多超声波传感器的距离测量系统设计.docx

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1、摘要本文详细介绍了一种基于AT89C51单片机的脉冲反射式双传感器超声波测距系统设计，具体内容为测距单元硬件设计和单片机应用程序设计；该系统是以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波的时间差来测量待测距离。本超声波测距系统设计基于Polaroid 6500系列的超声波传感器及其驱动模块两套，设计以AT89C51单片机为核心的超声波测距电路，能实现多模式距离测量与温度补偿以及距离结果显示，并且能够以串行通信方式将处理后的测距数据信号传送到PC机，并从PC机接受控制信号。本系统安装使用方便，价格便宜，并可与遥测遥控系统配合使用，有较广阔的应用前景。关键词: 超声波，超声波传感器

2、，超声波测距系统，AT89C51单片机，温度补偿。 ABSTRACTThe thesis introduces a kind of single-pulse-reflection double- -ultrasonic sensors distance measurement system design in detail based on the AT89C51 SCM. The specific contents are the designs of hardwares unit and application of the SCM; This system could measure c

3、ertain distance with the time between transmitted wave and reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave is fixed in room。 The ultrasonic distance measuring system is based on the Polaroid 6500 series of ultrasonic sensors and two sets of drive module, the design has used takin

4、g the AT89C51 SCM as the core of ultrasonic ranging circuit, to achieve multi-mode distance measurement and temperature compensation, the results displayed by LED. And sent the ranging data signals to the PC by the way of Serial communication after the signals been dealt with, accept controlling sig

5、nals from the PC.This system is easy to be installed and applied，low in Price and capable of being used in combination with the systems of telemetering and telecontrolling ，and it has extensive application prospects. Key Words:Ultrasonic wave,Ultrasonic sensor，Ultrasonic distance-measurement system，

6、The AT89C51 SCM，Temperature compensation.60* 论文 目录目录第1章 绪论 11.1 课题的提出 11.2 超声测距技术的研究情况及其发展21.3 本课题的研究内容及其意义3第2章 超声波测距技术综述52.1超声波简介52.2超声波测距的一般原理和方法62.3超声波传感器的主要参数及选择7第3章 超声测距系统总体设计方案143.1 总体设计方案概述 143.2单片机控制超声波传感器声波收发电路的设计 163.3 温度信号采集电路的设计 173.4显示单元电路的设计 183.5单片机与PC机串行通信的设计 19第4章 超声波测距系统硬件及软件的实现 21

7、4.1单片机AT89C51214.2系统硬件设计的其他芯片原理介绍 244.3 系统软件设计 30第5章 实验结果及其分析435.1实验结果 435.2实验结果分析 44参考文献 46致谢47附录48* 论文 绪论第1章 绪论1.1 课题的提出随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要。比如，传统的接触式测量仪器(如钢卷尺)在测量巷顶与底板距离及巷道的变形量时，这种仪器对高于3m的顶板安设困难，且测量不准确;对于巷道横向变形量的测量，若安设于巷道两侧之间，则妨碍人、车来往，若不固定安设装，则测量精度低，难以监测微小变形。又如在自动化装配、检测、分类、加

8、工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别，尤其在工件运输过程中进行识别，则问题更为复杂与困难，因此人们急切需要非接触式测距仪。目前，非接触式测距仪器常采用超声波、激光和雷达。但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:1.超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离;2.超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体);3.超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟

9、雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。作为一种非接触式的测量方式，超声波测距器可以广泛应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如水库液位、工业测井、管道长度的测量等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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，因此超声波测距系统在移动机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测等方面也得到了广泛的应用。1.2 超声测距技术的研究情况及其发展超声检测主要是利用超声波作为载体，即通过超声在媒质中

10、的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律而发展变化。上世纪五六十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器，如英国的UCT-2超声波检测仪；后来国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg，该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。七十年代中期，因无损检测

