超声波测距毕业设计.doc

科毕业设计（论文）摘 要本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由AT89C51控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，用四位LED数码管切换显示距离和温度。整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。关键词：超声波；温度补偿；测距；数码管；单片机IIABSTRACTThe design introduces the principle of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMC-controlled: AT89C51 controls timers to produce the ultrasonic wave pulse and time,count the time of ultrasonic wave spontaneous emission to receive round-trip,thus obtains the measured distance.And the temperature compensation adjustment is used in the data processing, with four LED nixie tubes display distance or temperature by switching.The entire hardware circuit is composed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the power circuit, display circuit, and other modules. The probe signals are integrated analysised by SCMC to achieve the various functions of ultrasonic distance measurement instrument. Based on this has designed systems overall concept, final adoption of hardware and software to achieve the various functional modules. The relevant parts have the hardware schematics and process flow chart.It has given the system constitution, the circuitry and the programming. The instrument system has features: ease of control, stability of operation, highness of precision and distinctness of programme process ,etc. After the realization of the works can be used for needs of the various parameters measured distance applications.Keywords: Ultrasonic wave, Temperature compensation, Measure distance目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的意义11.3 论文结构22 超声波测距原理32.1 超声波简介32.2 超声波测距原理33 方案论证53.1 设计思路53.2 系统结构设计64 主要元件介绍74.1 单片机AT89C5174.2 超声波传感器T40、R4094.3 温度传感器DS18B20105 硬件电路设计115.1 超声波发射电路115.2 超声波接收电路115.3 显示电路125.4 电源电路125.5 复位电路136 软件设计146.1 主程序流程146.2 子程序设计177 软件调试及系统仿真207.1 软件编译调试环境Keil207.2 Keil工程文件的建立、设置与目标文件的获得207.3 系统仿真环境Proteus247.4 系统仿真257.5 误差及特性分析26结 论28参考文献29致 谢30附录1 整体电路图31附录2 实物图32附录3 程序清单341 绪论1.1 课题研究的背景人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题。毋庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。1.2 课题研究的意义在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。对那些测量不需要直接接触的，具有非常重要的意义。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。1.3 论文结构论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。第2章先就超声波测距的原理进行介绍，并提出了提高测距的精度的方案温度补偿，且描述了其具体补偿方式。第3章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，并得出了系统结构框图。第4章介绍了设计中需要用到的主要器件。第5章从单元硬件设计出发，对各部分电路进行说明。第6章先给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释。程序编译及系统仿真也是本文的一个要点，所以特别分出一章来详细介绍了程序编译的环境和编译的步骤以及仿真的环境和部分仿真的效果图。412 超声波测距原理2.1 超声波简介我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为15兆赫。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。在医学，军事，工业，农业上有明显的作用。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位。利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。2.2 超声波测距原理超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离D为 （2.1）式中 c超声波的传播速度； 超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。由上式可风，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1s,不会产生累积误差，使定时间达到1s。超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为 （2.2）式中 气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。 R气体普适常数，为8.314kg/mol。T气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。M气体相对分子质量，空气为28.810-3kg/mol。c00时的声波速度，为331.4m/s。由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系，如表2.1所示。温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0时的速度为332m/s，30时的速度为350m/s，相差18m/s。因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s。表2.1 超声波传播速度与温度关系表项目数值温度-30-20-100102030405060100声速/( m/s)3133193253323383443503563613673883 方案论证3.1 设计思路 测量距离方法有很多种，短距离可以用尺，远距离有激光测距等，超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。 目前比较普遍的测距的原理：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。 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。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。