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1、基于单片机的超声波测距仪设计作者姓名：*专业名称：*指导教师：* 讲师摘 要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C52单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能
2、良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。关键词：超声波 单片机 测距 AT89C52AbstractUltrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,u
3、ltrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , building construction site and some industrial scenes extensively.This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor
4、 in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C52 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost ,
5、the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C52 as the core ,this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , apt to accomplish rea
6、l-time control ,and can reach industrys practical demand in measuring the precision.Key Words: Ultrasonic wave; One-chip computer; Range finding; AT89C52目录摘 要IABSTRACTII目录III1导论11.1设计目的11.2超声波测距离的应用领域11.3课题任务及内容22总体方案设计介绍42.1超声波测距离原理42.2超声波传感器特性53硬件电路设计73.1单片机AT89C52介绍73.1.1单片机系统设计113.1.2复位电路123.2超声
7、波发射电路133.3超声波检测接收电路143.4超声波显示电路153.5报警电路163.6电源电路设计174系统程序的设计184.1超声波测距器的算法设计184.2总体设计方案194.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序204.4主程序205电路调试及误差分析225.1系统干扰因素225.2电路的调试245.3声速引起的误差245.4环境对测量的影响255.5系统功能25结论27致谢28参考文献29附录一硬件电路图30附录2程序311导论1.1设计目的随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发
8、展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展
9、到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。1.2超声波测距离的应用领域在工程实践中，超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。下图1.1所示超声波常见的应用范围。超声波应用倒车雷达建筑工地工业现场智能机器人图1.1超声波应用范围它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。、1.3课题任务及内容设计
10、一超声测波测距仪，任务：(1).了解超声波测距原理。(2).证据超声波测距原理，设计超声波测距仪的硬件结构电路。设计一超声测波测距仪，要求：(1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。(2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。(3).对设计的电路进行分析。(4).以数字的形式显示测量距离。课题设计的内容：本设计采用以AT89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、中断程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理
11、，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。2总体方案设计2.1超声波测距离原理人们可以听到的声音频率为20Hz20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。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以具有发送和接收声波的双
12、重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。单片机障障碍物发射管接收管图2.1 超声波原理图本文所研究的超声波测距仪利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时
13、，停止计时。设超声波在空气中的传播速度为V，在空气中的传播时间为T，与障碍物的距离为S，S=VT/2这样可以测出汽车与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上显示出来。如上图2.1所示超根据设计要求并综合各方面因素，本例决定采用AT89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。超声波测距器系统设计如图2.2所示。本文所设计的超声波测距仪主要由AT89C52单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路.如下图2.1.2所示。超声波接收超声波发送单片机控制器LED显示扫描驱动图2.2超声波测距系统设计框图首先由单片机驱动产生12MHZ晶振，
14、由超声波发射探头发送出去，在遇到障碍物反射回来时由超声波接收探头检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入单片机进行计算，把计算结果输出到LED液晶显示屏上。2.2超声波传感器特性超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如下图2.3所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有频率是，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时他就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时他就成为超声波接受换能器了，超声波发射换能器与接受换能器其结构上稍有不同，
15、使用时分清器件上的标志。电极压电晶 片共振板图2.3 超声波换能器结构图本文所设计的超声波测距仪主要由AT89C52单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路.超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式，产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液 和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。3硬件电路设计硬件电路的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。超声波测距板采用AT89C52单片机晶振为12M，单
16、片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号，利用外中断监测超声波接收电路输出的返回信号，显示电路采用简单的4位共阳LED数码管，段码驱动用74LS244集成电路，位码用S8550三极管驱动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。采用AT89S52来实现对超声波模组进行控制，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离3.1单片机AT89C52介绍AT89C52芯片图如下图所示。图3.1 AT89C52引脚图AT89C5
17、2 主要性能：1、 与MCS-51 单片机产品兼容2、 8K 字节在系统可编程Flash 存储器3、 1000 次擦写周期4、 全静态操作：0Hz33Hz 5、 三级加密程序存储器6、 32 个可编程I/O 口线7、 三个16 位定时器/计数器8、 八个中断源9、 全双工UART 串行通道10、低功耗空闲和掉电模式l1、掉电后中断可唤醒l2、看门狗定时器13、双数据指针l4、掉电标识符功能特性描述：AT89C52提供以下表中功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时