11、技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，硬件电路的简化更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg；英国CN.S公司推出仅有3.5Kg重的PLJNDIT便携式超声仪。 随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声波检测仪测量时带来的较大测试误差,进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显并带有单片机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智

12、能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。如今学术研究多采用美国Polaroid 公司的6500系列超声波传感器。我国煤炭科学研究院研制的2000A型超声波分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发，达到了国际先进水平。1.3 本课题的研究内容及其意义在许多距离测量工作中，外界光线、色彩、电磁场以及有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境等因素往往会造成

13、测量结果出现较大误差，同激光或红外线等测距方法相比，超声波方向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，对外界光线、色彩、电磁场不敏感，也更适用于黑暗、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，且在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势；作为一种非接触式的测量方式，超声波测距器可以广泛应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。本设计在理论方面对超声波传感器的工作原理，单片机对传感器工作的控制处理等方面内容

14、进行了深入的分析研究，同时对超声波测距结果的LED显示和温度补偿等问题也做出了较实际的分析处理，在此基础上，以Atmel89C51单片机为核心的超声收发控制电路及数据采集处理和显示电路，采用由Polaroid600系列传感器和6500系列驱动模块的超声波测距仪。Polaroid600系列传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，测距范围从6英寸到35英尺，绝对精度1%，声波频率为49.4kHz，最大工作周期80 ms，本设计能够实现多（单）传感器多（单）目标测量等多种模式测量、温度补偿。具有电路简单，集成度高，体积小，功耗低，温度补偿，测量精度及灵敏度高，调试方便等优点，适合非接触测距的广泛应用

15、。* 论文 超声波测距技术综述第2章 超声波测距技术综述2.1超声波简介在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，声学是最早发展的学科之一。早在19世纪，声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。然而由于超声波是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。人们可听到的声音频率为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，频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波，称为超声波。声波的速度越高，越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波

16、形也不同。一般有以下几种:1.纵波：质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播。2.横波：质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。它只能在固体中传播。3.表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波。表面波只在固体地表面传播。总体上讲超声波发生器可以分为两大类:一类使用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各有不同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。由于是利用超

17、声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波必须要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波功率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成4OKHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。2.2超声波测距的一般原理和方法超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立刻停止计时。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time

18、of flight）9。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间t，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即 公式(2.1) 其中为传感器与被测障碍物之间的距离，为声波在介质中的传输速率。在空气中声波传输速率为 ，其泰勒级数展开式（仅保留到一次项）为：c=c00.607T, 其中为绝对温度，。由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、也可以通过标定距离来确定计算距离的波速，较精确地得出该环境下的超声波经过的路程，提高测量精度。在测距精度不是很高的情况下，一般认为c为常数340m/s。超声波探测方法主要有脉冲反射法（把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波的方

19、法）、穿透法（利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法）、声阻法（利用被测物件的振动特性，即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测）等；本次超声波测距系统设计采用的是脉冲反射法。2.3超声波传感器的主要参数及选择2.3.1主要参数1.中心频率中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。2.灵敏度灵敏度的单位是分贝(dB)，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。3.

20、指向角指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般为几度至几十度。4.工作温度工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。以石英晶片为例，当温度达到+290时灵敏度可降低6%。一旦达到居里温度点（573），就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在-20至+70温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传感器温度较高，必须采取冷却降温措施。2.3.2超声传感器及其驱动模块的选择超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装置能发射超声波和接受超声波回波，并转换成相应电信号。本设计选用Polaroid

21、 600系列传感器、Polaroid 6500系列超声波测距驱动模块。2.3.2.1 Polaroid 600系列传感器2该超声波测距传感器采用了6500系列的测距驱动模块和能够发出高频超声波的陶瓷振荡器(ceramic oscillator)，当给驱动模块以触发信号，此振荡器便以狭小的圆锥形式发出40Khz的超声波，当遇到障碍物时超声波会有回波，那么该振荡器又变成了一个超声波接收器，当接收回波时，Polaroid 6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收，并把接受到的信号放大变成电信号，而其它频率的信号则被过滤。如果记下从发出触发信号到接到回波信号的时间t，根