所以，8051是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C51单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用锁相环LM567对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；AT89C51还控制显示电路，用动态扫描法实现LED数字显示。3.2 系统方案设计中采用了两个方案：方案见方案一和方案二。方案一：利用分立模块的超声波测距仪系统包括超声波测距模组、LED显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分。超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，如图3.1所示。超声波的发射受主控制器控制（如图3.1所示）；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。语音模块由ISD2590语音集成模块组成。显示模块是一个8位段数码显示的LED；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。电源采用220V的AC电源输入，经变压滤波稳压管后得出5V的电源供系统各部分电路使用。图3.1 超声波测距模块组硬件框图优点：具有历史数据存储功能、出错管理功能。缺点：能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高。方案二：基于AT89C51单片机的超声波测距仪单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时 ，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。系统主要有几下部分组成（如图2.2所示）：LED显示模块、单片机系统、超声波发射模块、超声波接收模块、放大模块等六大模块组成。发射探头显示模块单片机处理单元发射电路目标物检测电路放大电路接收探头温度测量电路图3.2 超声波测距仪系统结构框图优点：双向测距，精度高，功耗低。在电路中我们采用单片机芯片它的优点是：精简指令使其执行效率大为提高。3.3 方案比较由于方案一设计电路简单，模块间可调节性较差，能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高，但优点：具有历史数据存储功能、出错管理功能，适用对精度，距离和效率要求不高的场合，而方案二通过模块化设计，模块间的可调性较好，设计的系统适应性很强，适用较复杂的环境，并且在精度和测量效率、稳定性高上高于方案一，所以此次选择方案二。4 主要元件介绍4.1 单片机AT89C51单片机即单片微型计算机SCMC（Single Chip MicroComputer）。它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器EMCU（Embedded Microcontroller Unit)。本设计的MCU采用的是DIP（Dual In-line Package塑料双列直插式）封装的AT89C51高性能8位单片机。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如右图4.1。AT89C51的引脚功能有： 图4.1 AT89C51的引脚图（1） 主电源引脚VSS第20脚，电路接地电平。VCC第40脚，正常运行和编程校验+5V电源。（2） 时钟源XTAL1第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。当直接采用外部信号时，此引脚应接地。XTAL1第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。（3） 控制、选通或复用RST/VPD第9脚，RESET复位信号输入端口。当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。在VCC掉电期间，此引脚(即VPD)可接通备用电源，以保持片内RAM信息不受破坏。第30脚，输出允许地址锁存信号。当单片机访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。在非访问外部存储器期间，ALE仍以1/6振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。第29脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 信号不出现。：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存端状态。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。（4） 多功能I/O端口P0口第3239脚，8位漏极开路双向I/O端口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口第18脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。P2口第2128脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。当单片机访问存储器时，用做高8位地址总线；在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。P3口第1017脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。它还提供特殊的第二变异功能。它的每一位均可独立定义为第一功能的I/O口或第二变异功能。第二变异功能的具体含义如表4.2：表4.2 P3口的第二变异功能端口引脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD （串行输入口）TXD （串行输出口） （外中断0） （外中断1）T0 （定时/计数器0）T1 （定时/计数器1） （外部数据存储器写选通） （外部数据存储器读选通）4.2 超声波传感器T40、R40超声波是指频率高于20kHz的机械波。超声波在恒定环境条件下的传播速度不变。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成接收器和发送器。超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成，当压电晶片的两极加上频率等于其固有谐振频率的脉冲信号时，压电晶片产生共振，并带动共振板产生振动，同时带动压电晶片也一起振动，将机械能转换为电能，称为超声波接收器。超声波传感器利用压电效应进行电能和超声波机械能的相互转换，也称为超声波换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志，但外观基本一致。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，其结构如图1所示，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工 图4.2 T40、R40外观 作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。本设计采用的就是发送超声波传感器T40及接收超声波传感器R40,其外观如图4.3。4.3 温度传感器DS18B20温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而增加）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而下降）。本设计采用的是美国Dallas 半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。DS18B20支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20采用3脚PR-35封装（图4.4）： DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下：（1）适用电压为3V5V；（2）912位分辨率可调，对应的可编程温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625；（3）TO-92、SOIC及CSP封装可选；（4）测温范围：-55125；（5）精度：-1085范围内0.5；（6）无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起；（7）每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。