基于单片机控制的超声波测距系统设计与实现.doc

杭州电子科技大学本科毕业设计
基于单片机控制的超声波测距系统设计与实现

诚 信 承 诺

我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《基于单片机控制的超声波测距系统地设计与实现》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

摘 要
超声波测距在社会生活中已经有广泛的应用如汽车倒车雷达等。本文主要研究了一种基于单片机微处理器的超声波测距仪。该仪器以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。本文阐述了仪器研制的理论基础，介绍了具体的软硬件设计以及相关情况。
该系统的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。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组成。利用单片机AT89C2051对超声波接收信号进行处理（通过一定的算法），并将它显示到LED上。单片机程序使用KEIL设计并调试。

关键词：超声波；测距系统；单片机

ABSTRACT
The technology of measuring distance by ultrasonic signal is widely used in many
social fields, such as backing -car radar and so on. This paper primarily investigats a kind of ultrasonic range finder based on microprocessor. This device can measure certain distance with reflected wave on condition that the speed of transmitting wave is fixed. It generally specifies the theoretical foundation of the device, introduces the software and hardware design of the device and correlative things.
The part of the hardware of the system is mainly composed with the three parts as the microprocessor system and display circuit, the ultrasonic transmitting circuit and the ultrasonic receiving detection circuit.The part of software is mainly composed with main program, ultrasonic occurred sub routing, ultrasonic received interruption sub routing and display sub routing. Using the MCU AT89C2051，deals the signal of the ultrasonic(through some algorithm),and shows it on the LED.

Key words：ultrasonic ;ranging system ; microcontroller

目 录
1引言 1
2概述 2
2.1 超声与超声的应用 2
2.1.1 超声的产生 2
2.1.2 超声的发展史 2
2.1.3超声的分类 3
2.1.4超声声速的计算 3
2.1.5 使用超声波和使用激光测距的比较 4
2.2 超声波换能器的介绍 4
2.2.1超声波换能器的分类 4
2.2.2超声波换能器的基本原理 4
2.2.3超声波换能器的基本构造 6
2.3超声波测距电路原理 6
2.4 测量盲区 7
2.5 超声波的衰减 8
2.6 主要技术指标 9
2.7 总结 9
3 硬件电路设计 10
3.1 AT89C51和AT89C2051的区别 10
3.2 硬件电路的总体设计 12
3.3 测距原理 12
3.4 超声波测距系统的工作过程 13
3.5超声波测距部分硬件实现 13
3.5.1 单片机系统部分 13
3.5.2 显示部分 13
3.5.3 发射部分 15
3.5.4 接收部分 15
3.5.5 限制系统的最大可测距离的因素 16
3.5.6 硬件电路设计总结 16
3.6 用PROTEL绘制原理图 16
4 软件设计 18
4.1 总体方案 18
4.2 程序流图 18
4.3 模块说明 19
4.3.1 超声波测距仪的算法设计 19
4.3.2 主函数 19
4.3.3 超声波发生子程序和超声波接收子程序 20
4.3.4 显示函数 20
5．制作与调试 22
5.1硬件的制作与调试 22
5.2 软件的调试 22
5.3 软硬件结合调试 23
致谢 25
参考文献 26
附件一：超声波测距仪的程序 27
附件二：超声波测距仪的硬件原理图 30

1引言
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，页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页面，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。利用超声波测量就可以解决这些问题。
这些年来 ，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。
利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上机械波),借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因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声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。
超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。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。

