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数字式超声测距仪的设计郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 数字式超声测距仪的设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师(职称) 完成时间 2010 年5 月 25日 II 数字式超声测距仪的设计摘 要由于现代生产要求，人们需要实现无接触式的生产测距，而超声波测距是一种性能良好的测距方式，主要应用于倒车雷达、工地以及一些工业现场，本文设计了一种以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化LED显示超声波测距仪，并使用一些常用芯片如：74hc04等。系统由单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路以及显示电路构成。由芯片AT89S52控制计算超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。本系统具有易检测、软件功能完善，工作可靠、准确度高等优点。本文论述了单片机技术研制成功的超声波测距仪的基本原理，测量计算方法，实现方案。采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。实际使用表明，极大的提高了安全性、可靠性和准确度。关键字：测距仪; 超声波;传感器；CX20106。Digital ultrasonic rangefinderAbstract Because of modern production requirements, it was discovered that the need to achieve the production of non-contact distance measurement, and ultrasonic distance measurement is a good performance of the ranging approach is mainly used in reversing radar sites as well as some industrial field, this paper designed a to AT89S51 MCU as the core of the low-cost, high-precision, micro-LED display of ultrasonic range finder, and use some commonly used devices such as: 74LS04, etc. System consists of microcontroller, ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver amplifier circuit and display circuit. Chip AT89S51 control calculation by the ultrasonic transmission from transmit to receive time and hence the distance to be under test. The system has easy to detect, the software fully functional, reliable, high accuracy advantages.This paper discusses the successful development of microcomputer technology, the basic principles of ultrasonic range finder, measurement method of calculating implementations. Use of software calibration, improved accuracy and machine reliability. The actual use of that greatly improves safety, reliability and accuracy. Keywords: distance meter; ultrasonic ;CX20106。 目录摘 要IAbstractII1 引言11.1设计任务21.2设计思路21.3设计重难点22 系统概述22.1 超声波的介绍32.1.1 超声波32.1.2 超声波的特点及特性32.1.3 超声波的应用42.2 超声波测距的原理53 系统设计63.1单片机选型63.2超声波传感器93.3温度传感器113.3.1温度传感器的选用113.3.2温度对测距的影响123.4系统硬件设计123.4.1 系统框图123.4.2发射电路133.4.3接收电路143.4.4显示电路153.5系统软件设计164 系统调试184.1软硬件的调试184.2仪器精度分析及如何提高超声测距精度19结论22参考文献23致谢24附 录一 图纸251 原理图252PCB图25附 录二 程序清单26附 录三 元器件清单371 引言目前国内一般使用的超声波测距仪是由专用集成电路设计而成的，但是专用集成电路的成本很高，并且显示距离也比较困难，操作使用也不是很方便，而本设计研究的测距器成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国电子测距实际水平，具有较大的意义。因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。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。这就是我设计超声波测距仪的意义。1.1 设计任务在了解超声波测距原理的基础上，完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统的硬件设计。具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，LED显示电路。要求测量精度在5%以内，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。1.2 设计思路本系统的设计思想是采用以AT89S51单片机为核心，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示的超声波测距仪。超声波测距可测出发射和接收之间的时间间隔，利用S=vt/2就可以算出距离，再在LED上显示出来。而限制超声波测距准确度的因素有：超声波的幅度、反射面的质地、反射面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的可测距离。根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89S51单片机为主控制器，用实现LED数字显示，附之以发射电路与接收电路来实现。1.3 设计重难点本课题的设计任务是设计一个超声波测距仪，用40KHZ频率来实现，精度在5%以内。考虑到设计成本，对硬件电路的设计比较讲究。设计难点：1、 发射、接收电路的设计；2、 LED显示电路;3、 软件模块的设计。2 系统概述2.1 超声波的介绍2.1.1 超声波声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，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，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。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。 