2022年基于单片机的超声波LED显示电路测距仪的设计.docx

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1、精品学习资源基于单片机地超声波LED 显示电路测距仪地设计欢迎下载精品学习资源摘要：本设计主要是基于AT89S51 芯片为核心地超声波测距仪，并有超声波处理模块CX20216A 、CD4069 组成地超声波发射电路、数码管显示等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED 显示电路 .主要实现超声波测距并指示功能 .依据实际地测量精度要求仍可以添加温度补偿电路.本系统成本低廉，功能有用.关键词： AT89S51CX20216A 超声波发射模块超声波接收模块LED 显示电路1 引言随着科学技术地快速进展，超声波将在测距仪中地应用越来越广.但就目前技术水平来说，

2、人们可以详细利用地测距技术仍特别有限，因此，这是一个正在蓬勃进展而又有无限前景地技术及产业领域.展望将来，超声波测距仪作为一种新型地特别重要有用地工具在各方面都将有很大地进展空间，它将朝着更加高定位高精度地方向进展，以满意日益进展地 社会需求，如声纳地进展趋势基本为：研制具有更高定位精度地被动测距声纳，以满意水 中武器实施全隐藏攻击地需要；连续进展采纳低频线谱检测地潜艇拖曳线列阵声纳，实现 超远程地被动探测和识别；研制更适合于浅海工作地潜艇声纳，特殊是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳地工作环境.无庸置疑，将来地超声波测距 仪将与自动化智能化接轨，与其他地测距仪集成和融

3、合，形成多测距仪.随着测距仪地技术进步，测距仪将从具有单纯判定功能进展到具有学习功能，最终进展到具有制造力.在新地世纪里，面貌一新地测距仪将发挥更大地作用.随着科技地进展，人们生活水平地提高，城市进展建设加快，城市给排水系统也有较 大进展，其状况不断改善.但是，由于历史缘由合成时间住地很多不行预见因素，城市给排水系统，特殊是排水系统往往落后于城市建设.因此，常常显现开挖已经建设好地建筑设施来改造排水系统地现象.城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵地排污疏通对大城市给排水 系统污水处理，人们生活舒服显得特别重要.而设计研制箱涵排水疏通移动机器人地自动掌握系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵

4、排污疏通机器人地设计研制地核心部分.掌握系统核心部分就是超声波测距仪地研制.因此，设计好地超声波测距仪就显得特别重要了 .这就是我设计超声波测距仪地意义.2 总体设计方案2.1 设计思路2.1.1 超声波测距仪地设计思路超声波是指频率高于20KHz 地机械波 .为了以超声波作为检测手段，必需产生超生波和接收超声波 .完成这种功能地装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波欢迎下载精品学习资源探头 .超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波地双重作用 .超声波传感器是利用压电效应地原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波地时候，将电能转换，发射超声波；而

5、在收到回波地时候，就将超声振动转换成电信号.超声波测距地原理一般采纳渡越时间法TOF（ timeofflight ） .第一测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经受地时间，再乘以超声波地速度就得到二倍地声源与障碍物之间地距离测量距离地方法有很多种，短距离地可以用尺，远距离地有激光测距等，超声波测距适用于高精度地中长距离测量.由于超声波在标准空气中地传播速度为331.45M/ 秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHZ 晶振，所以此系统地测量精度理论上可以达到毫M 级.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地测量 .利用超声波检测距离，设计比较便利，运算处

6、理也较简洁，并且在测量精度方面也能达到要求 .超声波发生器可以分为两类：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 .本课题属于近距离测量，可以采纳常用地压电式超声波换能器来实现.2.12 超声波测距原理发射器发出地超声波以速度在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收 器接收，其来回时间为t，由 s=vt/2 即可算出被测物体地距离.由于超声波也是一种声波， 其声速 v 与温度有关，下表列出了几种不同温度下地声速.在使用时，假如温度变化不大，就可认为声速是基本不变地.假如测距精度要求很高，就应通过温度补偿地方法加以校正.表 1 超声波波速与温度地关系表温度（）-30-20-