2概述
2.1 超声与超声的应用
2.1.1 超声的产生
我们生活的世界充满了各种可听的声信号。在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，声学是最早发展的学科之一。我国两千多年前的先秦时期，在乐律和乐器的研究方面，对声学的发展作出了重要的贡献。在国外，19世纪，声学己成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。然而由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。
波是由某一点上开始的扰动所引起的,并按预定的方式传输或传播到其他点上。声波是一种弹性机械波，即机械振动在弹性媒质中的传播。按线性声学的观点，对声波产生的物理过程做如下定性描述。连续弹性媒质可以看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，当弹性媒质中的质点受到某种扰动时，此质点便产生偏离其平衡位置的运动，这一运动势必推动与其相邻质点也开始运动。随后，由于媒质的反弹作用，该质点及相邻质点又相继返回其平衡位置，但因质点运动的惯性，它们又在相反方向产生上述过程。如此，媒质中质点相继在各自的平衡位置附近往返运动，便将扰动以波动的形式传播到周围更远的媒质中去，形成声波。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。
现代声学已经涵盖了从Hz的频率范围，相当于从大约3小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动，即跨越了量级的宽广频段。
2.1.2 超声的发展史
超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。山于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。
20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万(Paul Langevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。
材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电祸合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。
2.1.3超声的分类
利用超声波易于获得指向性极好的定向声束，超声波在媒质中的反射、折射、衍射散射等传播规律与可听声波并无质的区别，超声在一般流体媒质(气体、液体)中的传播理论已较成熟。同时，当超声在媒质中传播时，由于声波和媒质之间的相互作用，使媒质发生一系列物理的和化学的变化，也出现一系列力学、光学、电、化学等超声效应因此，就超声的物理机制和应用目的来看，可大致分为检测超声和功率超声。
检测超声主要是利用超声的信息载体作用，即通过超声在媒质中的传播、吸收、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。如超声测距、测厚、测物位、工业测井、工业无损探伤、测媒质的流速、密度、粘度、硬度等等。广义的说，医学上以人体为检测对象的超声医学诊断，如超声显微镜、超声成像，以海洋探测及水下目标识别为目的的水声应用等，也归于此类。功率超声则主要利用超声的能量对物质的作用，即利用超声振动产生的大功率、高强度超声波，来改变物质的性质与状态。如超声清洗、焊接、加工、粉碎、促进化学或生物医学效应等。
2.1.4超声声速的计算
由于超声有很好的指向性，超声在某种媒质中的传播速度较为恒定，因此超声最常用的功能是距离测量及定位。
假设超声波通过的媒质是空气，任何物体都能反射、吸收、折射一部分通过
它自身的声波，其比例依赖于物体自身的均衡度。反射波的振幅与目标物体上能
产生反射的表面成比例。表面尺寸、形状、方位是影响反射波强度的主要因素。
目标物体的组成成份也是一个因素。一部分声波发射到达物体表面后被反射，一
部分则进入物体，在物质中传输，最终被遇到的物体界面反射。因此你也可以接
收到来自物体内部的信号，不过它是很细微的。
声波传播涉及能量经过空间的传递。从声源发出的声波向各个方向扩散时，声波可能被反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收。
声波的传输需要一种媒质，声波在媒质中的传播的速度，称为声速。其符号为c，单位为m/s。由声波产生的物理过程可知，声速与质点速度是完全不同的，声波的传播只是扰动形式和能量的传递，并不把在各自平衡位置附近振动的媒质质点传走。某种媒质中的声速主要取决于该媒质的密度和温度。
由于气体没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体中的声波的传播形式只能是纵波。也就是说，在声扰动下，气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动，形成稠密和稀疏依次交替的传递过程，而且，质点运动的方向与声波传播的方向一致。
声速在相当大的频率范围内不随频率发生变化，也就是说超声的传播速度与可听声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波的并无质的区别，与一般声波相比，超声具有更好的定向性，并且可以穿透不透明物质。超声在一般流体媒质(气体、液体)中的传播理论已较成熟。
可知，超声波在空气中的传播速度为：
（2.1）

其中为环境温度。这样，在实际测量中，我们可以根据声速与温度的关系作相应的温度补偿。
2.1.5 使用超声波和使用激光测距的比较
基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是，超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大，气温每上升1摄式度，声波速度增加
0. 6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素，进行温度补偿修正，减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。
2.2 超声波换能器的介绍
2.2.1超声波换能器的分类
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，超声波换能器可以分为两大类：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。
2.2.2超声波换能器的基本原理
1．基本原理
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需用的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体的介质中。我们知道，在压电陶瓷片上加有大小和方向不断变化的变流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向，是外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为fo的交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种振动推动空气等媒质，便会发出声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械波，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械的变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的信号。

图2-1双压晶片示意图
图2-1是双压晶片示意图。在上下层间施加交流电压时，若上片的电场与极化方向相同，则下面的方向相反。因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。

图2-2是双压电晶片的等效电路
图2-2是双压电晶片的等效电路。C0为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗并联电阻，Cm 和Lm为机械共振回路的电容和电感。Rm为损耗串联电阻。
压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率fo，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率fo一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有频率fo一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用的压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于测距的传感器的中心频率一般为40KHz。
2.2.3超声波换能器的基本构造
目前较为常用的是压电式超声波换能器。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部就够如图2-3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，并带动共振板振动产生超声波，这时，它就是一个超声波发生换能器；反之，如果两电极间没有外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，使机械能转化为电信号，这是它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器再结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

