脚PIC16F873，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。

　1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射
　　测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。
　　PUZEL： MOV 14H, #12H；超声波发射持续200ms
　　HERE： CPL P1.0 ；输出40kHz方波
　　NOP ；
　　NOP ；
　　NOP ；
　　DJNZ 14H，HERE；
　　RET
前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。

　　2、超声波的接收与处理
接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

　　前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下：
　　RECEIVE1：PUSH PSW
　　PUSH ACC
　　CLR EX1 ；关外部中断1
　　JNB P1.1, RIGHT ；P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序
　　JNB P1.2, LEFT ；P1.2引脚为0,转至左测距电路中断服务程序
　　RETURN：SETB EX1；开外部中断1

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，必须产生超生波和接收超声波。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，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TOF（time of flight）。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。因为超声波在标准空气中的传播速度为340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。
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。
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51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所示： 

超声波测距器系统设计框图
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AT89S51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引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0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。

二、 软件设计方案

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。
主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0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1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0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340 m/s则有：
d=(C*T0)/2 =170*T0/10000cm（其中T0为计数器T0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。主程序框图如下

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P1.0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12us左右，同时把计数器T0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T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。

三、 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Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（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4～8cm，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。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.27m～5m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。 
四、 心得体会：
超声波测距一个陌生的字眼，当选择它的时候我还不知道它的原理是什么，但我对这五个字很感兴趣，我知道雷达探测就是用的超声波原理。因为我喜欢所以我选择。
设计过程中所遇到的困难一个接一个，怎么发怎么收，采用什么蕊片，收到回波后怎么样计算。
问题一：发不出去
超声波发的40KHZ（通过程序调整占空比，发送，）
问题二：不知接没接到
65MS中断一次，发送40KHZ脉冲，然后查看电平变化
问题三：收到了怎么计算
d=(C*T0)/2 =170T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值）
问题四：算完怎么样送显
分级除法：100，10采用数码管动显
上述一些疑问我曾想过，但没想到做起来会那么困难。一步一个坎。一步一个脚印，最终到达了我想要的山顶。

附录1：（程序代码）

- 1 -

; USE BY :超声波测距器
; IC :AT89C51
; TEL :
; OSCCAL :XT (12M)
; display :共阳LED显示
;测距范围27CM-5M，堆栈在4FH以上，20H用于标志
;显示缓冲单元在40H-43H，使用内存44H、45H、46H用于计算距离
;
VOUT EQU P1.0
; 红外脉冲输出端口
speak equ p1.1
;**************************** ;中断入口程序
;****************************
ORG 0000H
LJMP START
ORG 0003H
LJMP PINT0
ORG 000BH
reti
ORG 0013H
RETI
ORG 001BH
LJMP INTT1
ORG 0023H
RETI
ORG 002BH
RETI

;* 主 程 序
START: MOV SP,#4FH
MOV R0,#40H ;40H-43H为显示数据存放单元（40H为最高位）
MOV R7,#0BH
CLEARDISP: MOV @R0,#00H
INC R0
DJNZ R7,CLEARDISP
MOV 20H,#00H
MOV TMOD,#11H
;T1为 T0为16位定时器
MOV TH0,#00H
;65毫秒初 MOV TL0,#00H
MOV TH1,#00H
MOV TL1,#00H
MOV P0,#0FFH
MOV P1,#0FFH
MOV P2,#0FFH
MOV P3,#0FFH
MOV R4,#04H
;超声波肪冲个数控制（为赋值的一半）
SETB PX0
SETB ET1
SETB EA
SETB TR1 ;开启测距定时器start1: LCALL DISPLAY
JNB 00H,START1
;收到反射信号时标志位为1
CLR EA
LCALL WORK;计算距离子程序
clr EA
MOV R2,#32h;#64H ;测量间隔控制（约4*100=400MS）
LOOP: LCALL DISPLAY
DJNZ R2,LOOP
CLR 00H
setb et0
mov th0,00h
mov tl0,00h
SETB TR1 ;重新开启测距定时器
SETB EA
SJMP Start1
;
;* 中断程序* *
;T1中断，发超声波用 ;T1中断，65毫秒中断一次
INTT1: CLR EA
CLR TR0
clr ex0
MOV TH0,#00H
MOV TL0,#00H
MOV TH1,#00H
MOV TL1,#00H
SETB ET0
SETB EA
SETB TR0 ;启动计数器T0，用以计
intt11:
CPL VOUT ;40KHZ
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
DJNZ R4,intt11
;超声波发送完毕，
MOV R4,#04H
lcall delay_250
;延时，避开发射的直达声波信号
SETB EX0
;开启接收回波中断
RETIOUT: RETI
;外中断0，收到回波时进入
PINT0: nop
jb p3.2,pint0_exit
CLR TR0 ;关计数器