7、100102030100313319325323338344349386声速（ ms）欢迎下载精品学习资源2.2 超声波测距仪原理框图依据设计要求并综合各方面因素，可以采纳AT89S51 单片机作为主掌握器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机地定时器完成，超声波测距器地系统框图如图 1.3. 设计原理分析3.1 系统组成3.1.1 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 . 采纳 AT89S51来实现对超声波发射和接受处理模块地掌握. 单片机通过 P1.0 引脚经反相器来掌握超声波地发送，然后单片机不停地检测INT0 引脚，当

8、INT0 引脚地电平由高电平变为低电平常就认为超声波已经返回. 计数器所计地数据就是超声波所经受地时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间地距离 .3.1.2 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.3.2 系统硬件电路设计欢迎下载精品学习资源3.2.1 单片机最小系统其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作. 如图 2 所示，单片机最小系统主要由 AT89S51单片机、外部振荡电路、复位电路和 +5V电源组成 . 在外部振荡电路中，单片机地 XTAL1和 XTAL2管脚分别接至由 12MHZ晶振和两个 30PF电容构成地振荡电路两侧，为电路供应正常地时

9、钟脉冲. 在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经 20F 地电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关 s 接电源. 其主要功能是把 PC初始化为 0000H，是单片机从 0000H单元开头执行程序，除了进入系统地初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不行缺少地一部分.3.2.2 单片机测距原理单片机发出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地回波，从而测动身射和接收回波地时间差tr ，然后求出距离 SCt 2，式中地欢迎下载精品学习资源C为超声波波速 . 限制该系统地最大可测距离

10、存在4 个因素：超声波地幅度、反射地质地、反射和入射声波之间地夹角以及接收换能器地灵敏度. 接收换能器对声波脉冲地直接接收才能将打算最小地可测距离. 为了增加所测量地掩盖范畴、减小测量误差，可采纳多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收地设计方法，限于实际需要，本电路只采纳单路超声波发射接收. 由于超声波属于声波范畴，其波速 C与温度有关 .3.2.3 超声波发射电路压电超声波转换器地功能：利用压电晶体谐振工作. 内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板 . 当它地两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片地固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波

11、发生器；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器.超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同.压电式超声波换能器是利用压电晶体地谐振来工作地. 超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板 . 当它地两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片地固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，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器；反之，假如两电极问未外加电压，当共振板接收到 超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超 声波接收换能器 . 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地

12、标志 . 本设计中发射器电路采纳集成电路模块不需考虑这些问题， 主要是采纳 4069 反相器在换能器两端供应脉冲信号 . 其原理图如图 3 所示.欢迎下载精品学习资源3.2.4 超声波检测接收电路集成电路 CX20216A是一款红外线检波接收地专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器 . 考虑到红外遥控常用地载波频率 38kHz 与测距地超声波频率 40kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路 如图 2-3. 试验证明用CX20216A接收超声波 无信号时输出高电平 ，具有很好地灵敏度和较强地抗干扰才能. 适当更换电容 CS地大小，可以转变接收电路地灵敏度和抗干扰才能. 此部分电路在集成

13、芯片上 .3.2.5 LED 显示电路依据设计要求并综合各方面因素，可以采纳AT89S51单片机作为主掌握器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机地定时器完成，显示电路如下图 53.3 系统软件地设计本设计基于汇编语言编程，其软件设计思路如下：3.3.1 超声波测距仪地算法设计超声波测距地原理为超声波发生器T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到 . 这样只要运算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用地时间，就可算出超声波发生欢迎下载精品学习资源器与反射物体地距离 . 距离地运算公式为：d=s/ 2=c t/2 （ 1）

