51单片机的超声波测距系统
51单片机的超声波测距系统[20191223155640]
摘 要
超声波测距系统的设计主要包括超声波发射，接收，计时，微机控制，数字显示六部分。涉及到电路和程序设计两个方面。在电路设计方面超声波的发射和接收，可通过超声波传感器可以一体化的来实现其功能。控制端采用了AT89S51单片机，51单片机低能耗与高性能的特点，符合实验模块的选择与使用。采用的LED显示为7段构成的字型“8”来直观的显示测量距离。
超声波测距系统的程序设计方面，需要对系统运行时间有精确计量，也需要通过较为复杂的算法来计算测量距离。由于C语言程序编程可以实现较为复杂的算法，汇编编程则可以有高效的运行效率和精确计算的程序的运行时间。所以该系统需要结合C语言和汇编语句来实现其功能。
通过实验测量一些被测物体，在非接触情况下的测量环境下，通过LED显示直观的呈现出所测距离的数值结果。从而达到系统的设计目标。
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关键字:超声波测距AT89S51程序
目 录
1. 引言 1
1.1 超声波测距的研究现状。 1
1.2 系统研究目的与意义。 1
1.3 研究思路与设计方法 2
2. 超声波测距系统总体设计方案 3
2.1 超声波传感器系统设计。 3
2.2单片机部分选择与设计。 5
2.3 本章小结 5
3. 超声波测距系统的各部分电路 6
3.1 显示输出的研究 6
3.2发射电路的研究与设计 7
3.3接受检测电路设计 8
4. 超声波测距仪系统程序的设计 10
4.1超声波测距系统的程序设计 10
4.1.1超声波测距的算法设计 10
4.1.2主程序的设计 11
4.2 超声波发生及程序接收中断程序设计 12
5. 系统的分析与调试 13
5.1 误差来源分析 13
5.2 调试过程 13
5.2.1性能指标实验结果分析 14
6. 实物设计与展示 16
6.1 超声波测距模块 16
6.2 实物运行 16
结束语 18
参考文献 19
致 谢 20
1. 引言
1.1 超声波测距的研究现状。
随着传感器和单片机控制技术不断发展，非接触式测量技术广泛应用于多个方面。比如我们熟知的雷达测距航海，海空，无人机都采用有雷达测距；利用人眼仿制出来的CCD测距的方面；在没有传播媒介等情况下可以采用的激光测距等等都是目前我们所掌握的的非接触时的测量方法。超声波相对于以上几种测量方法中凭借着它低能耗，高效率，测量日常短距离，垂直分辨率高测量数值相对准确，应用范围广，光、烟、电磁干扰等因素不影响其性能等优点被人们广泛使用的一种测距方式。目前，主要在回收信号处理、新的超声波换换能器的研究与开发、超声波发射脉冲段的优化选取等方面，这些都是近十年来科研人员们主要的几个研究方向。通过这些方面的研究，改进超声波的测量精确度和降低投入使用成本等方面的改变。
当然，不可否认的是，超声波测距系统中的应用具有很大的局限性。在超声波由发送、接收端与被测物体之间的运行过程，声波压会随着测量距离的增大而呈现一个指数性衰减的变化形式。当测量距离远的被测物体时，反射的回拨信号幅度小、信息与噪音比低，用固有的接收阀值来判断回拨信号时候被接收，可能导致检测到信号时的时间与先前到达的前后出现偏差，这样一来也会导致计时器计算的时间并非准确的时间值，最终影响到测量显示出来的距离与实际距离的存在偏差。针对上述一些问题，近年来国内外科研人员针对超声波常见的影响因素，为了提高超声波测距的精准度提出了可以进行温度补偿、接收回路中接入可以进行自身增益调节环节来改变接收阀值之类的一些措施。
1.2 系统研究目的与意义。
超声波测距系统研究目的：为了方便于测量一些不与被测物体接触的情况，这种非接触情况下的测量环境，需要可以直观的呈现出所测距离的数值结果。我们的日常生活在倒车报警装置，液位测量，深度检测等场合，也广泛应用于航海，石油化工，轻工测距等事业上。超声波测距是利用超声波的方向性好，穿透力强，其性能达到通过测量的非接触式与电子技术相结合的方法。在这一测距系统中，超声波的特性是成为系统成立的关键要素。超声波方向性强，在传播过程中的能量损失少，具有传输距离远等优点，因而超声波应用于测量系统。利用超声波测距的方法在设计和数据计算部分都不是较复杂的，通过系统测得数据的精确度也可以达到日常使用要求水平。超声波是一种20khz频率以上的声波，拥有其他频率声波共有的物理特性，在传播过程中会发生发射、折射，衍射的现象。灵活的应用于，在高温，高粉尘，高湿、强电磁干扰对人体健康状况存在危险的情况。在可靠性和精确度等方面，超声波测距都是很好的选择。
