基于AT89C52单片机的超声波测距系统

基于AT89C52单片机的超声波测距系统收稿日期：!""# $ %! $ %& 收修改稿日期：!""’ $ "! $ !" 基于 !"()##!单片机的超声波测距系统王安敏，张凯（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 $%%&%’）摘要：介绍了一种基于 *+(),#! 单片机的超声波测距系统，阐述了超声测距系统的硬件电路构成、工作原理及软件设计方法。该系统硬件结构简单、工作可靠，有良好的测量精度和灵敏度。关键词：超声波；测距；单片机中图分类号：+-!&. 文献标识码：* 文章编号：%""! $ %(/%（!""’）"’ $ ...

收稿日期：!""# $ %! $ %& 收修改稿日期：!""’ $ "! $ !" 基于 !"()##!单片机的超声波测距系统王安敏，张凯（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 $%%&%’）摘要：介绍了一种基于 *+(),#! 单片机的超声波测距系统，阐述了超声测距系统的硬件电路构成、工作原理及软件设计方法。该系统硬件结构简单、工作可靠，有良好的测量精度和灵敏度。关键词：超声波；测距；单片机中图分类号：+-!&. 文献标识码：* 文章编号：%""! $ %(/%（!""’）"’ $ ""/# $ "! ()*+,-./01 20-*,/13 "3-*0/4 56-*37 8,-39 ./ !"()##! 50/4)3:1;0< =01+.1.7<>*3+ 0*12 *34563，78*12 9:6 （#.))343 .? =31;,/01,) =,/>?,1*>+3 ,/9 !>*.7,*0./，@0/49,. (/0A3+-0*6 .? 5103/13 B "31;/.).46，@0/49,. $%%&%’，#;0/,） !C-*+,1*：;3<=>?@AB? >3B @C<=:D>36A ?6D<:3AB 3 *+(),#! D63ECB4AH6I 56A=>A>5I@K? :3? IB=:<63E I=63A6ICB L +HB DFD>? 5B:D@=63E I=BA6D6>3 :3? DB3D6<6M6=N =BC6:GCF L D36 E.+9-：@C<=:D>36A；?6D<:3AB A>5I@= !""’ 1>Y’ 万方数据图 ! 超声波发送电路 " !# 超声波接收电路超声波接收电路包括三级回波放大电路以及电压比较整形电路两部分，与超声波接收传感器 "#$%#&’ 配合使用，实现超声波的接收功能。 ( !& !) 放大电路及其参数的设计当测量距离较大时，超声波的回波较弱，这时候就需要将信号放大，否则其转换成电信号的幅值也会比较小。如图 ( 所示，设计中，采用三级放大电路，将信号放大 *% 万倍左右。其中运算放大器 +,&#、+,&-放大倍数为 )%% 倍，+,&, 放大倍数为 *% 倍。 !、". 组成选频电路，滤除 $% /01以外的干扰信号。 "2、 3) 组成信号整流滤波电路，将接收到的 $% /01 反射波交流信号转化成直流电压信号。根据公式 #$ 4 %$ & %&（以第一级放大电路为例），可以求得各放大电路的参数。计算后，取值如下： %& 4 )% /!，%$ 4 ) "!，%* 4 )% /!，’ 4 ) "!（ ’ 为滤波电路等效阻抗），%5 4 )% /!，%)% 4 *(% /!! 再由公式 ’ 4 ) ) %). 6 7!( 6 ) 7 )! ，! 4 ("* 及 * 4 ) ("!!" （其中 * 4 $% /01），可求得 " 4 ( %%% 89、! 4 5 :0、%). 4 ) "!，电容 "&、"$、"*、"2 的作用为滤掉直流信号，对电容的大小无特别要求，所以一律选为 (( ;9 ! ( !& !( 电压比较电路及其参数的设计电压比较器的功能是比较两个电压值的大小，例如，将一个信号电压 +) 和另一个参考电压 +’进行比较，在 +) < +’和 +) = +’时，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。