14、其中， d 为被测物与测距仪地距离， s 为声波地来回地路程， c 为声速， t 为声波来回所用地时间 . 在启动发射电路地同时启动单片机内部地定时器T0， 利用定时器地计数功能记录超声波发射地时间和收到反射波地时间. 当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0 或 INT1 端产生一个中断恳求信号，单片机响应外部中断恳求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，运算距离 . 其部分源程序如下：WORK:PUSHACC PUSHPSW PUSHB MOVPSW,#18H MOVR3,45H MOVR2,44H MOVR1,00D MOVR0,17D LCALLMUL2BY2 M

15、OVR3,#03H MOVR2,0E8H LCALLDIV4BY2 LCALLDIV4BY2 MOV40H,R4欢迎下载精品学习资源MOVA,40H JNZJJ0 MOV40H,#0AH JJ0:MOVA,R0 MOVR4,A MOVA,R1 MOVR5,A MOVR3,00D MOVR2,#100D LCALLDIV4BY2 MOV41H,R4 MOVA,41H JNZJJ1 MOVA,40H SUBBA,#0AH JNZJJ1 MOV41H,#0AH JJ1:MOVA,R0 MOVR4,A欢迎下载精品学习资源MOVA,R1 MOVR5,A MOVR3,#00D MOVR2,10D LCAL

16、LDIV4BY2 MOV42H,R4 JNZJJ2 MOVA,41H SUBBA,#0AH JNZJJ2 MOV42H,#0AH JJ2:MOV43H,R0 POPBPOPPSW POPACC RET3.3.2 主程序流程图软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3-1 （a）（ b）c 所示.主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收次序地掌握.欢迎下载精品学习资源定时中断服务子程序完成三方向超声波地轮番发射，外部中断服务子程序主要完成时间值地读取、距离运算、结果地输出等工作.主程序第一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 . 置位总中断答应位 EA并给

17、显示端口 P0 和 P1 清 0. 然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了防止超声波从发射器直接传送到接收器引起地直射波触发，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地缘由）后，才打开外中断0 接收返回地超声波信号 . 由于采纳地是12MHz地晶振，计数器每计一个数就是1 s，当主程序检测到接收胜利地标志位后，将计数器 T0 中地数（即超声波来回所用地时间）按式（2）运算，即可得被测物体与测距仪之间地距离，设计时取20时地声速为 344m/s 就有：d=c t/2=172T0/10000cm2其中， T0 为计数器 T0 地运算值 .测出距离后结果将以十进制

18、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简洁运算出距离 .欢迎下载精品学习资源3.3.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生子程序地作用是通过P1.0 端口发送 2 个左右超声波脉冲信号（频率约 40kHz 地方波），脉冲宽度为 12 s 左右，同时把计数器 T0 打开进行计时. 超声波发生子程序较简洁，但要求程序运行精确，所以采纳汇编语言编程.超声波测距仪主程序利用外中断0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 INT0 引脚显现低电平），立刻进入中断程序 . 进入中断后就立刻关闭计时器 T0 停止计时，并

19、将测距胜利标志字赋值1. 假如当计时器溢出时仍未检测到超声波返回信号，就定时器T0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距胜利标志字赋值 2 以表示此次测距不胜利 . 前方测距电路地输出端接单片机INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路地输出通过与门IC3A 地输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 地输入端，中断源地识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左. 部分源程序如下：INTT0:CLREA CLRTR0 MOVTH0,#00H MOVTL0,#00H SETBET1 SETBEA SETBTR0 SETBTR1OUT:RE；T T1 中

20、断，发超声波用：INTT1:CPLVOUT DJNZR4,RETIOUT CLRTR1欢迎下载精品学习资源CLRET1 MOVR4,#04H SETBEX0RETIOUT:RET；I 外中断 0，收到回波时进入PINT0:CLRTR0 CLRTR1 CLRET1 CLREA CLREX0 MOV44H,TL0 MOV45H,TH0 SETB00HRETI3.3.4 系统地软硬件地调试超声波测距仪地制作和调试都比较简洁，其中超声波发射和接收采纳模块直接实现 .硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行. 依据实际情形可以修改超声波发生子程序每次发送地脉冲宽度和两次测量地间隔时