1.3 研究思路与设计方法
超声波测距利用对超声波传播到达被测物体的时间的计量，在通过已知声速来计算距离的方法，在系统研究上需要对超声波的发生、发射，接收，和计量等方面进行研究。
超声波测距系统的核心部分，为超声波发生、发送、接收部分。考虑到实验模块的局限性，采用的超声波传感器，包含了超声波的换能器、接收器、发射器。通过压电效应来进行超声波的产生过程，并进行超声波发射与接收的功能。单片机控制器采用C语言与汇编语言相结合的方法，可以有效精确地对实验进行控制和数据的处理达到系统设计的目的。
超声波测距系统的精确性的考察，需要进行多次测量，调整试验参数来达到误差值尽可能减小，本文将介绍系统设计的几大部分，以及调试，实物运行时的参数等注意事项。
2. 超声波测距系统总体设计方案
超声波测距系统的设计模块设计三个部分，分别是显示部分，接收以及检测，超声波部分的发生与接收这些功能可以通过超声波传感器来达成目的。发射端口发射出超声波，当其遇到我们所测物体时发生物理效应发射回来被接受端口接受通过计算在LED板显示测量距离。根据系统的运行目的要求以及综合其他各方面因素，本系统采用51单片机为主控制器来实现系统的运行，通过动态扫描的方式在LED显示器显示测量数值，单片机中的计时器可以完成系统的驱动信息的产生，方案总体框架如图2-1所示：
图2-1超声波设计系统设计框架图
2.1 超声波传感器系统设计。
超声波测距系统是指利用频率高于20khz的机械波作为测距手段的一个测距系统，所以超声波部分是本系统的灵魂，需要有超声波的发生、接收并检测的功能实现。本小结主要介绍了系统内的发生与接收装置的研究与设计，超声波传感器可以实现超声波的发生、发射，接收两个发面的功能。超声波传感器利用压电效应实现超声波的与电能直接的相互转化，在需要发射超声波时，将电能转化为超声波发射，当接收端口收到回拨信号时，可以将超声波转换为电信号。
压电效应通过利用压电晶体的共振来实现超声波换能。超声波转化结构功能图如图2-2所示。
换能器由两个陶瓷片和一个共振板组成，工作时，在电极两端的压电振动频率的脉冲信号的相同时，压电陶瓷片也会随之发生振动，并且会带动共振板从而发生超声波，此为超声波的发生环节。当两个电极未加电压，谐振板接收信号，压电振动强迫振荡运动，机械能转换成电信号，并控制端口。通过超声波传感器发生超声波信号由发射端向被测物体发射超声波信号，当信号也被测物体接触发生发射，产生回拨信号，传感器接收端接收到回拨信号，通过计算得出距离的过程。渡越时间法就是通过计算超声波自发送时刻到回拨信号被接受的所用的时间t，然后通过物理学路程的计算公式求出发射端和被测物体之间的距离长度 d，计算公式为：
其中，V是超声波速度（米/秒）。
空气中:
海水中；
T为环境摄氏温度，℃;S为海水的水盐度，按千分比计算；P为海水静压强，Pa。
2.2单片机部分选择与设计。
目前我国国内运用到专门测量距离的集成电路,精确级别在厘米级别。通过对超声波原理的分析可以将超声波的误差级别提高一个数量级。系统内部分两大块，定时器到单片机控制器到显示器为主线部分，重要的分析数据控制系统运行。控制器接入调制器，振荡器，超声波传感器（包括发送与接收端口），计时器，所以声波的控制以及时间的测量数据的处理部分均是需要通过它来完成的。
本系统模拟板块采用AT89S51系统单片机， 该单片机具有低功耗，好性能的特点，含有一个可以反复擦写1000次的自读程序存储器，如今在众多人工智能控制应用系统中51单片机得到广泛应用。
2.3 本章小结
本章点明超声波测距系统的轴心部分，可以说是超声波测距系统的心脏。还有难点就是系统的接收端电路，发射端电路以及实现测距数据的显示电路，后面的章节会作出说明。
3. 超声波测距系统的各部分电路
本章内容分为3部分，主要是显示输出的研究、发射点路的设计还有超声波接收与检测电路的设计。
摘 要
