单片机的超声测距系统
单片机的超声测距系统[20200128193646]
摘要
由于超声波具有方向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点，因而超声波经常用于不接触物体距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测可以做到迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制等特点，并且在测量精度方面能达到工业和生产的实用要求。声波测距器可以应用于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。分析了超声波测距器的设计思路，以AT89C51为核心,介绍了该测距器的系统硬件、软件设计等过程。
摘要 1
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声波测距,AT89C51,软件设计
引言 2
一、超声波测距系统的概述 3
（一）超声波的简介 3
（二）主要芯片的介绍 3
二、系统主要硬件电路设计 4
（一）设计思路 4
（二）系统总体方案的介绍 4
（三）超声波电源电路 5
（四）单片机系统及显示电路 5
（五）超声波发射和接收电路 6
1、超声波发射电路 6
2、超声波接收电路 6
三、系统软件电路设计 8
（一）超声波测距的算法设计 8
（二）主程序流程图 8
四、小结 10
五、致谢 11
六、参考文献 11
七、附录 12
（一）超声波测距C语言程序 12
（二）超声波测距原理图 23
（三）超声波PCB图 24
引言
随着现在科学技术的迅速发展，超声波在不接触的测距应用中越来越广。但从目前技术和水平来说，人们可以利用的技术还是十分有限的，因此，这是一个即将蓬勃发展而又有无限前景的技术领域。从目前和未来的状况来看，作为一种新型的非常有利用价值的工具，超声波测距仪将在各个领域都将会有很大的发展和利用的空间，更加高定位、高精度将是它发展的趋势，以便满足日益发展的社会需求。如声纳的发展趋势大概为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足在水中的武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展将采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，以实现超远程的被动探测和识别的功能；研制更适用于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别的问题，成了超声波测距仪的一个重要任务，这样会大力降低了潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。因此毫无疑问，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，并且与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪技术进步的发展，超声波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的功能发展。
在新的世纪里，超声波测距仪会发挥更大的作用。随着科技的发展，人们上网生活水平在不断地提高，城市的发展建设也在不断地加快，然而城市中的排水系统却是一直都存在的问题，虽然其状况正在不断改善，但是，由于历史遗留下来的原因等许多不可预见的因素，城市的排水系统，特别是排水系统落后于城市发展的现象已经成为了现在城市发展的一个大问题，因此，便出现了开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。由此看来。城市污水给人们的生活出行带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市的排水系统污水处理、人们的舒适生活显得非常重要了。而设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我所设计的超声波测距仪的意义。
一、超声波测距系统的概述
（一）超声波的简介
物体振动时会发出声音，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。而超声波就是指频率高于20000赫兹的声波。超声波它有极好的方向性好，非常强的穿透能力，并且有易于获得较集中的声能，具有在水中传播距离远等特点，因此超声波无论在测距，测速，清洗，焊接，还是在医学、碎石、军事，工业，农业上都起到了很大的作用。例如在我国北方，冬季空气会很干燥，如果利用超声波的这个性能，就可以增加空气的湿度，就是将超声波通入水罐中，剧烈的超声波振动会使罐中的水破碎而变成许多小雾滴，再用风扇将小雾滴吹入室内，这样就可以使空气的湿度增加了。因此超声波加湿器的原理就是这样来的。
（二）主要芯片的介绍
如图1所示，AT89C51的功能有：
图1 单片机芯片引脚图
二、系统主要硬件电路设计
（一）设计思路
我们知道，测量距离方法有很多种，短距离可以用尺来测量，远距离可以用激光测距等来测量，因而超声波测距适用于高精度中长距离的测量。因为超声波在标准空气中传播速度为已知为340米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以超声波测距仪的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：发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，即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。
根据需求可以采用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。
（二）系统总体方案的介绍
本文所研究的超声波测距仪是利用超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、中长距的高精度测距等特点，将电能转换，发射超声波，同时在发射的时候单片机就开始计时，在超声波遇到障碍物的时候就会反射回来，反射回来的超声波会被超声波接收器接收，将超生振动转换成电信号，同时单片机将停止计时。超声波测距原理一般采用渡越时间法TOF，即设超声波在空气中的传播速度为C，从发射到遇到障碍物反射回来在空气中的传播时间为T，声源与障碍物的距离为L，则易知L=C*T/2，这样可以测出声源与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上稳定的显示出来。
根据设计要求并综合各方面因素考虑，本文决定采用AT89C51单片机作为主控制器，超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。超声波测距仪的系统设计框图如图2所示。
图2 超声波测距系统设计框图
超声波在标准空气中的传播速度为340米/秒，由单片机驱动产生12MHZ晶振，所以此系统理论上可以达到毫米级。由发射器发送超声波出去，在遇到障碍物反射回来时的回波由接收器检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入AT89C51单片机进行计算，并将计算结果显示到LED液晶显示屏上。
（三）超声波电源电路
电源电路如图3所示，电源电路采用普通可调电源供电，该电源不含稳压器，所以在设计中需要用稳压器进行稳压，我们选用LM7805来获得稳定的+5V直流，电压输入电压（<21V）经过7805的稳压输出+5V的电压，滤波电容采用400uF电解和104瓷片电容并联使用，电磁兼容的实践证明，两个差400倍的电容并联使用效果很好。图中LED为电源指示灯。
图3 电源电路
（四）单片机系统及显示电路
单片机采用89C51或其兼容系列。系统采用12MHZ高精度的晶振，输出端用单片机的P1.0端口输出40kHz信号，接收端则利用外中断INT0口接受超声波电路输出去的返回信号。显示电路则用4位共阳LED数码管来显示，74LS244用来驱动段码，PNP三极管用来驱动位码，单片机系统及显示电路如图4所示
摘要