比较器的输出通常只有高电平和低电平两个稳定状态，因此它相当于一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳转到另一个电平。系统中，比较器的作用是将直流信号电压与设定的基准电压相比较，当信号电压大于基准电压时，比较器输出正脉冲，>) 导通，?& ! & 接收负脉冲信号，单片机 ,?@ 发出中断，记录发射信号与接受信号之间的时间，并计算距离。在比较器的设计中要考虑两点因素：第一，要使 >) 导通；第二，要使经过三极管以后的电压与 #A5B,.( 的 ?& !& 口相匹配。为了在实际应用时能得到合适的参数，将 %))设计为最大阻值为 )% /!的可调电阻，这样，适当调节 %))的阻值便可得到满足上述条件的电压信号。其他阻值参照一般常用比较电路依次确定为 %)( 4 )%% /!、%)& 4 ) /!、 %)$ 4 ) /!!电容 "5 的作用是滤除交流信号，因此对其大小没有要求，选择标准值 % C%)#9 ! 图 " 超声波接收电路 # 系统软件设计系统软件部分包括主程序、中断子程序和其他子程序。主程序完成系统初始化后调用包括中断子程序在内的各个子程序完成距离测量并显示输出。各子程序主要有：延时子程序、距离计算子程序及 -,3 码转换子程序等。主程序流程图如图 & 所示。系统在软件设计过程中还涉及到以下问题 " " " ：初始化盲区延时子程序 ) :D # E有回波F 显示最大距离 " F 开始开中断、 " #$ 等待回波 $ G G E " " 中断信号处理子程序距离计算子程序 -,3 " " 码转换子程序延时显示输出图 # 主程序流程图 # !! 串扰问题设计中，超声波发射极和接收极距离较近，这样，当发射极发射超声波后，有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收极上，这部分信号是无用的，会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题，并设定延时时间为) :D，即在发射极发射超声波 ) :D内，通过软件关闭所有中断，接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬，) :D 后立即启动 A%，这时接收到的信号才有效，并在接收到回波信号的同时，A% 停。此时 A%所记录的 ,?@发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的。当然，这样设计的结果是系（下转第 $B 页） $* +;DHIJ:K;H AKLM;NOJK P;Q RK;DSI TJ;C(%%* 万方数据根据上述要求和通讯模块通用性的实际情况，该模块上添加了 ! 个按键、" 个 # 位拨码开关和多个指示灯进行例如数据传输模式、波特率、地址、数据位等参数的设置。内部的软件编程按照：按“设置”键，相应功能的指示灯亮，然后用拨码开关对其进行设置，按“确认”键读入单片机。如此可依次对数据传输模式、串口属性等进行设置。 ! 软件实现系统软件以 $%&’()通讯协议为核心基础，附以自定义的通讯协议，以标准的 $%&’() 通讯协议为对外接口，以自己定义的通讯协议为对下位机的通讯接口，以此来实现通讯的连接转换。软件分 * 部分：图 ! 通讯模块软件系统功能框图（"）模数转换部分，实现模拟信号的数据采集。（!）下位机的串口软件。由实际仪表的通讯协议定义的下位机通讯软件，重点是要看实际仪表的通讯方式。（+）$%&’()通讯软件。重点是要分清每个通讯的数据帧的帧头和帧尾，特别是在 ,-( 模式下，必须分清帧头在什么位置。做法是在串口中断中打开定时中断，在通讯间隔超过通讯 + ./ 个字符时认为通讯一帧结束，再来串口中断就是下一帧的开始。（*）数据处理软件。$%&’()通讯协议建立在 0,0 校验基础之上，因此通讯可靠性比较好，在软件中采用查表的方式来进行 $%&’()校验，极大地提高了程序运行的效率。 " 结束语该通讯模块是针对工业上来自不同厂商生产的检测仪表进行组网数据采集的。可以对现场工业仪表输出的标准的模拟信号和 ,) 1 !+! 数字信号进行软件处理，并以 $%&’() 通讯协议的形式上传到上位机控制系统，实现进一步的存储和控制等处理。在投入运行中，模块本身实现了实时性、可靠性、组网简单化等特点。随着工控组态软件的广泛采用，提高了系统的成功率和可靠性［/］。带有标准协议的通用型数据采集模块有广泛应用。参考文献：［"］胡大可 . $)2*+3 系列 45678型超低功耗 "9 位单片机 .北京：北京航空航天大学出版社，!33! . ［!］ :;65<= &>?@A>7 . + B C / B，*/3 D: "9 1 ’@E，)@=D6 1 &>5E6 :&0 :&FF"/， !333 . ［+］ ->G67 H;7EIJD>;E7 H;AL . $:M+!!" + 1 B E< / . / 1 B DJ5E@A86;;>5 ,) 1 !+! 5@;> LI@?>I C I>A>@?>I，!333 . ［*］提高 *#/总线的可靠性［&’ C %N］（!33+ 1 "! 1 "+）［!33* 1 "3 1 "/］. 8EEK：C C OOO . A>E@;>E . A C 5@7E . 67K？ @;L>G@L Q "FFF . ［/］谢军 .工控组态软件的功能分析和应用 .交通与计算机，!333（+）： *9 1 *# . 作者简介：汪献忠，（"R9*—），副教授，主要从事自动化领域的教学、科研工作。（上接第 *9 页）统不可避免的产生了测量盲区。盲区为 ! Q "F AD，即障碍物在 "F AD以内时，系统不能检测。 ! #$ 二 %十进制数（&’(码）的转换问题为了简化硬件电路和节省转换时间，首先用二进制对每 " 位十进制数字编码，即 ’0& 码，这种编码方式的特点是保留十进制的权，而数字用二进制表示。这时获得的是压缩的 ’0& 码，要想获得要显示的十进制数，还必须执行一个分离 ’0& 码的子程序———分别屏蔽每一字节高低 * 位，然后将所获得的高低 * 位分别存放在 " 个字节中。为了保证在一系列的运算和转换后其结果还能满足一定的精度，在分离 ’0& 码后，系统还运行了一段四舍五入子程序。 ! .! 软件抗干扰设计系统中通过在非程序区安排指令强迫复位，即采用所谓的 “软件陷阱”的方法来解决程序“飞走”的问题，具体来说是用 “NS$2 3333T”指令来填满非程序区。另外，设置了“看门狗”来防止程序进入死循环：选定定时 C计数器 ! 作为软时钟，定时时间 93 7 .即让 -" 定时 "33 D7，并用 "F 对其计数，"F 计数初值为 933，"33 D7 U 933 Q 93 7 .93 7 后，就转入程序复位。当系统正常工作时，在每次操作之前的初始化阶段，均对 -!T、-!N 重新置入时间常数。 " 结束语系统测量范围较大（最大限定 "3 D），测量误差小，所用都是常规部件，具有较强的实用价值。另外，由于其结构简单、体积小、抗干扰性能好，所以比较适用于行走机器人。当然，要满足更高的精度要求，还须进行适当改进，例如可增加温度补偿单元；在某些特殊场合的应用中，还要考虑超声波的入射角、反射角以及超声波传播介质的密度、表面光滑度等因素。参考文献：［"］何立民 .单片机应用系统设计 .北京：北京航空航天大学出版社， "RR3 . ［!］吴金戌，沈庆阳，郭庭吉 . #3/" 单片机实践与应用 .北京：清华大学出版社，!33+ . ［+］王福瑞 .单片微机测控系统设计大全 .北京：北京航空航天大学出版社，"RR# . 作者简介：王安敏，（"R93—），博士，教授，主要研究方向为光机电一体化、机电系统计算机控制及计算机辅助测试。第 9 期汪献忠等：基于 $%&’()协议的工业智能通讯模块的设计 *R 万方数据基于AT89C52单片机的超声波测距系统作者：王安敏，张凯， WANG An-min， ZHANG Kai 作者单位：青岛科技大学,机电工程学院,山东,青岛,266061 刊名：仪表技术与传感器英文刊名： INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR 年，卷(期)： 2006，(6) 引用次数： 7次参考文献(3条) 1.