#用51单片机设计超声波测距系统的设计原理和电路(附源程序)

基于51单片机的超声波测距仪说明书 引言

超声波测距仪，可使用于汽车倒车、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。利用超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。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。 一、性能要求

该超声波测距仪，要求测量范围在0.08-3.00m，测量精度1cm，测量时和被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。 二、工作原理及方案论证 超声波传感器及其测距原理

超声波是指频率高于20KHz的机械波。用超声波传感器产生超声波和接收超声波，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器.超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源和障碍物之间的距离。

根据要求并综合各方面因素，采用ATC52单片机作为主控制

器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距仪的系统框图如下图所示：

图1 超声波测距仪系统设计框图 三、系统硬件部分

硬件部分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。 1.单片机系统及显示电路

单片机采用ATC52来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.1引脚发射脉冲控制超声波的发送，然后单片机不停的检测外中断0口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。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和障碍物之间的距离。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244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：

C2U119XTAL151020pXT1R51018XTAL2U212M2.超声波发射电路 9RST1191OE2OE74LS244P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD739383736353433321A01A11A21A32A02A12A22A31Y01Y11Y21Y32Y02Y12Y22Y3246811131517181614129753293031PSENALEEAC320pR810KGNDC1Q1Vcc9012S13.3uQ29012Q39012Q49012P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A152122232425262728R14.7KR24.7KR34.7KR44.7K12345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATC52P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD图2 单片机系统及显示电路 1011121314151617

利用555时基电路振荡产生40kHz的超声波信号，使之和换能器的40kHz固有频率一致。12V电源保证555时基具有足够驱动能力。P1.1为超声波发射控制信号，由单片机控制。发射电路如图3所示： 图3 超声波发射电路原理图 3.超声波检测接收电路 超声波接收电路采用集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz和测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 接收电路如图4所示：

图4 超声波接收电路图 四．系统软件部分

超声波测距程序设计软件部分主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。下面对超声波测距仪的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介绍。 1．超声波测距仪的算法设计

下图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器和反射物体的距离。 距离计算公式：d=s/2=(c*t)/2

*d为被测物和测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为

声波来回所用的时间

2.主程序

主程序框图如右图所示：

主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的

晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体和测距仪之间的距离,设计时取20℃时的声速为344m/s则有： d=(C*T0)/2=172T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值） 测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。

3.超声波发生子程序和超声波接收中断程序

超声波发生子程序的作用是通过P1.1端口发送超声波发射控制脉冲信号，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。 五．软硬件调试及性能

超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm。

主要性能指标：测距仪能测的范围为0.08～3.00m，测距仪精度1cm。

程序清单

以下是用汇编语言编写的超声波测距控制源程序： 采用ATS52 12ＭＨz晶振

显示缓冲单元在４０Ｈ～４３Ｈ，使用内存44H、45H、46H用于计算距离 20H用于标志

VOUT EQU P1.0 ;脉冲输出端口

*中断入口程序*

ORG 0000H

LJMP START ORG 0003H

LJMP PINT0 ORG 000BH

LJMP INTT0

ORG 0013H RETI ORG 001BH

LJMP INTT1 ORG 0023H

RETI ORG 002BH RETI

*主程序*

START: MOV SP, #4FH

MOV R0, #40H ;40~43H为显示数据存放单元（40为最高位） MOV R7,#0BH

CLEARDISP:MOV @R0, #00H INC R0

DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H

MOV TMOD, #21H ;T1为8位自动重装模式，T0为16位定时器

MOV TH0, #00H ;65ms初值

MOV TL0, #00H ;40KHz初值 MOV TH1, #0F2H MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH

MOV P1, #0FFH

MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH

MOV R4, #04H ；超声波脉冲个数控制（为赋值的一半） SETB PX0 SETB ET0 STEB EA CLR 00H

SETB TR0 ;开启测距定时器

START1: LCALL DISPLAY

JNB 00H, START1 ;收到反射信号时标志位为1 CLR EA

LCALL WORK ；计算距离子程序 SETB EA CLR 00H

SETB TR0 ；重新开启测距定时器

MOV R2, #H ； 测量间隔控制（约4*100=400ms） LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP START 1

*中断程序*

;T0中断，65ms中断一次 INTT0: CLR EA CLR TR0

MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA

SETB TR0 ;启动计时器T0，用以计算超声波来回时间

SETB TR1 ;开启发超声波用定时器T1 OUT: RETI ;T1中断，发超声波用

INTT1: CPL VOUT

DJNZ R4,RETIOUT

CLR TR1 ；超声波发送完毕，关T1 CLR ET1 MOV R4,#04H

SETB EX0 ；开启接收回波中断 RETIOUT: RETI

;外中断0，收到回波时进入

PINT0: CLR TR0 ；关计数器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0

MOV 44H, TL0 ；将计数值移入处理单元 MOV 45H, TH0

SETB 00H ；接收成功标志 RETI

*延时程序*

DL1MS: MOV R6, #14H DL1: MOV R7, #19H DL2: DJNZ R6, DL2 DJNZ R6, DL1 RET

*显示程序*

;40H为最高位，43H为最低位，先扫描高位 DISPLAY： MOV R1, #40H;G MOV R5,#0F7H;G PLAY: MOV A, R5 MOV P0, #0FFH MOV P2, A MOV A, @R1 MOV DPTR, #TAB

MOVC A, @A+DPTR MOV P0, A LCALL DLIMS INC R1 MOV A, R5

JNB ACC.0, ENDOUT;G RR A MOV R5, A AJMP PLAY

ENDOUT; MOV P2, #0FFH MOV P0, #0FFH RET

TAB; DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH ；共阳数码管 0 ,1, 2,3,4,5,6,7,8,9,不亮，A, —