18、，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作指导下一个硬件复位。VCC : 电源电压GND: 地P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节
19、；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表3.1 P1.0和P1.1口的第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外
20、部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重在触发信号和方向控制）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash
21、编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表3.2 P3口的第二功能P3.0RXD(串口输入)P3.1TXD(串口输出)P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断0）P3.4T0(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器
22、1外部输入)P3.6(外部数据存储器写选项)P3.7(外部数据存储器写选项)RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效
23、。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡
24、器反相放大器的输出端。Flash 编程并行模式：AT89C52 带有用作编程的片上Flash 存储器阵列。编程接口需要一个高电压（12V）编程使能信号，并且兼容常规的第三方Flash 或EPROM 编程器。编程方法：对AT89C52 编程之前，需设置好地址、数据及控制信号，可采用下列步骤对AT89C52 编程：1在地址线上输入编程单元地址信号2在数据线上输入正确的数据3激活相应的控制信号4把EA/Vpp 升至12V 5每给Flash 写入一个字节或程序加密位时，都要给ALE/PROG 一次脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常均为1.5ms。重复15步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到
25、全部文件编程结束。3.1.1单片机系统设计单片机系统由CPU AT89C52和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和运行。图3.2中MCS-51内部时钟方式电路外接晶体以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz12MHz之间任选，电容的典型值在20pF100pF之间选择，但在60pF70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右，但本电路采用33pF。在设计印刷电
26、路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。AT89C52的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计中所用到的是上电按钮复位。图3.2 单片机最小系统3.1.2复位电路单片机AT89C52作为主芯片，控制整个电路的运行、单片机外围需要一个复位电路。复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关火电源插头分合过程中引起的抖动而影响复
27、位。该设计采用含有电阻的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降(电池电压不足)等引起的问题。在电源电压瞬间下降的时候可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位，复位电路设计如下图3.3所示：复位是单片机的初始化操作，使CPU及各专用存储器处于一个确定的初始状态，其中把PC的内容初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，除了系统的正常开机（上电）复位外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死循环状态时，为摆脱困境，可按复位键进行复位，复位电路由片外和片内两部分电路组成。AT89C52的RST引脚为复位引脚，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平
28、，即可实现复位，复位通常有上电复位和按键复位两种方法。本设计采用的事按键复位，当按下键后，电容被短路，RST引脚就处于高电平，就可以达到复位的目的，如下图3.3所示。图3.3复位电路3.2超声波发射电路由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路。图3.4 超声波发射电路原理图超声波发射电路原理图如图3.4所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40KHZ方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。另一路经两级反向器后送到超声波的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到
29、超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度，输出采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R1.R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。3.3超声波检测接收电路参考红外转化接收电路，本设计采用集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用他作为超声波检测电路。如图3.5超声波检测接收电路原理图所示，适当改变C12的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。管脚1是超声波信号输入端，是输入
30、阻抗约为40K;管脚2的C12 R19决定接受换能器的总增益，增大电阻R或者减小C，将使放大倍数下降，负反馈量增大，电容C的改变会影响到频率特性，实际使用中一般不改动，推荐选择参数R=4.7 K，C=3.3uF;管脚5上的连接电阻R18用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低，取R=200 K时，中心频率约为42KHZ；管脚6与GND之间接入一个分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短；管脚7是遥控命令输出端，是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源，该阻值推荐阻值为R5=220 K,没有接受信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降；管脚
31、8接电源正极。4.5v-5v.超声波接受电路原理图如下3.5所示图3.5超声波接收电路原理图3.4超声波显示电路LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。LED数码管结构简单，价格便宜。图4.3示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。图3.6(a)为八段共阴数码显示管结构图，图3.6 (b)是它的原理图，图3.6 (c)为八段共阳LED显示管原理图。八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同图3.6 八段LED数码显
32、示管原理和结构单片机的显示电路图如图3.7所示，显示电路由单片机的P0口接74ALS245再连接七段数码管的数据显示通道进行显示，而通过单片机的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7与共射极三极管的基极相连来控制数码管的位选通。图3.7单片机及显示系统电路图3.5 报警电路采用一个蜂鸣器，输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管放大。报警的部分电路如下图3.8所示。实现的功能：当测得的距离小于最小值时，警报器触发。图3.8 报警电路3.6电源电路设计本装置的电源是通过整流桥整流后经C7,C6滤波后由7805稳定后提供稳定的5V电压通电时发光二极管亮,如下图3.9所示。图3.9电源
