单片机的超声波测距系统设计
目录
引言 5
一、总体设计方案 6
二、超声波测距原理 7
（一）超声波简介 7
（二）超声波测距原理 7
三、主要元件介绍 8
（一）单片机AT89C52 8
（二） 超声波传感器 9
（三）DS18B20温度传感器 10
四、系统硬件电路设计 11
（一）超声波发射电路设计 11
（二）超声波接收电路设计 12
（三）温度检测电路的设计 12
（四）显示电路设计 13
（五）电源电路 13
五、系统软件设计 14
（一）主程序流程 14
（二）超声波测距子程序 15
（三）温度检测子程序 16
六、系统测试 17
七、结束语 18
八、主要参考文献 19
附录 19
附录1:主要程序清单 20
附录2：原理图 25
附录3：PCB图 26
引言
随着我国科学技术的迅速发展，都会运用到一些测距仪器在许多场合中。要求测距仪器使用起来要方便简单、容易操作等基本要求，而使用超声波测距仪，就完全能实现上述的所有要求。超声波测距仪的测量的范围在0.10~1.20m之间，超声波测距仪测量的精确度近似为1cm，超声波测距仪最大的优点就是测量时测距仪不会直接接触被测物体，而且能够将测量的结果通过液晶显示器清晰准确地显示出来。
但是目前我们可以使用的测距技术还特别的局限。因此，这是一个快速发展的，并且该技术和产业都具有良好的应用前景。随着该技术的不断发展，我们相信超声波测距 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
系统可作为一种新型测距工具运用在各个领域中，也必将得到巨大的提升空间，它的发展方向也将是定位更加高、测量精确度更加高，以满足社会需求的快速发展。
本测距系统经过单片机AT89C52综合分析处理传感器发射的超声波信号和接收反射回来超声波的信号，以实现超声波测距系统的各种功能。通过结合硬件电路和软件设计的方法，然后设计出了系统的总体设计方案，最终实现了超声波测距系统各个模块的电路功能以及测距系统的主要电路功能。本测距系统的优点有：易于控制、测距精确性高、可靠性高等。
一、总体设计方案
在本系统中，主要采用的是51系列单片机 AT89C52，因为该单片机的性能非常稳定。此外，为了增强系统的驱动能力，在设计超声波发射电路时，采用的是74LS04 六与非门。通过采用这样的设计方法，目的就是为了使超声波发射电路进行互补推挽的形式输出。而在设计超声波接收电路时，采用的是 CX20106 集成电路。该集成电路可以对接收到的超声波信号进行放大，然后再对接收到的超声波信号进行滤波和信号的整形等功能。硬件电路的设计主要由超声波发射电路、超声波接收电路、温度实时检测电路、LCD显示电路和系统的电源电路等几个部分组成，系统结构框图如下图 1所示。
图1系统结构框图
二、超声波测距原理
（一）超声波简介
声音是由振动所产生的，我们把每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。20?20000Hz的声波的频率是我们能够听到的声音，而我们听不到的振动频率是小于20Hz或大于20000Hz的声波振动频率。我们所说的超声波就是声波频率大于20000Hz的声波频率。超声具有良好的指向性，极强的穿透能力强，容易得到的声音能量比较集中，在水中的特性是传播的更远等特性。在军事工业，医药和工业场合等领域中使用有非常明显的作用效果。
（二）超声波测距原理
超声波测距的原理就是利用了反射的原理。超声波信号通过超声波换能器发射出去，当遇到障碍物后就会被立刻反射回来，然后该信号被超声波传感器接收到后，系统就会立刻停止计时了。然后系统会依据超声波的传播速度c和计时时间t的关系式，就能计算出测量的距离D为：
（2-1）
式中 c—超声波的传播速度；
—单程传播所需的时间。
由上式我们可以知道，超声波测距系统的测量精度主要取决于传播速度和计时精度这两个方面的因素。单片机定时器决定计时的测量精度，定时时间是计数次数乘以机器周期的积，我们可选择用频率为12MHz的晶振，让机器周期的精确值接近1μs,就不会产生任何累积误差。超声波的传播速度c受到最大的影响因素就是环境中温度，如表2-1所示
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)313319325332338344350356361367388
通过表2-1，我们可以知道，当空气中的温度越高时，超声波的传播速度就会越快，并且在不同的温度环境下，超声波传播的速度差别也特别大。所以，在需要较高的测量精度的条件下，最有效的措施就是进行温度补偿的方法。一般情况下，超声波的传播速度可以近似认为就是340m/s。
对于采用的温度补偿方法，我们知道超声波传播速度c与环境温度T有如公式2-2所示关系：
2-2式中T就代表摄氏温度，c代表的是在该温度下的超声波传播速度。只要知道环境中温度T，就可以通过该公式计算出在该温度下超声波的传播速度c了。
三、主要元件介绍
（一）单片机AT89C52?