图2-3 超声波换能器结构图
由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波必须要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波功率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成40KHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。本测距仪使用的超声波换能器是TCT40-12F1(T发射)和TCT40-12S1(R接收)，中心频率是40KHz。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在4—8CM，否则过于靠近易产生干扰。若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来可提高抗干扰性能。
2.3超声波测距电路原理
由于超声波发射与接收器件所具有的固有频率特性，使超声波测距系统可部分采用选频电路，这具有很高的抗干扰性能。但由于这个特性，使频分制超声波多通道检测系统，实现起来不太方便。在多通道超声波检测系统中，一般采用码分制。
1．单通道超声波检测电路
单通道超声波检测电路比较简单，其原理图如图2-4所示

图2-4 单通道超声波测距电路原理图
单通道超声波测距电路的发射器一般由超声波信号振荡器（由AT89C2051单片机来实现），驱动电路，超声发射器件（超声波传感器发射TX401）构成；接收电路一般由超声波接收器（超声波传感器接收RX401），前置放大器，记忆驱动电路，执行电路构成。
2．多通道超声波检测电路
超声波多通道检测电路一般采用码分制，图3-2是码分制超声波电路的原理图。

图2-5码分制超声波测距电路原理图
由图2-5可见，码分制超声波测量电路与码分制红外遥控电路的结构基本相同，只是发射与接收的器件不同而已。总而言之，超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离的。
2.4 测量盲区
在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下:当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振(由于机械惯性作用)。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头越来越远，接收和发射信号相隔时间越来越长，其幅值也越来越小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阐值V，亦即接收信号的幅值必须大于这一m值才能使接受放大器有输入信号。由图3-3，从b点以后，接收的信号低于阐值，相当于测距的远限。另外，从图中A点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。从c点以后，发射信号低出阐值V，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高是，把oc这段时间规定为盲区时间。从距离上说，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。因此，cb为可测距范围，b点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。

图2-6 传感器回波原理分析

2.5 超声波的衰减
声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象，统称为声衰减。声波的衰减主要分为以下三种主要类型:吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。其中，吸收衰减主要是由媒质的粘滞性、热传导及各种弛豫过程引起的:散射衰减是由于声波在遇到媒质界面时，向不同的方向产生散射，从而导致声波减弱;扩散衰减则是由声源特性引起的，是因为声波传播过程中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱，若声源辐射的是球面波(波阵面是同心球面)，其波阵面随的平方增大，声强随规律减弱。声波的描述方程与电磁波是类似的:
(2.2)
上式 中 ， A(x)为振幅，为传播角频率，为传播时间，为传播距离，为波速，为声波波长。
由于声波的衰减，使得随传播距离的变化而变化。声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律。对沿X方向传播的平面波而言，由于不需要计算扩散衰减，则的变化规律可以由下式表示:
(2.3)
为声源处质子振幅，为不变量；为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:
(2.4)
其中，为介质常数，为振动频率。在空气中，，当振动的声波频率时，可得，即。它的物理意义在于:超声波在空气媒介中传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗，在长度上，平面声波的振幅衰减为原来的1/e。而且，频率越高，衰减系数a越大，传播的距离也越短。在实际的应用中，一般选用30-100KHz的超声波进行距离测量，比较的典型的频率为40KHz。
2.6 主要技术指标
测量范围：0.5～3m
测量精度1cm
2.7 总结
以上对超声波测距的基本原理及超声波传感器作了介绍。关于超声波的发射电路，接收前置放大，脉冲形成与记忆电路，电源电路，以及码分制超声波测距电路中的编码与解码电路，脉冲调制与解调电路。可以参考红外发送电路。
在设计超声波传感器测距电路时应注意以下几点：
1.超声波传感器作为谐振器件，驱动时所需电流较小，一般仅为几毫安到十几毫安。但要有一定幅度的驱动电压，驱动电路不加限流电阻。
2.发射器驱动电压的频率一定要接近传感器的中心频率，设计时元件参数
经过比较精确的计算。调试时要注意通过频率计来监测频率。
要选用阻抗较高的前置放大器，以获得较高的接收灵敏度和选择性。

3 硬件电路设计
3.1 AT89C51和AT89C2051的区别
AT89C51和AT89C2051都是AT89系列的典型代表，价格便宜，都可以用于超声波测距仪中。
表1 AT89C51和AT89C2051主要性能表
AT89C51
AT89C2051
4KB可编程Flash存储器（可擦写1000次）
2 KB可编程Flash存储器（可擦写1000次）
三级程序存储器保密
两级程序存储器保密
静态工作频率：0Hz－24MHz
静态工作频率：0Hz－24MHz
128字节内部RAM
128字节内部RAM
2个16位定时计数器/计时器
2个16位定时计数器/计时器
一个串行通讯口
一个串行通讯口
六个中断源
六个中断源
32条I/O引线
15条I/O引线
片内时钟振荡器
一个片内模拟比较器
从上表可以看出它们大体相同，由于AT89C2051的IO线很少，导致它无法外加RAM和程序ROM,片内Flash存储器也很少，但它的体积比AT89C51小的多，价格也便宜一些。由于超声波测距仪的电路比较简单，AT89C2051已经足够使用，所以使用AT89C2051作为主控制器。
AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051的特点除了表中所描素的以外它还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。
  AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0  Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。
充分利用AT89C2051的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