2.1.2 超声波的特点及特性超声波具有以下特性：超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播；超声波可传递很强的能量；超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象；超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。超声波具有以下特点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。 2.1.3 超声波的应用 超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。 超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。超声测距。应用与倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人视觉系统设计的精确与否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用作测距传感器，实现定位以及环境建模。超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统（如CCD图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，包括毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等。据海外媒体报道，戴姆勒克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车(尤指卡车)使用的电子刹车系统，它利用车载前视雷达感应器探测前方景物，由车载控制器处理这一感知信息而形成虚拟景象，由此来判断当前路况是否需要启动自动刹车装置。2.2 超声波测距的原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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为v，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：S=vt/2 这就是所谓的时间差测距法。采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。3 系统设计3.1 单片机选型 本课题选用AT89S52单片机。AT89S52为 ATMEL 所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flsah存储器。 AT89S52主要功能列举如下：1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）3、内部程序存储器（ROM）为 8KB4、内部数据存储器（RAM）为 256字节5、32 个可编程I/O 口线6、8 个中断向量源7、三个 16 位定时器/计数器8、三级加密程序存储器9、全双工UART串行通道其引脚图如图3-1所示： 图3-1 AT89S52引脚图VCC：AT89S52电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。EA/Vpp："EA"为英文"External Access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0A7）锁进锁存器中，因为AT89S52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN：此为"Program Store Enable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。PORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。RST 复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG 当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP 当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 超声波传感器超声波传感器千差万别，即使对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，应此，要根据需要选用最适宜的传感器。本设计综合考虑了测量条件、传感器的性能和传感器的使用条件三个方面，选用MA40S2R接收器和MA40S2S发送器。传感器的标称频率为40KHZ,这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。超声波传感器的符号及等效电路如图3-2所示： 图3-2 传感器符号及等效电路图超声波传感器的带宽较窄，大部分在标称频率附近使用，为此，要采用措施扩展频带，比如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率要大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整与阻抗匹配。图3-3为MA40S2R/S传感器的频率特性，由图知，发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免溢出标称频率。 图3-3 传感器频率特性图3-4为MA40S2R/S传感器的方向性特性，传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度,因此，适用于物体检测与防范报警装置等。 图3-4 传感器方向性特性图3-5表示传感器的温度随频率的变化特性，对于这种传感器，温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。 图3-5 温度频率特性曲线图图3-6表示阻抗随频率变化的特性。图3-6 阻抗频率特性曲线图经分析可知，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，同时，为了方便处理，发射的超声波被调制成40KHz左右、具有一定间隔的调制脉冲信号。3.3 温度传感器3.3.1 温度传感器的选用本系统选用DS18B20温度传感器作为误差补偿装置。DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的1WIRE数字温度传感器，它可实现数字化输出和测试，并且有控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、微功耗等特点。DS18B20的主要特性：适应电压范围更宽，电压范围3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。温范围55125，在-10+85时精度为±0.5。可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。3.3.2 温度对测距的影响 超声波是以声波的形式所进行的能量传播。一般来说，超声波传播的距离大或是速度慢，能量消耗就大，倘若超声波的能量全部消耗在传播途中或是声波改变方向，就接收不到回波信号。而超声波传播的速度与弹性介质的种类和状况关系极大，通常说的声速每秒340米，其传播介质是15的标准空气。研究表明，声波的传播速度与温度是成正比的，在近地层中，当气温随高度增加而降低时，声音的传播速度随高度增加而减小，声波的射线就会向上弯曲（俗称声音起飞了)。反之，当气温随高度增加而升高，声波的传播速度就会随高度增加而增加，声波射线呈向下弯曲状，给人的听觉就是声音在下沉。在相同的间隔测量距离，由于波的传播时间是相同的，但不同温度下到声速不同，所以最终造成测量出来的距离不相等，即如果不是在标准温度下进行测量，将存在系统误差。