CLR EA ;
CLR EX0 ;
MOV 44H,TL0
;将计数值移入处理单元
MOV 45H,TH0 ;
mov th0,#00h
mov tl0,#00h
jnb p3.2,$
SETB 00H ;接收成功标志
pint0_exit:
RETI
显 示 程 序
; 40H为最高位，43H为最低位，先扫描高位
DISPLAY: MOV R1,#40H;G
MOV R5,#7fH;G
PLAY: MOV A,R5
MOV P0,#0FFH
MOV P2,A
MOV A,@R1
MOV DPTR,#TAB
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DL1MS
INC R1
MOV A,R5
JNB ACC.4,ENDOUT;G
RR A
MOV R5,A
AJMP PLAY
ENDOUT: MOV P2,#0FFH
MOV P0,#0FFH
RET
TAB: DB 18h, 7Bh, 2Ch, 29h, 4Bh, 89h, 88h, 3Bh, 08h, 09h,0ffh
;共阳段码表 "0" "1" "2" "3" "4" "5""6" "7" "8" "9" "不亮""A""-"
; 延 时 程 序 *
;DL1MS:
push 06h
push 07h
MOV R6,#14H
DL1: MOV R7,#19H
DL2: DJNZ R7,DL2
DJNZ R6,DL1
pop 07h
pop 06h
RET
;***************************
; 距离计算程序 (=计数值*17/1000cm) *
;***************************
work: PUSH ACC
PUSH PSW
PUSH B
MOV PSW, #18h
MOV R3, 45H
MOV R2, 44H
MOV R1, #00D
MOV R0, #17D
LCALL MUL2BY2
MOV R3, #03H
MOV R2, #0E8H
LCALL DIV4BY2
LCALL DIV4BY2
MOV 40H, R4
MOV A,40H
JNZ JJ0
MOV 40H,#0AH
;最高位为零，不点亮
JJ0: MOV A, R0
MOV R4, A
MOV A, R1
MOV R5, A
MOV R3, #00D
MOV R2, #100D
LCALL DIV4BY2
MOV 41H, R4
MOV A,41H
JNZ JJ1
MOV A,40H ;次高位为0，先看最高位是否为不亮
SUBB A,#0AH
JNZ JJ1
MOV 41H,#0AH ;最高位不亮，次高位也不亮
JJ1: MOV A, R0
MOV R4, A
MOV A, R1
MOV R5, A
MOV R3, #00D
MOV R2, #10D
LCALL DIV4BY2
MOV 42H, R4
MOV A,42H
JNZ JJ2
MOV A,41H ;次次高位为0，先看次高位是否为不亮
SUBB A,#0AH
JNZ JJ2
MOV 42H,#0AH ;次高位不亮，次次高位也不亮
JJ2: MOV 43H, R0
POP B
POP PSW
POP ACC
RET
;* 两字节无符号数乘法程序
; R7R6R5R4 <= R3R2 * R1R0
;MUL2BY2: CLR A
MOV R7, A
MOV R6, A
MOV R5, A
MOV R4, A
MOV 46H, #10H
MULLOOP1: CLR C
MOV A, R4
RLC A
MOV R4, A
MOV A, R5
RLC A
MOV R5, A
MOV A, R6
RLC A
MOV R6, A
MOV A, R7
RLC A
MOV R7, A
MOV A, R0
RLC A
MOV R0, A
MOV A, R1
RLC A
MOV R1, A
JNC MULLOOP2
MOV A, R4
ADD A, R2
MOV R4, A
MOV A, R5
ADDC A, R3
MOV R5, A
MOV A, R6
ADDC A, #00H
MOV R6, A
MOV A, R7
ADDC A, #00H
MOV R7, A
MULLOOP2: DJNZ 46H, MULLOOP1
RET
四字节/两字节无符号数除法程序
;R7R6R5R4/R3R2=R7R6R5R4(商)...R1R0(余数);
DIV4BY2: MOV 46H, #20H
MOV R0, #00H
MOV R1, #00H
DIVLOOP1: MOV A, R4
RLC A
MOV R4, A
MOV A, R5
RLC A
MOV R5, A
MOV A, R6
RLC A
MOV R6, A
MOV A, R7
RLC A
MOV R7, A
MOV A, R0
RLC A
MOV R0, A
MOV A, R1
RLC A
MOV R1, A
CLR C
MOV A, R0
SUBB A, R2
MOV B, A
MOV A, R1
SUBB A, R3
JC DIVLOOP2
MOV R0, B
MOV R1, A
DIVLOOP2: CPL C
DJNZ 46H, DIVLOOP1
MOV A, R4
RLC A
MOV R4, A
MOV A, R5
RLC A
MOV R5, A
MOV A, R6
RLC A
MOV R6, A
MOV A, R7
RLC A
MOV R7, A
RET
delay_250:
push psw
push 07h
mov r7,#0ffh
delay_250_1:
nop
nop
nop
nop
djnz r7,delay_250_1
pop 07h
pop psw
ret
END

附录2：（电路原理图）