*距离计算程序(=计算值×17/1000cm) 近似

WORK: PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18H MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #17D LCALL MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV 40H, R4 MOV A, 40H JNZ JJ0 MOV 40H, #0AH ;最高位为0，不点亮 JJ0: MOV A R0 MOV R4, A MOV A R1 MOV R5 A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A, 41H JNZ JJ1 MOV A, 40H ；此高位为0，先看最高位是否为不亮 SUBB A, #0AH

JJ1: JJ2:

MUL2BY2:

MULLOOP1: JNZ JJ1

MOV 41H, #0AH ； 最高位不亮，次高位也不亮 MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A 42H JNZ JJ2

MOV A, 41H ;次高位为0，先看次高位是否为不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ2

MOV 42H, #0AH ；次高位不亮，次高位也不亮 MOV 43H, R0 POP B POP PSW POP ACC RET

*两字节无符号数乘法程序

CLR A MOV R7, A MOV R6, A MOV R5, A MOV R4, A

MOV 46H, #10H CLR C MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A

MULLOOP2:

MOV A, R1 RLC A MOV R1, A

JNC MULLOOP2 MOV A, R4 ADD A, R2 MOV R4, A MOV A, R5 ADDC A, R3 MOV R5, A MOV A, R6 ADDC A, #00H MOV R6, A MOV A, R7 ADDC A, #00H MOV R7, A

DJNZ 46H, MULLOOP1 RET

*四字节/两字节无符号数除法程序*

DIV4BY2: MOV 46H, #20H MOV R0, #00H MOV R1, #00H DIVLOOP1: MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A CLR C MOV A, R0 SUBB A, R2 MOV B, A

MOV A, R1 SUBB A, R3 JC DIVLOOP2 MOV R0, B MOV R1, A DIVLOOP2: CPL C DJNZ 46H, DIVLOOP1 MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A RET ; END 附C51程序

#INCLUDE

#DEFINE UCHAR UNSIGNED CHAR #DEFINE UINT UNSIGNED INT

#DEFINE ULONG UNSIGNED LONG EXTERN VOID CS_T(VOID); EXTERN VOID DELAY(UINT);

EXTERN VOID DISPLAY(UCHAR*); //DATA UCHAR DISPLAY(UCHAR*); DATA UCHAR TESTOK; VOID MAIN (VOID) {

DATA UCHAR DISPRAM[5]; DATA UINT I;

DATA ULONG TIME; P0=0XFF; P2=0XFF; TMOD=0X11; IE=0X80; WHILE (1) {

CS_T();

DELAY(1); TESTOK=0; EX0=1; ET0=1;

WHILE(! TESTOK) DISPLAY(DISPRAM); IF (1==TESTOK) {

TIME=TH0;

TIME=(TIME<<8)| TL0; TIME*=172; TIME/=10000;

DISPRAM[0]=(UCHAR) (TIME%10); TIME/=10;

DISPRAM[1]=(UCHAR) (TIME%10); TIME/=10;

DISPRAM[2]=(UCHAR) (TIME%10); DISPRAM[3]=(UCHAR) (TIME/10); IF (0==DISPRAM[3]) DISPRAM[3]=17; } ELSE {

DISPRAM [0]=16; DISPRAM [1]=16; DISPRAM [2]=16; DISPRAM [3]=16; }

FOR (I=0;I<300;I++) DISPLAY(DISPRAM); } }

VOID CS_R(VOID) INTERRUPT 0 {

TR0=0; ET0=0; EX0=0; TESTOK=1; }

VOID OVERTIME(VOID) INTERRUPT 1 {

EX0=0; TR0=0; ET0=0;

TESTOK=2; }

NAME CS_T ?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODE

PUBLIC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_T CS_T: PUSH ACC

MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV A, #4D SETB TR0 CS_T1: CPL p1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP

DJNZ ACC,CS_T1 POP ACC RET ;

END NAME DELAY

?PR?_DELAY?DELAY SEGMENT CODE PUBLIC _DELAY

RSEG ?PR?_DELAY?DELAY _DELAY: PUSH ACC MOV A,R7 JZ DELA1 INC R6

DELA1: MOV R5,#50D DJNZ R5, $

DJNZ R7,DELA1 DJNZ R6,DELA1 POP ACC RET END

NAME DISPLAY

?PR?_DISPLAY?DISPLAY SEGMENT CODE ?CO?_DISPLAY?DISPLAY SEGMENT DATA

EXTRN CODE (_DELAY) PUBLIC _DISPLAY

RSEG ?CO?_DISPLAY?DISPLAY

?_DISPLAY?BYTE: DISPBIT: DS 1 DISPNUM: DS 1

RSEG ?PR?_DISPLAY?DISPLAY _DISPLAY: PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL PUSH PSW

INC DISPNUM MOV A,DISPNUM CJNE A,#4D,DISP1 DISP1: JC DISP2

MOV DISPNUM,#00H MOV DISPBIT,#0FEH DISP2: MOV A,R1

ADD A,DISPNUM MOV R0,A MOV A,@R0

MOV DPTR,#DISPTABLE MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A

MOV A,DISPNUM CJNE A,#2D,DISP3 CLR P0.7

DISP3: MOV P2,DISPBIT MOV R5,#00H MOV R7,#0AH LCALL _DELAY MOV P0,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV A,DISPBIT RL A

MOV DISPBIT,A POP PSW POP DPL POP DPH POP ACC RET DISPTABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0BFH,0FFH END