单片机AT89C52的特点有低电压、性能高、低功耗等。单片机内部包含4k字节的能反复擦写的Flash只读程序存储器和128 字节的RAM。该单片机完全兼容标准的MCS-51指令系统，通用的Flash存储单元和8位中央处理器都包含其片内。AT89C52单片机将通用的微处理器和Flash存储器整合到一起，这样做的好处是可以让用户反复地擦写Flash存储器，可以减小其开发成本。其引脚图如图2。
图2 AT89C52引脚图
1. AT89C52的引脚功能
l 主电源引脚
VSS——第20脚，接低电平。
VCC——第40脚，正常运行所需的+5V电源。
l 时钟源
XTAL2—第19脚，外部晶振的一个引脚一般接在这个引脚。
XTAL1——第18脚，外部晶振的另外一个引脚接在此处。
本显示电路设计采用的是液晶显示屏LCD1602来显示测量距离和温度，其优点有轻薄、低功耗、体积非常小等，在低功耗电子产品和智能仪表中都有广泛的应用。在本显示电路中，在VEEE和GND之间接了一个10k的电阻R3,其2第脚接驱动电源+5V。通过液晶的控制线RS、R/W、E分别接单片AT89C52的P2.0、P2.1、P2.2端口，其数据口接在单片机AT89C52的P0.0~P0.7端口，进行数据的传输与通信。BL+、BL-是液晶屏的背光电源。LCD显示电路如图8所示。
引言 5
一、总体设计方案 6
二、超声波测距原理 7
（一）超声波简介 7
（二）超声波测距原理 7
三、主要元件介绍 8
（一）单片机AT89C52 8
（二） 超声波传感器 9
（三）DS18B20温度传感器 10
四、系统硬件电路设计 11
（一）超声波发射电路设计 11
（二）超声波接收电路设计 12
（三）温度检测电路的设计 12
（四）显示电路设计 13
（五）电源电路 13
五、系统软件设计 14
（一）主程序流程 14
（二）超声波测距子程序 15
（三）温度检测子程序 16
六、系统测试 17
七、结束语 18
八、主要参考文献 19
附录 19
附录1:主要程序清单 20
附录2：原理图 25
附录3：PCB图 26
引言
随着我国科学技术的迅速发展，都会运用到一些测距仪器在许多场合中。要求测距仪器使用起来要方便简单、容易操作等基本要求，而使用超声波测距仪，就完全能实现上述的所有要求。超声波测距仪的测量的范围在0.10~1.20m之间，超声波测距仪测量的精确度近似为1cm，超声波测距仪最大的优点就是测量时测距仪不会直接接触被测物体，而且能够将测量的结果通过液晶显示器清晰准确地显示出来。
但是目前我们可以使用的测距技术还特别的局限。因此，这是一个快速发展的，并且该技术和产业都具有良好的应用前景。随着该技术的不断发展，我们相信超声波测距 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
系统可作为一种新型测距工具运用在各个领域中，也必将得到巨大的提升空间，它的发展方向也将是定位更加高、测量精确度更加高，以满足社会需求的快速发展。
本测距系统经过单片机AT89C52综合分析处理传感器发射的超声波信号和接收反射回来超声波的信号，以实现超声波测距系统的各种功能。通过结合硬件电路和软件设计的方法，然后设计出了系统的总体设计方案，最终实现了超声波测距系统各个模块的电路功能以及测距系统的主要电路功能。本测距系统的优点有：易于控制、测距精确性高、可靠性高等。
一、总体设计方案
在本系统中，主要采用的是51系列单片机 AT89C52，因为该单片机的性能非常稳定。此外，为了增强系统的驱动能力，在设计超声波发射电路时，采用的是74LS04 六与非门。通过采用这样的设计方法，目的就是为了使超声波发射电路进行互补推挽的形式输出。而在设计超声波接收电路时，采用的是 CX20106 集成电路。该集成电路可以对接收到的超声波信号进行放大，然后再对接收到的超声波信号进行滤波和信号的整形等功能。硬件电路的设计主要由超声波发射电路、超声波接收电路、温度实时检测电路、LCD显示电路和系统的电源电路等几个部分组成，系统结构框图如下图 1所示。