超声波测距系统的设计主要包括超声波发射，接收，计时，微机控制，数字显示六部分。涉及到电路和程序设计两个方面。在电路设计方面超声波的发射和接收，可通过超声波传感器可以一体化的来实现其功能。控制端采用了AT89S51单片机，51单片机低能耗与高性能的特点，符合实验模块的选择与使用。采用的LED显示为7段构成的字型“8”来直观的显示测量距离。
超声波测距系统的程序设计方面，需要对系统运行时间有精确计量，也需要通过较为复杂的算法来计算测量距离。由于C语言程序编程可以实现较为复杂的算法，汇编编程则可以有高效的运行效率和精确计算的程序的运行时间。所以该系统需要结合C语言和汇编语句来实现其功能。
通过实验测量一些被测物体，在非接触情况下的测量环境下，通过LED显示直观的呈现出所测距离的数值结果。从而达到系统的设计目标。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:超声波测距AT89S51程序
目 录
1. 引言 1
1.1 超声波测距的研究现状。 1
1.2 系统研究目的与意义。 1
1.3 研究思路与设计方法 2
2. 超声波测距系统总体设计方案 3
2.1 超声波传感器系统设计。 3
2.2单片机部分选择与设计。 5
2.3 本章小结 5
3. 超声波测距系统的各部分电路 6
3.1 显示输出的研究 6
3.2发射电路的研究与设计 7
3.3接受检测电路设计 8
4. 超声波测距仪系统程序的设计 10
4.1超声波测距系统的程序设计 10
4.1.1超声波测距的算法设计 10
4.1.2主程序的设计 11
4.2 超声波发生及程序接收中断程序设计 12
5. 系统的分析与调试 13
5.1 误差来源分析 13
5.2 调试过程 13
5.2.1性能指标实验结果分析 14
6. 实物设计与展示 16
6.1 超声波测距模块 16
6.2 实物运行 16
结束语 18
参考文献 19
致 谢 20
1. 引言
1.1 超声波测距的研究现状。
随着传感器和单片机控制技术不断发展，非接触式测量技术广泛应用于多个方面。比如我们熟知的雷达测距航海，海空，无人机都采用有雷达测距；利用人眼仿制出来的CCD测距的方面；在没有传播媒介等情况下可以采用的激光测距等等都是目前我们所掌握的的非接触时的测量方法。超声波相对于以上几种测量方法中凭借着它低能耗，高效率，测量日常短距离，垂直分辨率高测量数值相对准确，应用范围广，光、烟、电磁干扰等因素不影响其性能等优点被人们广泛使用的一种测距方式。目前，主要在回收信号处理、新的超声波换换能器的研究与开发、超声波发射脉冲段的优化选取等方面，这些都是近十年来科研人员们主要的几个研究方向。通过这些方面的研究，改进超声波的测量精确度和降低投入使用成本等方面的改变。
当然，不可否认的是，超声波测距系统中的应用具有很大的局限性。在超声波由发送、接收端与被测物体之间的运行过程，声波压会随着测量距离的增大而呈现一个指数性衰减的变化形式。当测量距离远的被测物体时，反射的回拨信号幅度小、信息与噪音比低，用固有的接收阀值来判断回拨信号时候被接收，可能导致检测到信号时的时间与先前到达的前后出现偏差，这样一来也会导致计时器计算的时间并非准确的时间值，最终影响到测量显示出来的距离与实际距离的存在偏差。针对上述一些问题，近年来国内外科研人员针对超声波常见的影响因素，为了提高超声波测距的精准度提出了可以进行温度补偿、接收回路中接入可以进行自身增益调节环节来改变接收阀值之类的一些措施。
1.2 系统研究目的与意义。
超声波测距系统研究目的：为了方便于测量一些不与被测物体接触的情况，这种非接触情况下的测量环境，需要可以直观的呈现出所测距离的数值结果。我们的日常生活在倒车报警装置，液位测量，深度检测等场合，也广泛应用于航海，石油化工，轻工测距等事业上。超声波测距是利用超声波的方向性好，穿透力强，其性能达到通过测量的非接触式与电子技术相结合的方法。在这一测距系统中，超声波的特性是成为系统成立的关键要素。超声波方向性强，在传播过程中的能量损失少，具有传输距离远等优点，因而超声波应用于测量系统。利用超声波测距的方法在设计和数据计算部分都不是较复杂的，通过系统测得数据的精确度也可以达到日常使用要求水平。超声波是一种20khz频率以上的声波，拥有其他频率声波共有的物理特性，在传播过程中会发生发射、折射，衍射的现象。灵活的应用于，在高温，高粉尘，高湿、强电磁干扰对人体健康状况存在危险的情况。在可靠性和精确度等方面，超声波测距都是很好的选择。