22、据公式s=ct/2即可得距离。Polaroid 600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角，如图2.1所示：图2.1 波束角超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在D时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。此超声波最近可以测量20cm。2.3.2.2 Polaroid

23、6500系列超声波传感器测距驱动模块31、Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块的特点： 精确的声纳测量范围，从152.4毫米到10.668 米 可选择的工作方式 精确的时钟输出 与TTL电平的兼容 多功能的测量能力 带插槽的数字芯片 方便的终端连接 有可调的电位计 2、Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块的硬件电路如图2.2所示：图2.2 Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块的硬件电路TL851是一个经济的数字12步测距控制集成电路4。内部有一个420KHz的陶瓷晶振，Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块开始工作时，在发送

24、的前16个周期，陶瓷晶振被8.5分频，形成49.4KHz的超声波信号，后通过三极管Q1和变压器T1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4.5分频。TL852是专门为接收超声波而设计的芯片5。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，TL852主要提供了放大电路，当TL852接收到4个脉冲信号时，就通过REC给TL851发送高电平表明超声波已经接收。3、 Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块的描述：该系列是一种非常经济实用的声纳驱动模块，它可以驱动所有的Polaroid生产的超声波传感器而不用其他的额外的器件。这个模块有一个简单的结构，它的测量范围是152.

25、4mm10.668 m，在整个测量范围内它的精确度是+/-1%，该模块有外部消隐输入可以使其工作在多回声模式。在多回声模式下，它能区分开距离仅有3英寸的两个目标。这种把回波以数字形式输出和可变带宽的放大器能很大地减小噪声。给该模块的供电电压的范围是4.5-6.8伏之间，它工作的环境温度是040摄氏度。4、Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块的推荐工作条件：表2.1 Polaroid 6500的推荐工作条件 最小 最大 单位 电源电压 4.5 6.8 V 高电平输入 2.1 V 低电平输入 0.6 V ECHO和OSC输出 6.8 V上电到加INIT的延迟时间 5 ms 每次测

26、量的工作周期 80 ms 环境温度 0 40 5、Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块的各控制信号INIT引脚：该模块上电之后，给该引脚送高电平则超声波传感器开始发出超声波。ECHO引脚：回波输出信号，输出为高电平时表示遇到障碍物。INTERNAL BLANKING：内部消隐信号，给INIT引脚送高电平之后，该信号会变为高电平，只有该信号为低电平且发现障碍物时ECHO引脚才会有高电平输出，如果在该信号为高电平期间有障碍物ECHO引脚也不会有高电平输出。BLNK引脚：外部消隐信号，当发现一个目标后ECHO引脚会变为高电平，为了检测多个目标，应再使ECHO引脚变为低电平，如果给B

27、LNK送一个宽度大于0.44ms的脉冲，就可以完成此功能。BINH引脚：外部消隐允许，只有给此引脚送高电平，BLNK所加的所有信号才有效。6、 Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块的工作方式：6500超声驱动模块有两种工作方式：单回声工作方式和多回声工作方式。给该模块上电后，加触发信号INIT，超声波传感器开始工作，内部消隐允许信号BINH在两种工作方式下的应用是相同的。触发INIT信号必须是给该模块上电5毫秒之后，以保证内部电路的复位及内部晶振的稳定。触发INIT信号后，XDCR引脚会有输出，频率为49.4Khz振幅为400v的16个脉冲会激励陶瓷震荡片开始发出超声波，16

