设计一种AT89C51单片机的超声波测距系统

purpose_857 · 发表于 2022-3-31 11:01

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设计思路分析
　　本设计电路包括超声波的发射和接收电路以及51单片机、LCD液晶显示、红外遥控、温度采集等外围辅助电路。通过编写相应的程序，可以使51单片机控制整个系统稳定工作，实现对实际距离的测量，并将测量结果显示在LCD液晶屏上等一系列功能。在超声波测距系统中，主要是对超声波发射和接收的控制，以及对发射和接收时间的计算与处理。下面详细介绍超声波测距系统的设计原理及过程。
　　1.什么是超声波
　　超声波是频率高于⒛ kHz的声波，为直线传播方式，有很好的方向性，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，可以在空气、水等介质中远距离传播，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石和杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业方面有广泛应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
　　在空气中，超声波的衰减对频率r很敏感，所以应合理选择超声波频率，一般在40kHz左右，频率太高的超声波在空气中无法传播开去。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失、障碍物的反射损失和背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。传感器工作频率的确定基于以下几点考虑：
　　① 如果测距的能力要求很高，则声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，因此为了减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。
　　② 工作频率越高，相对同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越强，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，要求工作频率提高。
　　③ 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸越大，制造和安装就越困难。
　　综上所述，选择测距仪的工作频率为40kHz。这样，传感器方向性强，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失相对低频来说有所增加，但不会给发射和接收带来困难。
　　2.发射脉冲宽度
　　发射脉冲决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但是同时也减小了发射能量，对接收回波不、利。最终采用短距离（2m内）发射⒛0us（8个40kHz方波脉冲）的发射脉冲宽度，长距离（2m外）发射800us（32个40kHz方波脉冲）的发射脉冲宽度。同时单片机程序避开盲区。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量脉冲宽度比较合适，并且接收准确，响应速度快。所以，在一般的长距离测距时，选择800us的脉冲宽度。
　　3.超声波测距的原理及测量方法
　　超声波测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距最为常见，它主要基于对超声波测距回波信号进行识别，采用模拟方法用电路来实现，如图1所示。

　　图1 超声波测距原理

　　测距原理是超声波传感器发出超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声波传感器接收反射脉冲，测量超声波脉冲从发射到接收的时间，在已知超声波声速的前提下，利用公式

　　当被测距离S小于盲区距离h（h=2m），即可计算传感器与反射点之间的距离S，测量距离公式为

　　当被测距离S》=h时，d约等于S，即

　　4.对超声波测量数据的处理
　　在整个超声波测距系统中，单片机是系统的核心，它控制着整个系统的工作过程。单片机使超声波发射模块发射出40kHz频率的信号，经放大后通过超声波换能器输出，同时该时刻启动定时器开始计时。该信号遇到障碍物反射后，被超声波接收模块采集到，通过对信号检波放大，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间;再由系统软件对该时间进行计算、判别后，将相应的计算结果送至LCD液晶显示电路进行显示。
　　硬件设计
　　单片机控制部分
　　本系统采用的是AT89C51高性能CMOS8位单片机。片内含有8KB的可反复擦写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM）。器件采用Atmel公司高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。单片机是整个系统的核心，指挥着整个系统的工作。在该系统中，用到了单片机上的硬件资源有：I/O口、定时器、串口和中断等。该系统中，单片机的硬件电路如图3所示。

　　图2 单片机的硬件电路

　　超声波模块部分
　　HC-SR04超声波测距模块可提供 2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测
　　距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
　　基本工作原理：
　　（1）采用IO 口TRIG 触发测距，给最少10us 的高电平信呈。
　　（2）模块自动发送8 个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；
　　（3）有信号返回，通过IO 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声
　　波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2;
　　LCD显示部分
　　本系统中的LCD采用的是1602字符液晶模块，能够同时显示16字×2行即32个字符。1602液晶模块的控制器采用的是HD44780。1602液晶模块的引脚说明如表1所列。

　　表1 LCD1602液晶显示模块功能表

　　根据表1的1602引脚表就可以很容易地设计出LCD显示的硬件电路了，LCD1602液晶显示模块的硬件电路如图3所示。

　　图3 LCD1620液晶显示模块的硬件电路

　　软件设计
　　软件系统设计与硬件设计一样，可以把整个系统按功能划分成不同的模块来设计，这样便于软件的编写和管理，同时也便于系统调试。在本系统中，可将整个系统划分为以下几个功能模块：主程序、红外遥控接收子程序、温度检测子程序、超声波发射子程序超声波接收中断以及计算显示子程序。整个系统的软件流程图如图4所示。

　　图4 系统的软件流程图

　　PCB图如图5所示：

　　图5 超声波测距仪PCB图