1.3 研究思路与设计方法
超声波测距利用对超声波传播到达被测物体的时间的计量，在通过已知声速来计算距离的方法，在系统研究上需要对超声波的发生、发射，接收，和计量等方面进行研究。
超声波测距系统的核心部分，为超声波发生、发送、接收部分。考虑到实验模块的局限性，采用的超声波传感器，包含了超声波的换能器、接收器、发射器。通过压电效应来进行超声波的产生过程，并进行超声波发射与接收的功能。单片机控制器采用C语言与汇编语言相结合的方法，可以有效精确地对实验进行控制和数据的处理达到系统设计的目的。
超声波测距系统的精确性的考察，需要进行多次测量，调整试验参数来达到误差值尽可能减小，本文将介绍系统设计的几大部分，以及调试，实物运行时的参数等注意事项。
2. 超声波测距系统总体设计方案
超声波测距系统的设计模块设计三个部分，分别是显示部分，接收以及检测，超声波部分的发生与接收这些功能可以通过超声波传感器来达成目的。发射端口发射出超声波，当其遇到我们所测物体时发生物理效应发射回来被接受端口接受通过计算在LED板显示测量距离。根据系统的运行目的要求以及综合其他各方面因素，本系统采用51单片机为主控制器来实现系统的运行，通过动态扫描的方式在LED显示器显示测量数值，单片机中的计时器可以完成系统的驱动信息的产生，方案总体框架如图2-1所示：
图2-1超声波设计系统设计框架图
2.1 超声波传感器系统设计。
超声波测距系统是指利用频率高于20khz的机械波作为测距手段的一个测距系统，所以超声波部分是本系统的灵魂，需要有超声波的发生、接收并检测的功能实现。本小结主要介绍了系统内的发生与接收装置的研究与设计，超声波传感器可以实现超声波的发生、发射，接收两个发面的功能。超声波传感器利用压电效应实现超声波的与电能直接的相互转化，在需要发射超声波时，将电能转化为超声波发射，当接收端口收到回拨信号时，可以将超声波转换为电信号。
压电效应通过利用压电晶体的共振来实现超声波换能。超声波转化结构功能图如图2-2所示。
换能器由两个陶瓷片和一个共振板组成，工作时，在电极两端的压电振动频率的脉冲信号的相同时，压电陶瓷片也会随之发生振动，并且会带动共振板从而发生超声波，此为超声波的发生环节。当两个电极未加电压，谐振板接收信号，压电振动强迫振荡运动，机械能转换成电信号，并控制端口。通过超声波传感器发生超声波信号由发射端向被测物体发射超声波信号，当信号也被测物体接触发生发射，产生回拨信号，传感器接收端接收到回拨信号，通过计算得出距离的过程。渡越时间法就是通过计算超声波自发送时刻到回拨信号被接受的所用的时间t，然后通过物理学路程的计算公式求出发射端和被测物体之间的距离长度 d，计算公式为：
其中，V是超声波速度（米/秒）。
空气中:
海水中；
T为环境摄氏温度，℃;S为海水的水盐度，按千分比计算；P为海水静压强，Pa。
2.2单片机部分选择与设计。
目前我国国内运用到专门测量距离的集成电路,精确级别在厘米级别。通过对超声波原理的分析可以将超声波的误差级别提高一个数量级。系统内部分两大块，定时器到单片机控制器到显示器为主线部分，重要的分析数据控制系统运行。控制器接入调制器，振荡器，超声波传感器（包括发送与接收端口），计时器，所以声波的控制以及时间的测量数据的处理部分均是需要通过它来完成的。
本系统模拟板块采用AT89S51系统单片机， 该单片机具有低功耗，好性能的特点，含有一个可以反复擦写1000次的自读程序存储器，如今在众多人工智能控制应用系统中51单片机得到广泛应用。
2.3 本章小结
本章点明超声波测距系统的轴心部分，可以说是超声波测距系统的心脏。还有难点就是系统的接收端电路，发射端电路以及实现测距数据的显示电路，后面的章节会作出说明。
3. 超声波测距系统的各部分电路
本章内容分为3部分，主要是显示输出的研究、发射点路的设计还有超声波接收与检测电路的设计。
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