图4.4 PR-35封装图5 硬件电路设计5.1 超声波发射电路超声波发射电路原理图如图5.1所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。74HC04是高速的硅栅CMOS器件并兼容低功耗肖特基的TTL。内含6组相同的反相器，即1A输入高电平，1Y输出低电平六反相器，功率60mW。能够驱动T40这样标称频率为40KHz，发射声压110dB，静电容量at1KHz,1V (PF)：200030%，探测距离（m）：0.2-10的超声波发射传感器，且满足设计要求。R1和R2的阻值都为1K。图5.1 超声波发射电路原理图5.2 超声波接收电路超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求。LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。其5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f21/1.1RC。其1、2脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。2脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。1脚所接电容的容量应至少是2脚电容的2倍。3脚是输入端，要求输入信号25mV。8脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的3脚输入幅度25mV、频率在其带宽内的信号时，8脚由高电平变成低电平，2脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的2脚输入音频信号，则在5脚输出受2脚输入调制信号调制的调频方波信号。在图的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后8脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。由于发送的超声波频率为40kHz，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为40kHz，只响应该频率的信号，避免了其他频率信号的干扰。当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz，则从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V. 低偏置电流：最大100nA。接收灵敏度at40KHz (0dB=V/ubar)：-70Db。超声波接收电路如图5.2所示。图5.2 超声波接收电路5.3 显示电路显示电路如图5.3，四位LED共阴极数码管组成动态扫描电路，由AT89C51的P0口输出。动态扫描时，由P2口控制LED的当前显示位。当距离测量结束并调用显示程序，就会显示距离大小，显示两位小数。当按下按键k2时，将会显示温度值，延时5s后恢复显示距离值。驱动电路采用四个PNP型三极管2N2905，使电路简单，易于联接，且使单片机输出的1mA的电流放大到约为10mA来驱动数码管。图5.3 显示电路5.4 电源电路电源电路如图5.4所示。为方便起见，本设计采用的是9V电池供电，直流电送入三端稳压器LM7805稳压，输出+5V稳恒直流电，作为电路的电源。LED是电源指示灯，通电后发光。图5.4 电源电路5.5 复位电路AT89C51复位有一个专用的外部引脚RESET，外部可通过此引脚输入一个正脉冲使单片机复位。所谓复位，就是强制单片机系统恢复到确定的初始状态，并使系统重新从初始状态开始工作。本设计采用的是电平式开关与上电复位电路，为了能使运行中的系统，经人工干预，强制系统进行复位。其电路图如5.4所示：图5.4 复位电路6 软件设计6.1 主程序流程我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。因为本设计对时间要求精度较高的部分全部由单片机内部的定时器完成，而虽然温度传感器的读写对时间精度要求也高，但经详细计算所得出的C程序已被广泛应用，故直接借用已有程序也能作到对温度的准确读取，所心本设计全部使用C语言编程，这样能使设计中所用到的公式能方便快捷的体现和实现，又缩短了论文的篇幅。软件采用模块化设计方法，由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断子程序、温度测量子程序、距离计算子程序、显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成。系统上电后，首先系统初始化，不断扫描按键k1，若按键k1按下，则开始测量空气温度，然后将P1.0置位，使定时器T0开始定时，控制超声波传感器发出超声波，同时使定时器T1开始定时。CPU循环检测P3.3引脚，当P3.3为低电平时接收到回波，立即使T1停止工作，保存定时器的计数值。然后根据温度和传输时间计算距离，温度补偿措施使测量精度有了明显提高，计算出距离后调用距离显示子程序，LED显示距离。最后检测按键k2，若k2闭合，则调用温度显示子程序，LED显示温度（温度并非测量距离时用于补偿的温度，而是当前温度）5s后恢复显示本次测量距离；若按键k2没有闭合，则显示器恒定显示最新一次的测量结果；若要进行下一次测量，则先要按下k3重新开始，再按下按键k1才执行新一次测量。由于不需输入数据，键盘只设置了3个按键，用于开始测量距离并显示温度功能设置等。软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图6.1（a）、（b）、（c）所示。主程序完成初始化工作、超声波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成三个方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。 图6.1(a) 主程序流程图 读取温度 测得声速 发送超声波 开始 初始化标志位是否为1 显示距离 保持显示否是程序开始进入初始化状，然后读取温度，判断标志位是否为1，如果为1，则测得声速，发送超声波，显示距离，保持显示一段时间，结束后又返回读取温度如此接着循环；如果不为1，直接显示距离为错误信号，然后保持显示，接着又循环到读取温度。外部中断入口关外部中断读取时间值计算距离结果输出返回开外部中断复位DS18B20启动温度转换读取16位温度值对温度值求补码得到原码置标志位返回图6.3（b）外部中断子程序 图6.3（c）温度检测子程序外部中断子程序接到中断信号，关闭外部中断，读取时间值，然后计算距离，输出计算结果，然后给标志位置1，重新打开外部中断等待下个中断信号，然后返回主程序。温度检测子程序先复位DS18B20温度传感器，启动温度转换，读取16位温度值，对温度值求补码得到原码，最后返回主程序。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距仪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。由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计1个数就是1s，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）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设取20时的声速为344 m/s则有：d=（c*t）/2=172T0/10000cm 其中，T0为计数器T0的计算值，测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离14，主程序采用C语言编写。6.2 子程序设计6.2.1 超声波发送子程序及接收中断子程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T1打开进行计时，定时器T1工作在方式0。超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T1停止计时，并将测距成功标志字赋值1。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T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成功。T0中断服务程序如下：sbit send=P10;void timer0(void)interrupt 1 send=!send; TH0=0x1f; TL0=0xf4;超声波接收（外部中断1）程序：void int1(void)interrupt 2 if(TH1!=0x00&TH0!=0x00) b=1;