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学院
基于<
/p>
A
T89C2051
的超声波测距系统毕
业设计论文
摘要
随着科技的发展，人们生活水平
的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史
< br>原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常 出现开挖已经建设好
的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因
此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活
舒适显得非常重要。而设计研
制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通
机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距
仪就显得非常重要了。
介绍了一种以
A
T
89C2051
单片机为核心
, <
/p>
利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬
件原理电路和主要的软件设计思路
,
用
Psp
ice
对硬件的主要部分进行了模拟仿
真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进
,
电
路达到了预期的效果。
关键词：
AT89C2051;
超声波；测距
Abstract
With the development of science and
technology, the improvement of people's tandard of
living, speeding up the
development and
construction of the city. Urban rainage system
have greatly developed their situation is
constantly
improving.
However,due
to
historical
reasons
many
unpredictable
factors
in
the
synthesis
of
her
time,
the
city
drainage
system. In
particular drainage system often lags behind urban
ore, there are often good building
excavation has been building facilities
to upgrade the drainage system phenomenon. It
brought to the city sewage,
and it is
clear to the city sewage and drainage culvert in
the sewage treatment system. comfort is very
important
to people's lives. Mobile
robots designed to clear the drainage culvert and
the automatic control system Free sewage
culvert clear guarantee robot, the
robot is designed to clear the culvert sewage to
the core. Control System is the
core
component
of
the
development
of
ultrasonic
range
finder.
Therefore,
it
is
very
important
to
design
a
good
ultrasonic
range finder.
A kind of u lt rason ic telem eter
based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem
eter is provided w ith som
e m er it s
such as low co st and h igh2accu racy becau se of
the u lt rason ic w ave character ist ic. The
hardw
are p r incip le elect r ic circu
it and them ain sof tw are design idea are show
ed. The sim u lat ion of the m ain
par
t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A
t last, acco rding to the theo ret ical analysis
and the exper
ience som e imp rovem en
t s of the design are m ade. The system has ach
ieved the an t icipated effect.
Key words:AT89C2051; Silent
Wave
；
Measure Distance
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/p>
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T89C2051
的超声波测距系统毕
业设计论文
一、设计任务和性能指标
1.1
设计任务
利用单片机及外围接口电路
(
键盘接口和显示接口电路
)
设计制作一个超声波测距仪器，
用
LED
数码管把测距仪距测出的距离
显示出来
。要求用
Protel
画出系统的电路原理图，印刷电路板，
绘出程序流程图，并给出程序清单。
1.2
性能指标
距离显示：用三位
LED
数码管进行显示（单位是
CM
）
。测距范围：
2
5CM
到
400CM
之间。误差：<
/p>
1%
。
二、超声波测距原理概述
超声波是由
机械振动产生的
,
可在不同介质中以不同的速度传播。由于超声
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
，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声测距是一种非接触式的检测
方
式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘
、烟雾、电
磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控
制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波
速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨
力，因而其准确度也较其它方法为高
;
而且超声波传感器具有结
构简单、体积小、信号处理可靠等特点。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。
< br>超声波测距的方法有多种，
如相位检测法、
声波幅值检测
法和渡越时间检测法等。
相位检测法虽然精度高，
但检测范围有
限
;
声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡
越时间检测法。其原理为
:
检测从超声波发射器发出的超声波
，经气体
介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是