何立明单片机应用系统设计 1990 2.吴金戌.沈庆阳.郭庭吉 8051单片机实践与应用 2003 3.王福瑞单片机微机测控系统设计大全 1998 相似文献(10条) 1.期刊论文谭进怀.冯地耘.陈立万.TAN JINHUAI.FENG DIYUN.CHEN LIWAN 超声波语音测距系统在车辆避障中的应用 - 微计算机信息2008,24(2) 介绍了一种基于单片机控制的超声波语音测距系统.采用多路超声波语音测距电路的测量方法,提高了距离测量的精度和准确性,实现了车辆全方位避障的可能性.给出了超声波语音测距系统在车辆避障中的实际应用. 2.期刊论文潘仲明.杨俊.王跃科超声波扩频测距及其信道自适应均衡技术 -国防科技大学学报2002,24(6) 在扩频通讯系统框架中,建立一种新颖的多阵元超声波测距定位系统.从测距系统的仿真结果来看,采用二进制相移键控(BPSK)直序信号数字相关解调技术和基于最小均方算法的超声波接收信道自适应均衡器,不仅可以克服本地载波(相干解调)相位偏移所带来的不利影响,而且可以抑制多径信道噪声干扰和接收信道增益、相位随机漂移对测量精度的影响,从而提高了超声波测距系统的信噪比和分辨率.此外,采用伪随机码扩频解扩方法,容易实现码分多址(只要给安装在大范围测量区域中多个传感器分配相应的伪随机码,就可以方便地辨认出各个区域传感器发出的信号),扩大超声波测距系统的测量范围. 3.期刊论文陈先中.张争.王伟.Chen Xianzhong.Zhang Zheng.Wang Wei 大量程超声波回波测距系统的研究 -仪器仪表学报2004,25(z3) 描述了超声波脉冲回波测距系统的基本组成;重点对大量程超声波发射电路进行了比较,提出了三种工业用大量程超声波测距系统的激励电路原理,并分析了电感瞬间放电法原理在大量程测距系统中的应用;设计了低噪声程控放大脉冲接收电路,实现大量程条件下信号的稳定接收;提出了在发射和接收电路之间设置 "硬开关"和"软开关"的设计概念,彻底切断发射电路和其他回波信号对接收电路的干扰,提高回波信号的信噪比,实现大量程范围内距离的准确测量.最后,对智能回声接收软件的波形分析法进行了简单的介绍,并给出了一些智能化处理的实例. 4.会议论文陈先中.张争.王伟大量程超声波回波测距系统的研究 2004 描述了超声波脉冲回波测距系统的基本组成;重点对大量程超声波发射电路进行了比较,提出了三种工业用大量程超声波测距系统的激励电路原理,并分析了电感瞬间放电法原理在大量程测距系统中的应用,设计了低噪声程控放大脉冲接收电路,实现大量程条件下信号的稳定接收;提出了在发射和接收电路之间设置 "硬开关"和"软开关"的设计概念,彻底切断发射电路和其他回波信号对接收电路的干扰,提高回波信号的信噪比,实现大量程范围内距离的准确测量.最后,对智能回声接收软件的波形分析法进行了简单的介绍,并给出了一些智能化处理的实例. 5.期刊论文冯德虎.FENG De-hu 基于超声波的高精度测距系统的研究 -陕西科技大学学报（自然科学版）2007,25(4) 设计了以单片机8051为核心的基于时差法的高精度测距系统.该系统放大电路的增益随距离而变化,接收采取了低通和带通滤波以消除干扰,对温度的影响进行了修正计算,回波增加了门限电压比较电路,采取上述措施提高了系统的测距精度. 6.期刊论文卜坤亮.王建东.樊玮虹.王成友基于FPGA芯片的超声波红外线测距系统 -微处理机2006,27(2) 介绍了基于FPGA芯片的超声波红外线测距系统的组成,工作原理和程序设计方法,并将本系统应用于智能机器人中,实现机器人的避障功能,辅助完成了智能化控制. 7.期刊论文陈洁.焦振宇基于BP网络的高精度超声波液位计研究 -电子测量技术2009,32(9) 分析了超声波速度在不同的传输介质、环境下的变化,以及由此导致的超声波回波测距时对液位测量的影响.实验得出超声波传播速度与温度、湿度是一个非线性函数,利用BP神经网络能很好地逼近非线性函数的特点,建立神经网络模型来逼近该函数,利用样本数据在Matlab环境下训练得出权值与阈值并保存留用 .