图1系统结构框图
二、超声波测距原理
（一）超声波简介
声音是由振动所产生的，我们把每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。20?20000Hz的声波的频率是我们能够听到的声音，而我们听不到的振动频率是小于20Hz或大于20000Hz的声波振动频率。我们所说的超声波就是声波频率大于20000Hz的声波频率。超声具有良好的指向性，极强的穿透能力强，容易得到的声音能量比较集中，在水中的特性是传播的更远等特性。在军事工业，医药和工业场合等领域中使用有非常明显的作用效果。
（二）超声波测距原理
超声波测距的原理就是利用了反射的原理。超声波信号通过超声波换能器发射出去，当遇到障碍物后就会被立刻反射回来，然后该信号被超声波传感器接收到后，系统就会立刻停止计时了。然后系统会依据超声波的传播速度c和计时时间t的关系式，就能计算出测量的距离D为：
（2-1）
式中 c—超声波的传播速度；
—单程传播所需的时间。
由上式我们可以知道，超声波测距系统的测量精度主要取决于传播速度和计时精度这两个方面的因素。单片机定时器决定计时的测量精度，定时时间是计数次数乘以机器周期的积，我们可选择用频率为12MHz的晶振，让机器周期的精确值接近1μs,就不会产生任何累积误差。超声波的传播速度c受到最大的影响因素就是环境中温度，如表2-1所示
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)313319325332338344350356361367388
通过表2-1，我们可以知道，当空气中的温度越高时，超声波的传播速度就会越快，并且在不同的温度环境下，超声波传播的速度差别也特别大。所以，在需要较高的测量精度的条件下，最有效的措施就是进行温度补偿的方法。一般情况下，超声波的传播速度可以近似认为就是340m/s。
对于采用的温度补偿方法，我们知道超声波传播速度c与环境温度T有如公式2-2所示关系：
2-2式中T就代表摄氏温度，c代表的是在该温度下的超声波传播速度。只要知道环境中温度T，就可以通过该公式计算出在该温度下超声波的传播速度c了。
三、主要元件介绍
（一）单片机AT89C52?
单片机AT89C52的特点有低电压、性能高、低功耗等。单片机内部包含4k字节的能反复擦写的Flash只读程序存储器和128 字节的RAM。该单片机完全兼容标准的MCS-51指令系统，通用的Flash存储单元和8位中央处理器都包含其片内。AT89C52单片机将通用的微处理器和Flash存储器整合到一起，这样做的好处是可以让用户反复地擦写Flash存储器，可以减小其开发成本。其引脚图如图2。
图2 AT89C52引脚图
1. AT89C52的引脚功能
l 主电源引脚
VSS——第20脚，接低电平。
VCC——第40脚，正常运行所需的+5V电源。
l 时钟源
XTAL2—第19脚，外部晶振的一个引脚一般接在这个引脚。
XTAL1——第18脚，外部晶振的另外一个引脚接在此处。
本显示电路设计采用的是液晶显示屏LCD1602来显示测量距离和温度，其优点有轻薄、低功耗、体积非常小等，在低功耗电子产品和智能仪表中都有广泛的应用。在本显示电路中，在VEEE和GND之间接了一个10k的电阻R3,其2第脚接驱动电源+5V。通过液晶的控制线RS、R/W、E分别接单片AT89C52的P2.0、P2.1、P2.2端口，其数据口接在单片机AT89C52的P0.0~P0.7端口，进行数据的传输与通信。BL+、BL-是液晶屏的背光电源。LCD显示电路如图8所示。
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