基于52单片机的超声波测距系统-课程设计

基于52单片机的超声波测距系统

【课设名称】

基于52单片机的超声波测距系统

【课设目的】

通过设计此系统对大学所学习的单片机系统、Keil软件和电路板焊接测试方法步骤进行综合应用和复习，了解设计一个简单硬件系统的基本步骤，为今后就业打好基础。

【实验器材和工具】

器材：PC机，电路板，示波器，各种连线转接口等，单片机最小系统

工具：Keil软件

【工作原理】

1.物理学原理

超声波的频率高于声波，这种机械波与声波相比具有很强的指向性，并且由于其波长较短，其绕射能力较差，反射能力较强。在遇到障碍物的情况下，超声波会被反射回来。根据发射波和反射波的时间差，就可以计算出探头与障碍物之间的距离。在实际的电路中，使用单片机控制传感器发射和判断反射波。（原理如图1-1）

图1-1：超声波测距物理原理图

2.电路原理及数据：

从单片机的P3^7口产生一组40KHz 的超声波，经由发射模块的发射探头发出，紧接着超声波接受模块接收回波，经由CX20106A产生一个负跳变引起单片机得外部中断，通过计算发射到接收所经历的时间就可以很容易计算出超声波与目标之间的距离。其具体原理步骤见图1-2。

相关参数：

1. 测量距离：50～1000mm 2. 载波频率：38KHz 3. 工作电压：DC5V

4. 工作电流 ：30mA 典型，50mA 最大 5. 输出信号：5V方波

6. 回波信号 ：负跳变产生的下降沿 7. 下一次测量的延时：200 uS

系统初始化驱动电路超声波信号发射计算液面高度对信号进行放大超声波信号接受数字显示 图1-2 系统工作流程图

超声波测距系统是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括STC89C52RC单片机最小系统，超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、显示电路；软件部分主要包括系统初始化模块、超声波驱动及信号处理模块、显示模块等，软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路消晰，便于调试。

启动超声波测距系统进行测距时，首先由单片机发出38KHz的脉冲串，脉冲通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波。单片机在发送脉冲的同时开始计时：超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的CX20106A处理后产生中断信号中断单片机的计时，这样就得到了超声波的传输时间，然后在中断服务程序中根据测出的时间计算出距离并将标志位置1。中断返回后再发送下一串脉冲，如此反复。

【系统设计】

1.硬件设计部分

本设计所做的超声液位测量系统以STC89C52RC型单片机为控制核心，其外围硬件电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、温度补偿电路等。它的各部分说明如下：

（1）STC89C52RC单片机最小系统是超声波液位计的核心部分，其主要任务是： ①发出38KHz的脉冲串用来驱动超声波发射换能器发出超声波； ②通过定时器T0对超声波的传输时间进行计时； ③根据测出的时间从而计算与障碍物的距离。 ④控制数据的显示。

（2）超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头选用CSB40T，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。本设计利用单片机直接软件产生38kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至比较器，经比较器推动探头产生超声波。

（3）超声波接收电路的核心器件是红外解码芯片CX20106A。它是用来对接收到的回波进行放大和整形，并产生一个负跳变作为单片机的中断信号。

（4）超声波温度补偿电路主要是由温度传感器DS18B20测量当前温度，并将采集到的数字信号直接传送到单片机中；然后单片机将该数值代入公式算法中进行相应的计算，从而输出经过温度补偿的较为准确的数值。

（5）显示电路采用单片机直接驱动LED的方式。单片机将其计算好的数据，通过软件转换为BCD码直接输出到LED上，这样做比较方便，而且可以减少制作成本。

发射电路的设计

发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即

可。发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。本设计中采用的是由单片机发出38kHz的方波，单片机P3^7输出的 38kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联。用以提高驱动能力。上拉电阻R5、R10一方面可以提高反向器74HC04AN输出高电平的驱动能力。另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果 ，缩短其自由振荡的时间。具体方案见图1-3所示。

图1-3 发射部分电路图

接收电路的设计

图1-4 接收部分电路图

超声波接收器包括超声波接收探头、CX20106A处理两部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法