在超声波测距系统中，影响测量精度的因素很多，包括现场环境干扰、时基脉冲频率等；但环境温度对声速的影响最大，从超声波声速公式v=331.4+0.61t 可以看出，在0-40时，声速变化范围为331.4m/s-354.85m/s。以超声波在20的室温条件下的声速343.32m/s为基准，其变化率为6.83%。所以温度的影响不能忽略不计。所以在基于单片机 AT89S52 的超声波测距系统中，必须要对温度进行测量和补偿，以避免温度对测量精度的影响。3.4 系统硬件设计3.4.1 系统框图本设计采用AT89S51单片机作为主控制器，采用动态扫描法实现LED数字显示，时间差测距法来计算。超声波测距器的系统框图如图3-7所示：定时障碍物发射探头发射处理单片机接收探头接收处理显示图 3-7 系统框图3.4.2 发射电路图 3-8 发射电路由于从单片里发出的40KHZ脉冲信号的功率较低，不能直接驱动发射换能器，因而需要一个放大电路将脉冲信号放大后再送至发射换能器，驱动其发出与驱动信号同频率的超声波，所以发射电路的主要功能就是放大，本设计发射电路主要由74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出40KHz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发射强度。如图3-8所示。3.4.3 接收电路接收电路中的CX20106A芯片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 与测距超声波频40kHz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路，超声波接收头将机械能转换为电信号。但这个电信号非常微弱，必须经过放大，CX20106A芯片完成放大调制的功能。实验证明，CX20106A芯片具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。图3-9 接收电路K1（RX（S）为超声波接收头，当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断INT0 上。当超声波接收头接收到40kHz 方波信号时，将会将此信号通过CX20106A 驱动放大送入单片机的外部中断0 口。单片机在得到外部中断0 的中断请求后，会转入外部中断0 的中断服务程序进行处理。如图3-9所示。3.4.4 显示电路LED数码显示管有两种，一种是共阳极数码管，其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成；另一种是共阴极数码管，其内部是由四个阳极相连接的发光二极管组成。二者原理不同但功能相同。其外形和内部结构如图3-10所示： 图3-10 LED的管脚和电路原理共阴极LED数码显示块的发光二极管阴极连接在一起，形成该模块的公共端（通常称为位选端），因此称为共阴极LED数码显示器，8个数码管的另一端通常称为段选端，当显示器的公共端接低电平，某个发光二极管的阳极接高电平时，该发光二极管被点亮；而共阳极LED数码显示管是将二极管的阳极连接在一起，形成共阳极LED数码显示块的公共端，该公共端必须接高电平，同理在共阳极LED数码显示块中如某个发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管被点亮。用单片机驱动LED数码管分为静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，该接口用于笔划段字型代码。这样单片机只要把显示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形。要显示新的数据时，单片机再发送新的数据。另一种方法是动态扫描显示。由于单片机本生具有较强的逻辑控制能力，所以采用动态扫描软件译码并不复杂。而且软件译码其译码逻辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑限制。采用动态扫描软件译码地方式能大大简化硬件电路结构，降低系统成本。它用分时地方法轮流控制各个显示器地COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。静态显示数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较少；动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。本设计的显示电路采用四个共阳LED四位数码管，位码用PNP三极管驱动。如图3-11 图 3-11 LED显示电路3.5 系统软件设计本设计就是以AT89S51单片机为核心。它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码管上显示出来。虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用AT89S51单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用一些特殊措施。主程序框图如图3-12单片机初始化开始定时中断子程序有回波吗外部中断子程序等待3-12 主程序流程图超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，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。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。如图3-13和图3-14：定时中断入口停止发射发射超声波定时器初始化返回是否发射完 计算距离读取时间值关外部中断外部中断入口返回开外部中断结果输出图3-13定时中断子服务子程序 图3-14外部中断服务子程序4 系统调试4.1 软硬件的调试超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用的超声波换能器为MA40S2R和MA40S2S，中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为160cm，测距仪最大误差不超5%。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。4.2 仪器精度分析及如何提高超声测距精度本章将要分析温度对超声波声速的影响，超声波回波检测对超声波传播时间的影响，超声传感器所加脉冲电压对测试精度的影响。在此基础上，设计了超声波数字测距仪。实验表明，注意以上三方面的因素能够提高超声测距精度。超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。从原理上讲，超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间t s，在已知超声波声速v的前提下，可计算被测物的距离S，即：S=vt/2。由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。本章从引起超声测距误差的原因入手，分析了温度对超声波声速的影响；回波检测对时间测量的影响和超声传感器所加电压对测量精度和范围的影响。在此基础上，开发出了以AT89S51单片机为核心，采用40KHz压电超声传感器，应用广泛的超声测距仪。空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。例如：20时， T=293.15， CS=344.2 m/s；40时， T=313.15，CS=355.8 m/s；-20时, T253.15，CS=319.9 m/s；从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律。设在距离超声接收器x处有被测物，超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利