【正文】 cision 。基于 AT89S51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 完成日期：2022 年 4月 1日1摘 要關(guān)鍵詞：超聲波 單片機(jī) 測(cè)距 AT89S51AbstractUltrasonic 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 bine together ,ultrasonic 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 in detail ,and the performance and characteristic of onechip puter AT89S51 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 , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89S51 as the core ,this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , apt to acplish realtime control ,and can reach industry39。Key Words: Ultrasonic wave。 Range finding。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。利用單片機(jī)控制超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度較高。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義?；趩纹瑱C(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為 40kHz的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。其系統(tǒng)框圖如圖 21所示。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部4中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，結(jié)果輸出給 LED顯示。許多超聲波測(cè)距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計(jì)方法。本課題研究的測(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。超聲波在空氣中的傳播速度為 V，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。利用本測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量范圍應(yīng)在 40cm～699cm，其誤差 1cm。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，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(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。 聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。其原理為: 檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對(duì)應(yīng)值如表 21 ，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t (見(jiàn)圖 21)，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離( s ) ，即: s = v t / 2 ?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi): 一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。 機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。所謂壓電逆效應(yīng)如圖 22所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。7圖 22壓電逆效應(yīng)圖單片機(jī) AT89S51發(fā)出短暫的 40kHz信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離。單片機(jī)主控芯片使用 51系列 AT89S51單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡(jiǎn)單，調(diào)試工作小較小。單片機(jī)采用 AT89S51，系統(tǒng)晶振采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 3位共陽(yáng) LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的 P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的 、 口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用 PNP三極管 S9012三極管驅(qū)動(dòng)。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容1000次擦寫(xiě)周期全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz1288字節(jié)內(nèi)部RAM2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器全雙工串行UART通道中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性同時(shí)，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。Vcc：電源電壓10P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I／0口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。對(duì)端口寫(xiě)“l(fā)” ，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，Pl接收低8位地址。P2 口：P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I／O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I／0 口。對(duì)P3口寫(xiě)入“l(fā)”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。P3口除了作為一般的I／0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：11P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見(jiàn)圖5。對(duì)外接電容Cl、C2 雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。10pF，而如使用陶瓷諧振器選擇40pF177。用戶也可以采用外部時(shí)鐘。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。圖32為晶體接線圖和外接時(shí)鐘線路圖。10pF 外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路陶瓷濾波器：C1，C2＝40pF177。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、12超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 3位共陽(yáng) LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的 P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的 、 口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用 PNP三極管 S9012三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器 T0計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到 ，立即停止內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。 超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)主要由：AT89S51 單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路、電源濾波部份構(gòu)成。用于設(shè)定超聲波測(cè)距報(bào)警值。圖 33：超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)13 超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射如圖 34，接收電路如圖 35。接收電路由 BGBG2 組成的兩組三級(jí)管放大電路構(gòu)成；超聲波的檢波電路、比較整形電路由 CDD2 及 BG3組成。發(fā)送出的超聲波，遇到障礙物后，產(chǎn)生回波，反射回來(lái)的回波由超聲波接收頭接收到。圖 34：超聲波測(cè)距發(fā)送單元該測(cè)距電路的 40kHz方波信號(hào)由單片機(jī) AT89S51的 。s，半周期為 。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為 12M晶振，因而單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1181。s或 13181。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約 。接收電路如圖 35所示。每級(jí)放大器的放大倍數(shù)為 70倍。這里