在应用系统编程时构造相同的BP网络,编写一个前向计算函数,即可获得系统当时环境下的超声波传播速度.应用该方法后,回波测距的精度提高了2到3个数量级 . 8.期刊论文李柱峰.徐秀平.LI Zhu-feng.XU Xiu-ping 基于超声波的微机自动化测距方法 -机电工程2000,17(6) 介绍了基于超声波的微机自动化测距方法,并给出了微机程序流图及系统构成的基本原理. 9.学位论文黄建兵超声波精确测距的研究 2004 超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用如汽车倒车雷达等,它们测距精度一般较低.目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大.为此,该文在了解超声波测距原理的基础上,完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统的硬件设计,其中提出采用单片机外部扩展的计数电路可升高计数参考频率,来提高系统的测距精度.为了进一步提高系统测量精度和系统稳定性,在硬件上增加了温度传感器,采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正,降低了温度变化对测距精度的影响;同时采用CPLD芯片来完成计数功能,从而提高了系统计时的可靠性.针对噪声环境中超声波测距的情况,该文讨论了一种基于相移检测的时延估计方法,可有效地降低噪声对测距的干扰,有利于提高超声波测距系统的测量精度. 10.学位论文王慧基于总线的超声波测距仪的研究 2007 利用超声波测量距离是一种有效的非接触式测距方法，可广泛应用于各种需要测量距离或物位参数的场合。近年来，科学技术的不断发展对距离测量的精度、广度和抗干扰性提出了越来越高的要求，超声波测距技术本身也在不断的完善和发展，测距仪更趋向小型化和智能化，逐步实现了高精确度、高可靠性、安全性和多功能化。传统的超声波测距仪只能完成单一的测距功能，本论文将以研究超声波测距系统为主，兼顾将超声波测距系统网络化，即通过各类总线把超声波测距系统与控制计算机相连接，便于远程监控和进行数据分析，从而节省人工劳动强度，提高效率。论文详细介绍了超声波的物理特性，超声波测距原理以及脉冲发射法用于超声波测距的可行性分析，针对便携仪表对功耗的基本要求设计了由超低功耗MSP430单片机为核心的硬件电路，并分别介绍了各功能模块的软件实现过程；文中就可能影响本系统测量精度的因素和干扰进行了详尽的分析并给出了相应的改进措施，对测距结果进行误差修正；为方便数据的进一步处理和应用于远距离监控，设计了基于RS-485总线、USB总线、无线数传和以太网接口，可以将该超声波测距仪应用于其它系统作为辅助设备。引证文献(8条) 1.修丽萃.刘泊基于共振解调技术测量钢轨的长度[期刊论文]-哈尔滨理工大学学报 2009(z1) 2.汪强.罗庆生.韩宝玲.赵小川基于DSP的高抗干扰性超声波测距系统[期刊论文]-仪表技术与传感器 2009(5) 3.周洪全.杨晓东基于AT89S52单片机的超声波测距仪[期刊论文]-内蒙古石油化工 2008(15) 4.耶晓东超声波测距仪的设计与制作[期刊论文]-国外电子测量技术 2008(11) 5.杨理践.于振华.高松巍水下超声波测距技术的研究[期刊论文]-电子质量 2008(03) 6.周华茂.程小辉.符晗基于CAN总线的嵌入式超声波测距仪[期刊论文]-仪表技术与传感器 2008(01) 7.白顺先超声波测距系统的设计与实现[期刊论文]-科技信息（学术版） 2007(27) 8.冯明发.卢锦川智能高尔夫球服务车的设计[期刊论文]-微型机与应用 2009(15) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ybjsycgq200606020.aspx 下载时间：2010年1月1日

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