28、个脉冲之后幅值为200 v的电压会作为最优的选择仍加在该传感器上。为了消除超声波传感器自身的回响，会有一个高电平的2.38ms内部消隐信号禁止REC接受回波，如果想提前结束内部消隐，只需把BINH信号置为高电平即可提前结束内部消隐。在单回声模式下（Figure1），所有应该做的是发出超声波后等待回波，回波信号被放大以ECHO引脚变为高电平的形式输出。记下从触发INIT到ECHO引脚输出高电平的时间边可以计算传感器到目标的距离。如果想让一个超声波传感器重复工作，在检测完一个循环后，必须给INIT引脚送低电平，然后再触发INIT，那么下一次测量就开始了。图2.3 单回声工作方式各引脚信号如果用一个

29、超声波传感器的一个发射循环来检测多个目标即检测多个回波，它便是多回声工作方式（Figure2）。接受到第一个回波信号之后ECHO图2.4多回声工作方式各引脚信号引脚回变为高电平，我们可以通过给外部消隐BLNK引脚送高电平来促使ECHO引脚变为低电平以备检测下一目标之用(注意：先使BINH变高，在让外部消隐BLNK引脚送高电平)。外部消隐信号的高电平必须至少保持0.44ms的持续时间来说明来自第一个目标的16个返回脉冲和允许内部延迟时间,这一时间会使超声波传感器区别目标的距离大于3英寸。随着INIT变为高电平一个新的超声测距周期就开始了，接收放大器的增益是离散性逐渐增加的，因为信号的传播是随着距

30、离的增加而削弱的。大约38毫秒之后增益达到最大。正因如此，35英尺以外的返回信号就难以被检测到，尽管我们可以通过调节电阻R1来增大增益，然而这种接收放大器的增益的增加也是有极限的，这会随着应用的改变而改变，在生产该产品的时候都作了最终的匹配性的测试，这种测试是非常必要的，因为如果有一个电阻与该模块相匹配，我们想要的放大器增益比该模块增益的分布要小的多。如果匹配的好的话，这种模块在很多应用中会表现的很出色。基于此接收放大器增益可以被增加，如果需要还可以相应的增加R1，因为这种接收放大器增益是和R1直接成正比的。电位计VR1能够提供级间的接收放大器增益的调整，它可以通过调整R1来整理整个测量范围内

31、的放大器增益。* 论文 超声波测距系统硬件及软件的实现第3章 超声测距系统总体设计方案3.1 总体设计方案概述图3.1系统总体设计方案图本专题设计以AT89C51单片机为核心的超声波测距系统设计方案图如图3.1所示，系统选择了与设计比较适合的收发于一体的Polaroid600超声波传感器系列及Polaroid6500驱动模块两套。系统计划在实验室内实现小范围测距试验，测试距离约在20cm2m以内（系统的实际测量范围能力为20cm10m以内），通过单片机的软件编程控制计划进行单传感器单目标测量、单传感器双目标测量、双传感器单目标测量、双传感器双目标测量等多种测量模式（所谓单/双目标是指传感器工作

32、一次测出一/两个目标结果的测量方式；单/双传感器是指只有一个传感器工作/两个传感器同时工作的测量方式）。测量模式的选择与控制实现是由PC 机完成，单片机负责执行命令并进行目标测量，将测出的距离结果，发送给PC机，并将测距结果进行LED显示，显示电路采用动态扫描显示，通过单片机编程将得到的传感器测得距离信息并行输入送至4位LED数码管进行显示，LED由8位数据/地址锁存器74LS273驱动，第一位数码管数据为该路传感器的信息，后三位数码管显示的数据XXX，表示由该路传感器测得的距离为XXXcm。系统工作过程大体如下：系统模块上电后，单片机AT89C51先把P1.0（或P1.3）置0，低电平信号通