33、电路原理图4系统程序的设计超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接收中断程序及显示子程序组成，由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序行动的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。4.1超声波测距器的算法设计图5.1示意了超声波测距的原理，既超声波发生器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，就会被超声波接收器R接收
34、到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器于反射物体的距离。该距离的计算公式如下4-1：d=s/2=(vt)/2 （4-1）其中：d为被测物于测距器的距离；s为声波的来回路程；v为声速；t为声波来回所用的时间。单片机障碍物发射管接收管图4.1 超声波测距离原理图限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波也是一种声波，其
35、声速v与温度有关，下表4.1 列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可以为声速是基本不变的。如果测距精度很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。表4.1 超声波波速与温度的关系表温度（）-30-20-100103030100声速（m/s）3133193253233383443493864.2总体设计方案由单片机AT89C52编程产生40kHz的方波，由P1.0口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉
36、冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。图4.2 时序图该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图4.2所示。4.3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的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。就立即关闭计
37、时器T1，停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T1溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值0，以表示本次测距不成功。单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。4.4主程序主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口P0和P2清0；然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传到接收器引起的直射波
38、，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才可打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（5-2）计算，即可得被测物体与测距器之间的距离。设计时取20时的声速为344m/s，则有d=（vt）/2=（172T/10000）cm （4-2）其中：T为计数器T0的计数值。程序流程图如图4.3，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。是否无有有回波初始化定时中断子程序外部中断子程序等待定时中断入
39、口定时器初始化发射超声波发射完否停止发射清中断返回外部中断入口读取时间值计算距离保存结果清中断返回(a) (b) (c) 图4.3 程序流程图用单片机编程产生40kHz方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一个延时函数，然后可用语句循环，并且循环一次同时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。5电路调试及误差分析5.1系统干扰因素测量装置的干扰来自多方面。机械振动或冲击会对传感器产生严重的干扰;光线对测量装置中的半导体器件会产生干扰;温度的变化会导致电路参数的变动，产生干扰:以及电磁干扰等等。干扰窜入测量装置有三条主要途径，如图5.1：电磁干扰电源干扰信号干扰单 片 机 测 量图5.1 产生
40、误差的途径（1）电磁干扰干扰以电磁波辐射的方式经空间窜入测量装置。信道干扰。信号在传播过程中，通道中各元器件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。（2）电源干扰这是由于电源波动、市电电网干扰信号的窜入以及装置供电电源电内阻引起各单元电路相互祸合造成的干扰。一般情况下，电磁感应和静电感应干扰主要由发电机、电动机、大功率继电器、电台等的感应引起，其强度远小于电源接地系统和U0系统的干扰，这种干扰可采用良好的屏蔽与正确的接地、高频滤波加以抑制。因此，在微机系统中，供电系统与v0通道的干扰是问题的主要方面。（3）供电系统干扰及其抗干扰由于供电电网面对各种用户，电网上并联着各种各样的用电器。用电器在开关机
41、时都会给电网带来强度不一的电压跳变。这种跳变的持续时间很短，人们称之为尖峰电压。它会影响测量装置的正常工作。（4）电网电源噪声把供电电压跳变的持续时间At ls者称为过压和欠压噪声。供电电网内阻过大或网内用电器过多会造欠压器声。供电电压跳变的持续时间lmsAtls ，称为浪涌和下陷噪声。它主要产生于感性用电器(如电机)在开关机时所产生的感应电动势。供电电压跳变时间的持续时间At lm s的被称为尖峰噪声。（5）供电系统的抗干扰供电系统常采用下列几种抗干扰措施: 交流稳压器。它可消除过压、欠压所造的影响，保证供电的稳定。 隔离稳压器。由于浪涌和尖峰噪声主要成份是高频分量，它们不通过变压器级线圈之
42、间的互感祸合，而是通过线圈寄生电容祸合。隔离稳压器初次级间用屏蔽层隔离，减少级间祸合电容，从而减少高频噪声的窜入。 低通滤波器。它可滤去大于50Hz市电基波的高频干扰。对于50HZ市电基波，则通过整流滤波后也能够完全滤除。 独立功能块单独供电。在电路设计时，有意识地把各种不同功能块的电路单独设置供电系统电源。这样做基本可消除各单元电路因共用电源而引起相互耦合所造成的干扰.在本系统中就采用了这种电源的配置。接地系统的设计测量装置中的地线是所有电路公共的零电平参考点。理论上，地线上所有的位置的电平应该相同。然而，由于各个地点之间必须用具有一定电阻的导线连接，一量有地电流流过时，就有可能使各个地点的
43、电位产生差异。同时，地线是所有信号的公共点所有信号电流都要经过地线。这就可能产生公共地电阻的祸合干扰。地线的多点相也会产生环电流.环路电流会与其它电路产生祸合。所以，认真设计地线和接地点对于系统的稳定是十分重要的。5.2电路的调试首先测试发射电路对信号放大的倍数，先用信号源给发射电路输入端一个40kHz的方波信号，峰-峰值为3.8V。经过发射电路后，其信号峰-峰值放大到10V左右。40kHz的方波驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，在单片机的外部中断源输入端产生
44、一个中断请求信号。该测距电路的40kHz方波由单片机编程产生，方波的周期为1/40ms，即25s，半周期为12.5s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于12M晶振的单片机的时间分辨率是1s，所以只能产生半周期为12s或13s的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。5.3声速引起的误差声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度对相应静止值的扰动。高于2 104 Hz 时的机械波称为超声波,媒质包括气体、液体和固体。流体中的声波常称为压缩波或压强波,对一般流体媒质而言,声波是一种纵波,
45、传播速度为c =sqrt ( E/) .(1)式中E 为媒质的弹性模量,kg/mm2 ;为媒质的密度,kg/mm 3 ; E 为复数,其虚数部分代表损耗,; c 也是复数,其实数部分代表传播速度,虚数部分则与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减) 有关,m/s 。测量后者可求得媒质中的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等) 有关。利用声波反射原理,已知声速c ,测量发射波与反射波的时间隔t , 可得到发射点与反射点的距离S 为S = ct/ 2 . (2)5.4环境对测量的影响从式（1）可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距
46、离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。声速受温度的影响为C= C0sqrt(1+ (/273 ) . (3)图6.3根据上式测量的温度-声速图。图5.2 空气中温度-声速图由式(3)和图5.2可见，当温度从040变化时，将会产生7%的声速变化，因此，为了提高测量准确度，计算时必须根据温度进行声速修正。工业测量中，一般用公式计算超声波在空气中的传播速度，即C=331+0.6 . (4)