图3-1 AT89C2051的管脚图

表2 AT89C2051管脚功能
管脚
接脚符号
方向
信号I／O（输入／输出）方向与功能
12～19
P1.0～P1.7（P1）
I/O
P1 口：是一个8位双向 I／O 口，具有内部提升电阻，P1 口的输出缓冲能够吸收或者供应4个TTL 负载电流，P1接脚被写入1后，由内部提升拉为高电位状态，此时可做为输入脚；做输入时，P1口如果被外部信号拉低电位（Pull low），将因内部提升而提供电流（I）
P1.0 管脚第二功能：AIN0 电压输入比较器
P1.1 管脚第二功能：AIN1 电压输入比较器
2～3
6～9
11
P3.0～P3.1 P3.2～P3.5 P3.7（P3）
I/O
P3 口：是一个8位双向 I／O 口，具有内部提升电阻，P3 口的输出缓冲能够吸收或者供应4个TTL 负载电流，P1接脚被写入1后，由内部提升拉为高电位状态，此时可做为输入脚；做输入时，P1 口如果被外部信号拉低电位（Pull low），将因内部提升而提供电流（I）
P3 口还做为特殊功能接脚，详见下面列表
P3.0 管脚第二功能：RXD （串行口输入端）
P3.1 管脚第二功能：TXD （串行口输出端）
P3.2 管脚第二功能：INT0 （外部中断 0）
P3.3 管脚第二功能：INT1 （外部中断 1）
P3.4 管脚第二功能：T0 （定时器 0 外部输入）
P3.5 管脚第二功能：T1 （定时器 1 外部输入）
5
XTAL1
I
时钟振荡器输入脚：输入信号接到单片机内部的反相振荡放大器及内部时钟脉冲发生器电路。
4
XTAL2

0
时钟振荡器输出脚：此脚接到单片机内部的反相振荡放大器（Oscillator's amplifier）的输出端
1
RST
I
复位（RESET）：一个高电位输入此脚将重新启动单片机程序，该信号须在振荡器起振以后持续两个机器周期
20
VCC

电源正端：2.7～6V
10
GND

电源地端
3.2 硬件电路的总体设计
根据设计要求并综合个方面的因素，本设计决定采用AT89C2051单片机为主控制器，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，超声波测距仪系统设计框架如图3-2所示。

单片机

控制器

超声波接收

超声波发射

LED显示

扫描驱动

图3-2超声波测距器系统设计框图
3.3 测距原理
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，经气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半，即：
(3.1)
式中，c为超声波在空气中的传播速度。在文章的前面已经说过c的计算方法。当温度不便或者常温时可以认为c时固定不变的。

图3-3 超声波测距原理图
3.4 超声波测距系统的工作过程
1.首先，系统控制部分初始化整个系统
1)初始化LED
2)初始化计数控制部分，清除计数值，使之恢复为0
2.单片机超声波脉冲信号，脉冲宽度为12us左右
3.立刻置P3.4为“1”，打开计时器，等待回波信号。
4.情况1：回波信号到达，关闭计时器，P3.5为“0”，清P3.4为“0”
情况2：回波信号没有到达，关闭计时器，清P3.5，P3.4为“0”
继续重一开始。
5.单片机读出计数值。
6.单片机将计数值进行计算后得出的距离值，显示在LED上。
3.5超声波测距部分硬件实现
硬件电路主要分为单片机系统、显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四个部分组成。下面就对每一个部分进行介绍。
3.5.1 单片机系统部分
单片机采用89C2051。采用12M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P3.5口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。电路如图3-4所示。

