【正文】 基于AT89S51單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 所 在 系： 專業(yè)名稱： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 基于AT89S51單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì) 學(xué)生： 指導(dǎo)老師：內(nèi)容提要：我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽不見了。我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)。其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，具有方向性強(qiáng)、能量集中、不受光和電磁波以及粉塵等外界因素的干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波可用于非接觸測量，利用計(jì)算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標(biāo)無損害。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)。正由于這樣，目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。本文主要介紹基于AT89S51單片機(jī)，輔助以CX20106A紅外接收專用放大電路，TCT4010超聲波傳感器和數(shù)字化的溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)的超聲波測距儀。測距原理采用一般的方法：渡越時(shí)間法TOF（timeofflight）來測量物體與發(fā)聲源的距離。測量距離大概5m。關(guān)鍵字：超聲波 渡越時(shí)間法 AT89S51 CX20106A TCT4010 DS18B20 AT89S51 MCUBASED DESIGN OF ULTRASONICRANGE FINDERAbstract：We know that objects will sound when they vibrate. Scientists call the number of vibrations per second frequency of sound, its unit is the Hertz. Our human ears can hear the sound frequency between 20 ~ 20,000 Hz. When the sound wave frequency is greater than 20000 Hz or less than 20 Hz, we can’t listen it. We have higher than 20000 Hz frequency sound waves known as Ultrasonic. The sound wave which we can listen and ultrasonic have the same essence, they are also a mechanical vibration. Their difference is that the ultrasonic have a highfrequency and a short wavelength, furthermore it is high directivity, concentrated energy, and free form light and dust, such as electromagnetic interference from external factors, etc. Therefore, ultrasound can be used for noncontact measurement, the use of ultrasound in the calculation of the measured objects and the transmission between the ultrasonic probe to measure the distance of the measured target without damage. This paper mainly introduces singlechip based on the AT89S51, auxiliary CX20106A infrared receiver to a dedicated amplifier and TCT4010 ultrasonic sensor designed ultrasonic range finder. Ranging general principle of the method used: transittime method TOF (time of flight) to measure objects with the sound source distance. Measuring the distance about 5m, the measurement accuracy of about .Key words：ultrasonic timeofflight ultrasonicsensor AT89S51 CX20106A TCT4010 DS18B20目 錄一、引 言 1（一）課題背景 1（二）課題研究目的和意義 4（三）研究內(nèi)容以及方法原理 4（四）論文完成的工作 6二、總體方案設(shè)計(jì) 7三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7（一）單片機(jī)AT89S51的基本設(shè)計(jì) 7（二）CX20106A紅外接收放大模塊的設(shè)計(jì) 11（三）TCT4010超聲波傳感器的設(shè)計(jì) 14（四）DS18B20溫度傳感器的設(shè)計(jì) 15（五）LED數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 17四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 18五、總結(jié)與未來展望 19致 謝 19附 錄 21參 考 文 獻(xiàn) 32基于AT89S51單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì)一、引 言（一）課題背景隨著工業(yè)，建筑業(yè)，農(nóng)業(yè)建設(shè)的不斷發(fā)展，距離測量頻率的不斷提高，一些在早期社會(huì)，曾被人類廣泛應(yīng)用的米尺不在滿足人類的要求，就出現(xiàn)了現(xiàn)在人類所應(yīng)用的間接測量工具。測量能夠?yàn)槿藗兲峁┮粋€(gè)距離衡量的尺度，對待事物有準(zhǔn)確的物理概念。然而隨著社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步，人類的測量范圍不斷膨脹，由地表向兩側(cè)延伸，對地質(zhì)的研究，宇宙的探索，可謂兩極化的發(fā)展。大到無邊宇宙，小到原子，或更加細(xì)微的測量區(qū)間，米尺加公式的測量時(shí)代早已不能滿足探索的需要，而被人們作為探測行業(yè)的基石。 在測量方面，尤其工業(yè)，據(jù)了解，我國一些工業(yè)領(lǐng)域曾經(jīng)使用過接觸式測量儀，但普遍存在著這樣一些問題，抗粉塵能力差，觸點(diǎn)接觸不良，經(jīng)常失靈，誤動(dòng)作，不可調(diào)整，容易被雜物纏繞而誤報(bào)等缺點(diǎn)，工作不可靠，影響設(shè)備的正常使用。針對以上這些缺點(diǎn)。我們考慮研究一種非接觸測量儀器。 在信息化，現(xiàn)代化的時(shí)代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，非接觸測量出現(xiàn)了微波雷達(dá)測距，激光測距及超聲波測距等。前幾種方法由于技術(shù)難度大，成本高，一般僅用于軍事工業(yè)，而超聲波測距由于其科研技術(shù)難度相對較低，且成本低廉，適于民用推廣。