超声波测距仪实验报告

  超声波测距仪     目录 一．超声波测距原理…………………………………………………………………………3 二．超声波测距硬件部分……………………………………………………………………4 1.单片机部分及显示 ………………………………………………………………5 2.发射部分………………………………………………………………………………7 3.接受部分………………………………………………………………………………7 三．超声波测距仪软件部分 ……………………………………………………………… 9 四．串口 …………………………………………………………………………………… 13 五．调试 …………………………………………………………………………………… 11 六． 实验心得……………………………………………………………………………… 15 七． 实验结果 ………………………………………………………………………………16 八． 参考文献 ………………………………………………………………………………17 附录一 ……………………………………………………………………………………… 18 附录二 …………………………………………………………………………………………21 一．超声波测距仪原理 超声波发生器内部结构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振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：① 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离；② 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=1／2vt。本测量电路采用第二种。由于超 声波 的声速 与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通 过温度补偿 的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 超声波仿真采用AT89C52，实际运用AT89S52单片机,晶振:11.0592M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号,利用外中断1口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,断码用74HC245,位码用三极管驱动。 超声波测距的算法: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离， 超声波测距器的系统框图如下图所示： 二． 超声波测距仪硬件部分 超声波学习板采用仿真用了AT89C512，实物用的是或AT89S52单片机,晶振:11.0592M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号,利用外中断0口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,断码用74HC245,位码用三极管驱动. 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CX20106A红外接收芯片和T40-16系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，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。T1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。 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1-2 所示。 1.单片机系统及显示电路 单片机采用89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图所示. 74HC245：总线驱动器，典型的TTL型三态缓冲门电路。  　 由于单片机等CPU的数据／地址／控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。  　 另外，也可以使用74HC244等其他电路，74HC244比74HC245多了锁存器。 74HC245 引脚图 第1脚DIR，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。  第2~9脚“A”信号输入输出端，A1=B1、、、、、、A8=B8，A1与B1是一组，如果DIR=“1”OE=“0”则A1输入B1输出，其它类同。如果DIR=“0”OE=“0”则B1输入A1输出，其它类同。  　 第11~18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，不再描述。  　 第19脚OE，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。  　 第10脚GND，电源地。  　 第20脚VCC，电源正极。 2.发射部分 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，本次试验所选用的是74HC04集成芯片，图1-3 为发射电路图。 74HC04 逻辑图： 3.接收电路 超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。本系统采用了CX20106A对接收到的信号进行放大，接收电路如下图 所示。 使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A的引脚注释。 1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。 2脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。 3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。 4脚：接地端。 5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。 6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚：电源正极，4.5～5V。 三．超声波测距仪软件部分 控制口发一个10US 以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了。 模块工作原理： (1)采用 IO 触发测距，给至少10us 的高电平信号; (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 输出一高电平，高电平持续的时间就是 (4)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; 程序图下图，(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。 1. 延时 void delay_20us() {  uchar bt ; for(bt=0;bt<100;bt++); } 2. 中断程序 //外部中断0，用做判断回波电平 INTO_()  interrupt 0  // 外部中断是0号 {    outcomeH =TH1;    //取出定时器的值 outcomeL =TL1;    //取出定时器的值 succeed_flag=1;  //至成功测量的标志 EX0=0;            //关闭外部中断 } //**************************************************************** //定时器0中断,用做显示 timer0() interrupt 1  // 定时器0中断是1号 { TH0=0xfd; //写入定时器0初始值 TL0=0x77;        switch(flag)  { case 0x00:P0=ge; P2=0xfd;flag++;break; case 0x01:P0=shi;P2=0xfe;flag++;break; case 0x02:P0=bai;P2=0xfb;flag++;break; case 0x03:P0=qian;P2=0xf7;flag=0;break; } } 3. 显示部分 采用的共阳的显示管 uchar code SEG7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//数码管0-9 uint distance[4]={0,0,0,0};  //测距接收缓冲区 //定时器0中断,用做显示 timer0() interrupt 1  // 定时器0中断是1号 { TH0=0xfd; //写入定时器0初始值 TL0=0x77;        switch(flag)  { case 0x00:P0=ge; P2=0xfd;flag++;break; case 0x01:P0=shi;P2=0xfe;flag++;break; case 0x02:P0=bai;P2=0xfb;flag++;break; case 0x03:P0=qian;P2=0xf7;flag=0;break;