由于超声波具有方向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点，因而超声波经常用于不接触物体距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测可以做到迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制等特点，并且在测量精度方面能达到工业和生产的实用要求。声波测距器可以应用于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。分析了超声波测距器的设计思路，以AT89C51为核心,介绍了该测距器的系统硬件、软件设计等过程。
摘要 1
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声波测距,AT89C51,软件设计
引言 2
一、超声波测距系统的概述 3
（一）超声波的简介 3
（二）主要芯片的介绍 3
二、系统主要硬件电路设计 4
（一）设计思路 4
（二）系统总体方案的介绍 4
（三）超声波电源电路 5
（四）单片机系统及显示电路 5
（五）超声波发射和接收电路 6
1、超声波发射电路 6
2、超声波接收电路 6
三、系统软件电路设计 8
（一）超声波测距的算法设计 8
（二）主程序流程图 8
四、小结 10
五、致谢 11
六、参考文献 11
七、附录 12
（一）超声波测距C语言程序 12
（二）超声波测距原理图 23
（三）超声波PCB图 24
引言
随着现在科学技术的迅速发展，超声波在不接触的测距应用中越来越广。但从目前技术和水平来说，人们可以利用的技术还是十分有限的，因此，这是一个即将蓬勃发展而又有无限前景的技术领域。从目前和未来的状况来看，作为一种新型的非常有利用价值的工具，超声波测距仪将在各个领域都将会有很大的发展和利用的空间，更加高定位、高精度将是它发展的趋势，以便满足日益发展的社会需求。如声纳的发展趋势大概为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足在水中的武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展将采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，以实现超远程的被动探测和识别的功能；研制更适用于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别的问题，成了超声波测距仪的一个重要任务，这样会大力降低了潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。因此毫无疑问，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，并且与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪技术进步的发展，超声波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的功能发展。
在新的世纪里，超声波测距仪会发挥更大的作用。随着科技的发展，人们上网生活水平在不断地提高，城市的发展建设也在不断地加快，然而城市中的排水系统却是一直都存在的问题，虽然其状况正在不断改善，但是，由于历史遗留下来的原因等许多不可预见的因素，城市的排水系统，特别是排水系统落后于城市发展的现象已经成为了现在城市发展的一个大问题，因此，便出现了开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。由此看来。城市污水给人们的生活出行带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市的排水系统污水处理、人们的舒适生活显得非常重要了。而设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我所设计的超声波测距仪的意义。
一、超声波测距系统的概述
（一）超声波的简介
物体振动时会发出声音，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。而超声波就是指频率高于20000赫兹的声波。超声波它有极好的方向性好，非常强的穿透能力，并且有易于获得较集中的声能，具有在水中传播距离远等特点，因此超声波无论在测距，测速，清洗，焊接，还是在医学、碎石、军事，工业，农业上都起到了很大的作用。例如在我国北方，冬季空气会很干燥，如果利用超声波的这个性能，就可以增加空气的湿度，就是将超声波通入水罐中，剧烈的超声波振动会使罐中的水破碎而变成许多小雾滴，再用风扇将小雾滴吹入室内，这样就可以使空气的湿度增加了。因此超声波加湿器的原理就是这样来的。
（二）主要芯片的介绍
如图1所示，AT89C51的功能有：
图1 单片机芯片引脚图
二、系统主要硬件电路设计
（一）设计思路
我们知道，测量距离方法有很多种，短距离可以用尺来测量，远距离可以用激光测距等来测量，因而超声波测距适用于高精度中长距离的测量。因为超声波在标准空气中传播速度为已知为340米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以超声波测距仪的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：发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，即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。
根据需求可以采用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。
（二）系统总体方案的介绍
本文所研究的超声波测距仪是利用超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、中长距的高精度测距等特点，将电能转换，发射超声波，同时在发射的时候单片机就开始计时，在超声波遇到障碍物的时候就会反射回来，反射回来的超声波会被超声波接收器接收，将超生振动转换成电信号，同时单片机将停止计时。超声波测距原理一般采用渡越时间法TOF，即设超声波在空气中的传播速度为C，从发射到遇到障碍物反射回来在空气中的传播时间为T，声源与障碍物的距离为L，则易知L=C*T/2，这样可以测出声源与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上稳定的显示出来。
根据设计要求并综合各方面因素考虑，本文决定采用AT89C51单片机作为主控制器，超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。超声波测距仪的系统设计框图如图2所示。
图2 超声波测距系统设计框图
超声波在标准空气中的传播速度为340米/秒，由单片机驱动产生12MHZ晶振，所以此系统理论上可以达到毫米级。由发射器发送超声波出去，在遇到障碍物反射回来时的回波由接收器检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入AT89C51单片机进行计算，并将计算结果显示到LED液晶显示屏上。
（三）超声波电源电路
电源电路如图3所示，电源电路采用普通可调电源供电，该电源不含稳压器，所以在设计中需要用稳压器进行稳压，我们选用LM7805来获得稳定的+5V直流，电压输入电压（<21V）经过7805的稳压输出+5V的电压，滤波电容采用400uF电解和104瓷片电容并联使用，电磁兼容的实践证明，两个差400倍的电容并联使用效果很好。图中LED为电源指示灯。
图3 电源电路
（四）单片机系统及显示电路
单片机采用89C51或其兼容系列。系统采用12MHZ高精度的晶振，输出端用单片机的P1.0端口输出40kHz信号，接收端则利用外中断INT0口接受超声波电路输出去的返回信号。显示电路则用4位共阳LED数码管来显示，74LS244用来驱动段码，PNP三极管用来驱动位码，单片机系统及显示电路如图4所示
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