声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射
超声波，在发射时刻的同时单片机开始计
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
即停止计时。超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表
2-1
，根据计时器记录的时间
t (
见图<
/p>
2-1)
，就可以计算
出发射点距障碍物
的距离
( s )
，即
: s =
v t / 2
。
表
2-1
声速与温度的关系
温度
(
℃
)
－
30
－
20
－
10
0
10
20
30
100
声速
(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
图
2-1
超声波测距时序图
1
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A
T89C2051
< br>的超声波测距系统毕业设计论文
2.1
超声波传感器
2.1.1
超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以
分为两大类
:
一类是用电
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、功率和声波特性各不相同，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。
2.1.2
压电式超声波发生器原理
压电型超声
波传感器的工作原理：它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声<
/p>
波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图
2-2
所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在
图
a
所示的已极化的压电陶瓷上施加如图
b
所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极
化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外
部施加的极性变反，如图
c
所示那样，
压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
图
2-2
压电逆效应图
2.1.3
单片机超声波测距系统构成
单片机
AT89C2051
发出短暂的
40kHz
信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超
声波经超声波换能器作为系统的输
入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中
断程序，读出时间
t
，再由系统软件对其进行计算、判别后，相
应的计算结
果被送至
LED
数码管进行
显示。
限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波
的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器
的灵敏度。接收换能
器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
2
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T89C2051
< br>的超声波测距系统毕业设计论文
图
2-3
超声波测距系统框图
三、设计方案
按照系统设计的功能的
要求，
初步确定设计系统由单片机主控模块、
显示模块、
超声波发射模块、
接收模块共四个模块组成。
单片机主控芯片使用
51
系列
AT89C2051
单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机
课程设计中经常使用到的控制
芯片。
发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。
接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。
图
3-1
：
系统设计框图
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路
、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用
AT89C2051
。采用
12MHz
高精度的晶振，以获得较稳定时
钟频率，减小测量误差。单片机用
P3.5
端口输出超声波换能
器所需的
40kHz
的方波信号，
P3
.6
端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的
3
位共阳
LED
数码管，段码
输出端口为单片机的
P1
口，
位码输出
端口分别为单片机的
P3.2
、
P3.
1
、
P3.0
口
,
数码管位驱运用
PNP
三极管
S9012
三极管驱动。
3.1 AT89C2051
单片机
AT89C2051
是美国
ATMEL
公司生产的低电压，高性能
CMOS
8
位单片机，片内含
2k bytes
的可反复擦写的只读程序存储器
（
PEROM
）和
128
bytes
的
随机存取数据存储器（
RAM
）
，器件
采用
ATMEL
公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容
标准
MCS-5l
指令系统，片内置通用
8
位
央处理器和
< br>Flash
存储单元，功能强大。
AT89C2051<
/p>
单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
3
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T8
9C2051
的超声波测距系统毕业设计论文
1
）性能参数：与
MCS-51
产品指令系统完全兼容
；
2k
字节可重擦写闪速存储器；
1000
次擦写周期；
2.7V
－
6V
的工作电压
范围；全静态操作：
0Hz
－
24MHz
；两级加密程序
存储器；
128
×
8
< br>字节内部
RAM
；
15
个可编程
I
／
O
口线；
2
个
l6<
/p>
位定时／计数器；
6
个
< br>
断源；可编程串行
UART
通道；可直接驱动
LED
的输出端口；内置一个模拟比较器；低功耗空闲和掉电模式。
2
）特性概述：
AT89C2051<
/p>
提供以下标准功能：
2k
字节
Flash
闪速存储器，
128
字节内部
RAM
，
15
个
I
／
O
口线，两个
16
位
定时
／计
数器，
—个
5
向量两级
断结构，
< br>一个全双工串行通信口，
内置—个精密比较器，
片内振荡
器及时钟电路。
同时，
AT89C2051
可降至
0HZ
的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节
电工作模式。空闲方式停止
CPU
的工作，但允许
RAM
，定时／计数器，串
行通信口及
断系统继续工作。掉电方式保存
RAM
中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
< br>
3.2
超声波测距系统构成
本系统由单片机
A T 8 9 C 2 0 5 1
控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图
< br>3-1
所
示。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显
示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用
AT89C2051
。采用