所以現(xiàn)在我們所見到一些測量儀基本上都是利用超聲波來測距的。 超聲波作為一種檢測技術(shù)，采用的是非接觸式測量，此特點(diǎn)可使測量儀器不受被測介質(zhì)的影響。這就大大解決了在粉塵多情況下，給人類引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測物對測量儀器腐蝕，觸點(diǎn)接觸不良造成的誤測情況。且對被測元件無磨損，使測量儀器牢固耐用，使用壽命加長，而且還降低了能量消耗，節(jié)省人力和勞動(dòng)的強(qiáng)度。從長遠(yuǎn)利益看，是多向節(jié)能型研究。 超聲波測距與其它非接觸式的檢測方式方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法它不受光線，被測對象顏色，電磁干擾等影響。超聲波對于被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量，機(jī)械手控制，車輛自動(dòng)導(dǎo)航，物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辯力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。 超聲波是一種指向性強(qiáng)，能量消耗慢的波。它在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)。因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，可解決超長度的測量。 超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?，反射，折射，干涉，衍射，散射。與物理緊密聯(lián)系，應(yīng)用靈活。并且更適合與高溫，高粉塵，高濕度和高強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。 無論從精度還是從可靠性方面，超聲波測距做得都比較好。利用超聲波檢測即迅速，方便，計(jì)算簡單，又易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。具有廣泛的發(fā)展前景。 另外，在控制方面，單片機(jī)其卓越的性能，要本設(shè)計(jì)中得到了很好的體現(xiàn)，尤其在檢測，控制領(lǐng)域中，具有以下特點(diǎn)： 小巧靈活，成本低，易于產(chǎn)品化，它能方便地組裝成各種智能測試，控制設(shè)備及各種智能儀器表。 可靠性好，適應(yīng)范圍廣，單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，這是其它原件無法比擬的。 易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)。單片機(jī)的邏輯控制功能很強(qiáng)，指令系統(tǒng)有各種控制功能所用的指令。 可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)制分布式控制。 本文論述了采用單片機(jī)技術(shù)研制成功的用超聲波測距儀的基本原理，測量計(jì)算方法簡單，實(shí)現(xiàn)方案容易。采用軟件控制，提高了測量精度和整機(jī)的可靠性。可在潮濕高溫，多塵等惡劣環(huán)境下工作。并且靈敏度高，可靠性強(qiáng)。而且這個(gè)測距系統(tǒng)還可以經(jīng)過簡單的修改就能實(shí)現(xiàn)其它的檢測要求。例如：超聲波測距儀廣泛應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于聯(lián)合收割機(jī)、液位、井深、管道長度等的實(shí)時(shí)測量場合。根據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測距系統(tǒng)，但是專用集成電路的成本很高，并且沒有數(shù)據(jù)顯示，操作使用很不方便。因此本設(shè)計(jì)采用了以AT89S51單片機(jī)為核心低成本，高精度，LED數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)果的硬件電路設(shè)計(jì)方法。整個(gè)設(shè)計(jì)對其它所用器件也進(jìn)行了介紹和對比。綜合了各器件的功能，耐用性，市場價(jià)位等多方面因素，選件謹(jǐn)慎、適用。硬件設(shè)計(jì)方面利用所學(xué)的知識(shí)和理論聯(lián)系實(shí)際的方法，本著和大學(xué)課本密切聯(lián)系的原則來完成設(shè)計(jì)任務(wù)。在文中還詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的主要芯片（AT89S51，CX20106A, TCT4010）的性能和特點(diǎn)。軟件設(shè)計(jì)方面采用MCS51語言，通俗易懂。通過實(shí)際測試使用證明，該超聲波測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測距精度高，性能良好，可廣泛應(yīng)用到實(shí)際中以方便觀察測試結(jié)果。那什么是超聲波呢？我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20，000赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動(dòng)頻率大于20KHz以上的,其每秒的振動(dòng)次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。知道人類第一次真正“認(rèn)識(shí)到”超聲波是怎么樣的呢？這要?dú)w功于意大利科學(xué)家斯帕拉捷。斯帕拉捷習(xí)慣晚飯后到附近的街道上散步。他常?？吹剑芏囹痨`活的在空中飛來飛去，卻從不會(huì)撞到墻壁上。這個(gè)現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？ 　　1793年夏天，一個(gè)晴朗的夜晚，喧騰熱鬧的城市漸漸平靜下來。帕斯拉捷匆匆吃完飯，便走出街頭，把籠子里的蝙蝠放了出去。當(dāng)他看到放出去的幾只蝙蝠輕盈敏捷地來回飛翔時(shí)，不由得尖叫起來。因?yàn)槟菐字或?，眼睛全被他蒙上了，都是“瞎子”呀?　　斯帕拉捷為什么要把蝙蝠的眼睛蒙起來呢？原來，每當(dāng)他看到蝙蝠在夜晚自由自在的飛翔時(shí)，總認(rèn)為這些小精靈一定長著一雙特別敏銳的眼睛，就不可能在黑夜中靈巧的多過各種障礙物，并且敏捷的捕捉飛蛾了。然而事實(shí)完全出乎他的意料。斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠憑什么來辨別前方的物體，捕捉靈活的飛蛾呢？ 　　于是，蝙蝠在空中還是飛的那么敏捷、輕松?！半y道他薄膜似的翅膀，不僅能夠飛翔，而且能在夜間洞察一切嗎？”斯帕拉捷這樣猜想。他又捉來幾只蝙蝠，用油漆涂滿它們的全身，然而還是沒有影響到它們飛行。 　　最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把他們放到夜空中。這次，蝙蝠可沒有了先前的神氣。他們像無頭蒼蠅一樣在空中東碰西撞，很快就跌落在地。 ??！蝙蝠在夜間飛行，捕捉食物，原來是靠聽覺來辨別方向、確認(rèn)目標(biāo)的！ 　　斯帕拉捷的實(shí)驗(yàn)，揭開了蝙蝠飛行的秘密，促使很多人進(jìn)一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“聽”到?jīng)]有聲音的物體呢？ 　　后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。原來，蝙蝠靠喉嚨發(fā)出人耳聽不見的“超聲波”，這種聲音沿著直線傳播，一碰到物體就像光照到鏡子上那樣反射回來。蝙蝠用耳朵接受到這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，靈巧的自由飛翔，捕捉食物。 現(xiàn)在，人們利用超