21、间，以适应不同距离地测量需要 . 依据所设计地电路参数和程序，测距仪能测地范畴为 0.07 5.5m，测距仪最大误差不超过 1cm.系统调试完后应对测量误差和重复一样性进行多次试验分析，不断优化系统使其达到实际使用地测量要求.欢迎下载精品学习资源软件地调试程序见附录三 . 4 总结和体会由于时间和其它客观上地缘由，此次设计没有胜利做出实物. 但是对设计有一个很好地理论基础 . 设计地最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波地发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间地距离. 以数字地势式显示测量距离 .超声波测距地原理是利用超声波地发射和接受，依据超声波传播地时间来运算出传播距离

22、. 有用地测距方法有两种，一种是在被测距离地两端，一端发射，另一端接收地直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收地反射波方式，适用于测距仪 . 此次设计采纳反射波方式 .超声波测距仪硬件电路地设计主要包括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 . 单片机采纳 AT89S51或其兼容系列 . 采纳12MHz高精度地晶振，以获得较稳固时钟频率，减小测量误差. 单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需地 40kHz 地方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出地返回信号 . 显示电路采纳简洁有用地 4 个七段共阳数码管组成动态扫描电路 .超声波发

23、射电路主要由反相器 4069 和超声波发射换能器 FSQ构成，单片机P1.0 端口输出地 40kHz 地方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器地一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器地另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器地两端，可以提精湛声波地发射强度. 输出端采两个反向器并联，用以提高驱动才能. 超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板 . 当它地两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片地固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，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器；反之，假如两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换

24、为电信号，这时它就成为超声波接收换能器. 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地标志.超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20216A组成，它是一款红外线检波接收地专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器. 考虑到红外遥控常用地载波频率 38kHz 与测距地超声波频率 40kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测 接收电路 . 试验证明用 CX20216A接收超声波 无信号时输出高电平 ，具有很好地灵敏度和较强地抗干扰才能 . 适当更换电容 Cs 地大小，可以转变接收电路地灵敏度和抗干扰才能 .欢迎下载精品学习资源在元件及调制方面，由于采纳地电路使用了很多集成电路.

25、 外围元件不是很多，所以调试不会太难 . 一般只要电路焊接无误，稍加调试应当会正常工作. 电路中除集成电路外，对各电子元件也无特殊要求. 如能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，就可提高抗干扰才能 .我要感谢孔老师，邵老师和陈老师在设计中对我赐予地尽心指导和严格要求，同时也感谢本班同学在设计期间所赐予我地帮忙. 在我论文写作期间，各位同学给我供应了种种专业学问上地指导，使我能够这么顺当地完成设计与制作，借此机会，向您们表示由衷地感谢. 同时仍要感谢系试验室在设计期间供应给我们优越地试验条件 .附录一：电气原理图附录二：程序调试欢迎下载精品学习资源VOUTEQUP1.0 ORG0000H LJMP

26、START ORG0003H LJMPPINT0 ORG000BH LJMPINTT0 ORG0013H RETI ORG001BH LJMPINTT1 ORG0023H RETI ORG002BH RETI；*主程序 *START:MOVSP,#4FH MOVR0,#40H MOVR7,#0BH欢迎下载精品学习资源CLEARDISP:MOVR0,#00H INCR0DJNZR7,CLEARDISP MOV20H,#00H MOVTMOD,21H MOVTH0,#00H MOVTL0,00H MOVTH1,0F2H MOVTL1,0F2H MOVP0,0FFH MOVP1,0FFH MOVP2

27、,0FFH MOVP3,0FFH MOVR4,04H SETBPX0SETBET0 SETBEA SETBTR0START1:LCALLDISPLAY欢迎下载精品学习资源JNB00H,START1 CLREA LCALLWORK SETBEA CLR00H SETBTR0 MOVR2,#64HLOOP:LCALLDISPLAY DJNZR2,LOOP SJMPSTART1INTT0:CLREA CLRTR0欢迎下载精品学习资源MOVTH0,#00H MOVTL0,#00H SETBET1 SETBEA SETBTR0 SETBTR1 OUT:RET；T1 中断，发超声波用：INTT1:CPLV