12MHz
高精度的晶振，以获得较
稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用
P3.5
端口输出超声
波换能器所需的
40kHz
的方波信号，
P3.6
端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的
3
位共阳
LED
数码管
，段码输出端口为单片机的
P1
口，
位
码输出端口分别为单片机的
P3.2
、
P3.1
、
P3.0
口
,
数码管位驱运用
PNP
三极
管
S9012
三极管驱动。
超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机
P3
.7
输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发
送，超声波
发送完毕后，立即启动内部计时器
T0
计时，当检测到
P3.7
由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片
机将测得的时间与声速相乘再除以
2
即可得到
测量值，最后经
3
位数码管将测得的结果显示出来。
3.2.1
超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：
A T 8 9 C 2 0
5 1
单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。如图
3-
2
。
图<
/p>
3-2
：超声波测距单片机系统
3.2.2
超声波发射、接收电路
超声波发射、接收电路如图
3-3
。超
声波发射部份由电阻
R2
及超声波发送头
T40
板成；接收电路由
BG1
、<
/p>
BG2X
组成的两组三
级管放大电路组成
；检波电路、比较整形电路由
C7
、
D
1
、
D2
及
B
G3
组成。
40kHz
的方波由
A T 8 9
C 2 0 5 1
单片机的
P 3 .5
驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到
40kHz
的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，
最后输出一负跳变，输入单片
机的
P3
脚。
该测距电路的
40kHz
方波信号由单片机
A
T
8
9
C
2
0
5
1
的
P
3
.5
发出。方波的周期为
1/40ms
，即
25?s，半周期为
12.5?s
。
每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生
40k
Hz
方波。由于单片机系统的晶振为
12M
晶振，因而单片机的时间分辨
率是
1?s，所以只能产生半
周期为
12?s
或
13?s
的方波信号，频率分别为
41.67kHz
和
38.46kHz
。本系统在编程时选用了后者，让
单片机产生约
38.46kHz
的方波。
图
< br>3-3
：超声波测距发送接收单元
由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图
3.3
所示。接收到的信号加到
BG1
、
BG2
组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大
倍数为
70
倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即
把多个脉冲
波解调成多个大脉冲波。这里使用的是
I N 41
48
检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，
性能较好，制作难度小。
4
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< br>的超声波测距系统毕业设计论文
3.2.3
显示电路
本系统采用三位一体
L E D
数码
管显示所测距离值，如图
(
见下页
)
。码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的
P1
口，位码输出端口分别为单片机的
P3.2
、
P3.1
、
P3.0
< br>口
,
数码管位驱运用
PNP
三极管
S9012
三极管驱动。
图
3-4
：显示单元图
四
.
系统软件设计
4.1
主程序设计
超声波测距的软件设计主
要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。超声波测距的程序既有较复
杂的计算（计算距离时）
，又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时）
，所以控制程序可采用
C
语言编程。
主程序首先是对系统环境初始化，设定时
器
0
为计数，设定时器
1
定时。置位总中断允许位
EA
。进行程序主程序后，
进行定
时测距判断，当测距标志位
cl==1
< br>，即进行测量一次，程序设计中，超声波测距频度是
2
次
/
秒。测距间隔中，整个程序主要进行
循环显示测量结果。
当调用超声波测距子程序后，
首先由单片机
产生
6-8
个频率为
38.46kHz
超声波脉冲，
加载的超声波发送头上。
超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器
T0
进行计时
，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，
这时，单片机需要延时
约
1.5 -2ms
时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小
可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单
片机
P3.7
脚的电平判断程序。当检测到
P3.7
脚的电平由高转为低电平时，立即停止
T0
计时。由于采用单片
机采用的是
12 MHz
的晶振，计时器每计一个数就是
1
μ
s
，当超声波测
距子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）按式（
2
）计
算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。
设计时取
15
℃时的声速为
340
m/s
则有：
d=(c×t)/2=172×T
0
/10000cm
其中，
T0
为计数器
T0
的计算值。
测出距离后
结果将以十进制
BCD
码方式送往
LED
显示约
0.5s
，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
4.2
超声波测距子程序
void csbcj()
{
if(cl==1)
{
//
超声波测距子程序
TR1=0;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
i=20;
//<
/p>
超声波脉冲个数
10
个
< br>
while(i--)
{
}
TR0=1;
i=150;
csbout=!csbout;
while(i--)
{
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}
i=0;
while(csbint)
//
判断
接收回路是否收到超声波的回波
{
i++;
if(i>=2450)
csbint=0;
}
TR0=0;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
t=TH0;
t=t*256+TL0;
s=t*csbc/2;
TR1=1;
cl=0;
}
}
//
如
果达到一定时间没有收到回波
,
则将
c
sbint
置零
,
退出接收回波处理程
序
//
计算测量结果
6
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