33、过反相器，给传感器的INIT引脚送入高电平信号，以启动超声波传感器1或超声波传感器2发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。由于设计采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完超声波脉冲后，当发出的超声波碰到障碍物时会返回到超声波传感器产生回波信号（ECHO），回波信号(ECHO)经反相器连接到单片机AT89C51的INT0和INT1引脚，触发外部中断，同时记录此刻计数器T0的计数值，计数器所计的数据就是超声波所经历的时间t。拨码开关用来设定现场温度T以得知T温度下声速c（即作出温度补偿），通过D=ct/2就可以得到传感器与障碍物之间的距离D，然后再将测距结果送至PC机及LED进行显示。关

34、于单/多目标的测量问题前文中介绍Polaroid 6500系列超声波传感器测距驱动模块的工作方式时已作出相应解释，此处不再赘述。此外本测距系统所使用的超声波传感器及其声波发射接收电路驱动模块为已提供的现有实物。3.2单片机控制超声波传感器声波收发电路的设计图3.2 单片机控制超声波传感器声波收发的电路图此部分是超声波传感器距离测量系统的单元硬件设计的核心部分和首要内容，它直接关系到整个电路设计的成功与否，其硬件连接图如图3.2所示，由于单片机引脚不便直接驱动并控制6500系列超声波传感器驱动模块的各控制信号，设计采用通过六输出反相缓冲器/驱动器74LS06来实现对6500系列超声波传感器驱动模

35、块的各控制信号的控制等，本设计中单片机与6500系列超声波传感器驱动模块的各控制信号引脚的连接方式如下： P1.0A4Y4INIT（传感器1超声波发射信号）P1.1A5Y5BLNK（传感器1外部消隐信号）P1.2A6Y6BINH（传感器1外部消隐允许）INT0反相器7404ECHO（传感器1回波输出信号） P1.3A1Y1INIT（传感器2超声波发射信号）P1.4A2Y2BLNK（传感器2外部消隐信号）P1.5A3Y3BINH（传感器2外部消隐允许）INT1反相器7404ECHO（传感器2回波输出信号）其中A1A6为74LS06的输入端,Y1Y6为74LS06的输出端。系统模块上电后，如果给P

36、1.0 或P1.3引脚送低电平信号，则传感器1或2的INIT引脚变为高电平，传感器1或2开始发出超声波，当有回波信号时，传感器ECHO引脚输出高电平信号，则单片机引脚INT0或INT1将变为低电平信号，可得知传感器1或2有回波信号返回。此外，如果要检测多个目标，需要将ECHO引脚变为低电平即可继续接受下目标，这一过程的单片机控制方法：先给单片机P1.2或P1.5引脚送低电平信号，即将传感器1或2的BINH引脚先变为高电平信号，再给P1.1或P1.4引脚送入一个宽度大于0.44ms的脉冲，则传感器1或2的ECHO引脚就可变为低电平以备接收下一回波信号的到来。3.3 温度信号采集电路的设计图3.3

37、温度信号采集电路图不同温度条件下，声波在介质（空气等）中的传播速度也不同；超声波属于声波范围，其波速与温度的关系为：波速C=331.4 m/s，其泰勒级数展开式（仅保留到一次项）为：C=331.40.607t，其中为摄氏温度。本设计采用三位拨码开关来设定测量环境温度，通过单片机软件编程获得测量环境的声速，以提高测量精度。温度的设定方法如表3.1所示：表3.1 温度的设定方法P2 P1 P0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 温度范围（C） -50 16 712 1318 1924 2530 3136 3742 读取温度t（C） -2

38、 4 10 16 22 28 34 40 其中t=6*X-2，X=07。例如：当测距环境温度在1924C时，拨码开关设定P2P1P0=100B，通过单片机编程读取P2P1P0=100B=4，在这一温度范围内的声速都近似采用22C（t=6*4-2）时的声速。3.4显示单元电路的设计图3.4显示单元电路显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，