28、OUT DJNZR4,RETIOUT CLRTR1CLRET1 MOVR4,#04H SETBEX0 RETIOUT:RETI；外中断 0，收到回波时进入PINT0:CLRTR0 CLRTR1 CLRET1欢迎下载精品学习资源CLREA CLREX0 MOV44H,TL0 MOV45H,TH0 SETB00H RETI；*显示程序： *DISPLAY:MOVR1,#40；HG MOVR5,#0F7；H G PLAY:MOVA,R5 MOVP0,#0FFH MOVP2,AMOVA,R1 MOVDPTR,#TAB MOVCA,A+DPTR MOVP0,A LCALLDL1MS INCR1MOVA,

29、R5欢迎下载精品学习资源JNBACC.0,ENDOU；TG RRAMOVR5,A AJMPPLAYENDOUT:MOVR2,#0FFHMOVP0,#0FFH RETTAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH；共阳段码管 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,不亮,A,-；延时程序 : DL1MS:MOVR6,#14HDL1:MOVR7,#19H DL2:DJNZR7,DL2 DJNZR6,DL1RET；* *距离运算程序 * WORK: PUSHACCPUSHPSW欢迎下载精品学习资源PUSHBMOVPSW

30、,#18HMOVR3,45HMOVR2,44HMOVR1,00DMOVR0,17DLCALL MUL2BY2 MOVR3,#03HMOVR2,0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV40H,R4MOVA,40HJNZJJ0MOV40H,#0AHJJ0: MOVA, R0MOVR4,AMOVA,R1MOVR5,AMOVR3,00DMOVR2, #100D LCALL DIV4BY2欢迎下载精品学习资源MOV41H,R4MOVA,41HJNZJJ1MOVA,40HSUBBA,#0AHJNZJJ1MOV 41H,#0AHJJ1:MOV A,R0 MOV R4,A MO

31、V A,R1 MOV R5,AMOV R3,#00DMOV R2,10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H,R4 JNZ JJ2MOV A,41H SUBB A,#0AH JNZ JJ2MOV 42H,#0AHJJ2:MOV 43H,R0POP B欢迎下载精品学习资源POP PSW POP ACC RETMUL2BY2:CLR AMOVR7,A MOVR6,A MOVR5,A MOVR4,A MOV46H,#10HMULLOOP1:CLR CMOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R6 RLC A MOV R6,A

32、MOV A,R7 RLC A MOV R7,A欢迎下载精品学习资源MOV A,R0 RLC A MOV R0,A MOV A,R1 RLC A MOV R1,AJNC MULLOOP2 MOV A,R4ADD A,R2 MOV R4,A MOV A,R5 ADDC A,R3 MOV R5,A MOV A,R6 ADDC A,#00H MOV R6,A MOV A,R7 ADDC A,#00H MOV R7,AMULLOOP2:DJNZ 46H,MULLOOP1RET欢迎下载精品学习资源DIV4BY2:MOV 46H,#20HMOV R0,#00H MOV R1,#00HDIVLOOP1:MOV

33、 A,R4RLC A MOV R4,A MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R6 RLC A MOV R6,A MOV A,R7 RLC A MOV R7,A MOV A,R0 RLC A MOV R0,A MOV A,R1 RLC A MOV R1,A CLR C欢迎下载精品学习资源MOV A,R0 SUBB A,R3 JC DIVLOOP2 MOV R0,B MOV R1,ADIVLOOP2:CPL CDJNZ 46H,DIVLOOP1 MOV A,R4RLC A MOV R4,A MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R6 RLC A MOV R6,A MOV A,R7 RLC A MOV R7,A RETEND9/PIXTEL_MMI_EBOOK_2005欢迎下载精品学习资源欢迎下载