图3-4 单片机系统部分电路图
3.5.2 显示部分
显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码2千欧姆的电阻驱动，位码用PNP的三级管9012进行驱动。显示部分电路如图3-6所示。
数码管的介绍：
一位数码管的接法和驱动原理：一支七段数码管实际由8个发光二极管构成，其中7个组形构成数字8的七段笔画，所以称为七段数码管，而余下的1个发光二极管作为小数点。作为习惯，分别给8个发光二极管标上记号：a,b,c,d,e,f,g,h。对应8的顶上一画，按顺时针方向排，中间一画为g，小数点为h。我们通常又将各二极与一个字节的8位对应，a(D0),b(D1),c(D2),d(D3),e(D4),f(D5),g(D6),h(D7)，相应8个发光二极管正好与单片机一个端口Pn的8个引脚连接，这样单片机就可以通过引脚输出高低电平控制8个发光二极的亮与灭，从而显示各种数字和符号；对应字节，引脚接法为：a(Pn.0)，b(Pn.1)，c(Pn.2)，d(Pn.3)，e(Pn.4)，f(Pn.5)，g(Pn.6)，h(Pn.7)。如果将8个发光二极管的负极（阴极）内接在一起，作为数码管的一个引脚，这种数码管则被称为共阴数码管，共同的引脚则称为共阴极，8个正极则为段极。否则，如果是将正极（阳极）内接在一起引出的，则称为共阳数码管，共同的引脚则称为共阳极，8个负极则为段极。
本系统采用四位一体的LED显示器，其原理与上面介绍的LED显示器相同。在四位一体的LED显示器中，各个相同的段连在一起（构成LED显示器的8个引脚），再加上连接位控线的4个引脚，总共12个引脚，如图3-5所示。
通常点亮LED显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是当显示器显示一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。当显示器位数少时，适合用静态显示地方法。所谓动态显示，就是一位一位地循环点亮显示器各个位（扫瞄），对于显示器地每个位来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间有关，调整电流和时间参数，可以实现亮度较稳定的显示。本设计采用动态显示方式。

图3-5 四位一体七段数码管引

图3-6 显示部分电路

LED显示使用的是四位共阳数码管，P3（P3.0~P3.3）脚进行选位，P1(P1.0~p1.7)脚进行选段。当P3脚为高电平时，三极管截至，相对应的数码管就不亮；当P3脚为低电平时，三极管导通，相对应的数码管就亮,通过轮流使P3．0~P3．3赋高低电平，达到数码管轮流的点亮，由于视觉造成的效果显示好象是同时亮的，这即动态扫描显示。在选位确定之后，当P1脚为高电平时，相对应的段不亮；当P1脚为低电平时，相对应的段就亮。
3.5.3 发射部分
反射电路主要由反相器74LS04和超声波换能器构成，单片机 P3.5端口输出的40KHz的方波信号一路经一级反相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，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻 R14和R15一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
发射部分电路如图3-7所示。

图3-7 发射部分电路
3.5.4 接收部分
考虑到超声波在途中会有损耗和衰减，当超声波返回以后所接收到的信号是非常的微弱的。为了加强超声波的回波信号，决定采用三级管对信号进行放大，用三个IN9013三级管通过三级放大，使得单片机可以清楚的接收信号。超声波接收电路如图3-8所示。

图3-8 超声波接收电路
3.5.5 限制系统的最大可测距离的因素
限制系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度，反射面的质地，反射声波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。由此可以看出接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
3.5.6 硬件电路设计总结
AT89C2051单片机通过外部引脚P3.5发射2个左右超声波脉冲信号（频率为40KHz，脉冲宽度为12us左右），以推挽的形式反射出去，同时打开计数器，等待反射信号。反射信号通过三个三级管的放大电路将信号放大后送到单片机中。单片机再通过一定的算法对数据进行处理，完成之后，以动态扫描的形式显示的LED上面。这就是超声波测距仪硬件电路的基本原理。
3.6 用PROTEL绘制原理图
1．设计图纸大小
进入Protel 99SE的Schematic后，首先要构思零件图，设置图纸大小。图纸有A0-A5、A-E、Letter、Legal及Tabloid等14种规格，图纸大小根据电路图的规模和复杂程度而定，设置合适的图纸大小示设计原理图的第一步。
2. 设置设计环境
设置Protel 99SE的Schematic设计环境包括设置格点大小和类型，光标类型等。一般大多数参数均可用系统默认值，设置之后无需修改。
3. 放置元件和定义元件属性
在这个阶段，设计者根据电路图的需要，将元件实体从元件库（*.LAB）中取出放置到图纸上，并定义放置元件的序号和元件封装等。另外，还需要对齐放置的元件，然后根据需要设置元件参数。
4． 原理图布线
原理图布线即利用Protel 99SE\Schematic提供的各种连线工具，用具有电气意义的导线、网络标号、端口标号和电气连接点等连接图纸上的元件，构成一个完整的原理图。
5． 调整线路
调整线路即进一步调整和修改初步绘制的电路图，使其更加美观使用。
6.原理图绘制完毕，保存以便日后使用。

4 软件设计
4.1 总体方案
超声波测距器的软