39、采用并行方式显示的LED驱动输出设备是8位数据/地址锁存器74LS273， 每个74LS273驱动一个LED数码管（共四个），74LS273是一种带清除功能的8D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。由于本设计为双传感器，而且全程显示的距离范围在10米之内，所以设计使用4个LED数码管，用最高一位LED数码管显示传感器信息（1号或2号传感器），用另外3个LED数码管显示距离的数值XXXcm。各LED、74LS273与单片机的管脚连接：LED：a、b、c、d、e、f、g、dp按顺序依次分别与74LS273：1Q、2Q、3Q、4Q、5Q

40、、6Q、7Q、8Q相连接；四个74LS273芯片的1D8D管脚依次都连接到单片机AT89C51的P2.0P2.7上；从左至右四个74LS273芯片的/CLR管脚依次连接到单片机AT89C51的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7上，CLK管脚经过反相器7404接到单片机AT89C51的ALE/PROG上。3.5单片机与PC机串行通信的设计图3.5 MAX232接口的单片机与PC机串行通信电路图串行通信是上位机和下位机建立联系的桥梁，本测距系统单片机与PC机串行通信的设计采用MAX232单芯片实现AT89C51与PC机的RS-232C标准接口通信电路。MAX232与AT89C51和PC机的管脚

41、连接方式为：R2OUTAT89C51的串行接收端RXD，单片机接收数据；T2INAT89C51的串行发送端TXD，单片机发送数据；T2OUT9针“D”型RS232连接器的第2针端口，PC机发送数据；R2in9针“D”型RS232连接器的第3针端口，PC机接收数据。由于RS-232C的逻辑0电平规定为+5+15V，逻辑1电平规定为-15-5V,因此在于TTL电路接口时必须经过电平转换。MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的RS-232电平转换芯片，适用于各种232通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电压变换为RS-232C输出电平所需要

42、的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适应性更强。采用MAX232芯片接口的PC机与MCS-51单片机串行通信接口电路如上图3.5所示，MAX232芯片上半部分电容E3、E4、E5、E6及V+、V-是电源变换部分，因噪声VCC要加对地去耦电容E2，值为0.1uF,电容E3、E4、E5、E6为电解电容，电容值1.0uF。第4章 超声波测距系统硬件及软件的实现上一章介绍了超声测距系统的总体方案设计及具体的各个部分的设计，本章将要介绍系统方案设计的具体实现，包括三个部分：单片机AT89C51控制部分、系统硬件结构、系统软件结构。4.

43、1单片机AT89C51在本系统设计中，采用的是美国ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51作为超声波测距系统的控制器件。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机,有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。AT89C51是一种高效的微控制器，为很多智能仪器和嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。下面介绍一下本设计中所涉及的该单片机的一些功能。图4.1 单片机AT89C51引脚图4.1.1 主要功能特性： 表4.1 AT89C51主要功能特性兼容MCS51指令系统4k可反复擦写(1000次

44、)Flash ROM32个双向I/O口可编程UARL通道两个16位可编程定时/计数器全静态操作0-24MHz1个串行中断128x8bit内部RAM两个外部中断源共6个中断源可直接驱动LED3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能4.1.2 AT89C51的定时/计数器和外部中断单片机AT89C51的定时器/计数器组成的核心是一个16位加1计数器，其计数脉冲有两个来源:一是由外部事件提供的计数脉冲通过引脚Tx端口送加1计数器;另一个是由单片机内部的时钟脉冲经12分频后送加1计数器。所以，单片机AT89551的定时器/计数器既可以工作于定时方式，也可以工作于对外部事件计数方式，只要置位或者清零其控制寄存器TMOD的设置位即可实现工作方式的选择。TCON寄存器用于控制定时器/计数器的启停和中断请求。我们通过指令对TMOD和TCON这两个特殊功能寄存器的各位进行编程就可以实现整个定时/计数器功能。1.定时器/计数器方式控制寄存器TMOD用来选择定时器/计数器0、1的工作方式，低4位用于定时器/计数器0，高4位用于定时器/计数器1。其值可用程序决定。格式如表4.2所示：表4.