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.单片机部分及显示电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„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方案。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。因为超声波在标准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。
超声波测距的算法设计: 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;
程序流程图下图，(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
}
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; } }
4. 转换部分：
//显示数据转换程序
void conversion(uint temp_data) {
uchar ge_data,shi_data,bai_data ,qian_data; mm=qian_data=temp_data/1000; temp_data=temp_data%1000; bb=bai_data=temp_data/100 ;
temp_data=temp_data%100; //取余运算 c=shi_data=temp_data/10 ;
temp_data=temp_data%10; //取余运算 d=ge_data=temp_data;
qian_data=SEG7[qian_data]; bai_data=SEG7[bai_data];
shi_data=SEG7[shi_data]; ge_data =SEG7[ge_data];
EA=0;
qian=qian_data; bai = bai_data; shi = shi_data; ge = ge_data ; EA=1; } 5.串口 5.1 发送字符 void send(char dat) {
SBUF=dat; while(TI==0); TI=0;
}
5.2 C52比C51多了一个定时器2（T2），以下为T2的初始设置 // 定时器CT2用于串行通信波特率发生器 // // 定义为波特率发生器以后，ET2自动失效 //
//////////////////////////////////////////////////////////////////
void uart_init(void) {
T2CON = 0x35; // 0b0011 0101 16位串行波特率
// 发生器，自动重装 TH2 = 0xff ; TL2 = 0xdc; RCAP2H = 0xff; RCAP2L = 0xdc; TR2 = 1; // 启动时钟
SCON = 0x50; // 0b0111 1010 第一种工作方式 // 8位单机通信 PCON=0x00;
ES = 1; // 允许通信中断 EA = 1; // 中断打开 }
5.3 main函数中： Void main() {
uart_init();
„„
send(tab[mm]); send('.'); send(tab[bb]);
send(tab[c]); send(tab[d]); send(' '); }
四．串口（上位机，下位机见软件部分）
本次串口通信模块是用VB做得。见图：
五．调试
由于硬件有问题（怀疑是芯片损坏），我们用的是HC-SR04模块。在往AT89S52芯片中烧入程序代码后，发现数码管只显示3位，于是做了如下修改：
修改后，第四位显示。
之后发现用手挡在换能器前的时候，数码管显示的数字极度不稳定。后来发现，发射与接收探头需要测量一些平稳的平面，且小于15度的角度进行测量。经测验后，数字稳定了很多。
之后是串口通信。首先是用了串口助手，然后先拿别人的（做温度计的同学出）串口代码来用，发现根本无法显示。经同学提醒后得知，串口通信发送数据需要用到波特率发生器，而T0与T1定时器都已经被使用，后得知C52多了一个定时器2 T2,于是经过搜书与上网，自己给定时器2进行初始化配置，T2与T1、T2的初始化配置都不同。当RCLK与TCLK置位后，T2就作为波特率发生器使用。然后需要设置寄存器RCAP2H和RCAP2L，数值分别与相应的TH2和TL2相同。而且，TF2需要软件手动清零。在一系列地修改（比如全局变量与局部变量的冲突，波特率的修改，发送方式的修改，以及延时的增加等）后，终于发送成功。
六．实验心得
此次实验花费的心神较多，首先是设计电路，然后是单片机代码，由于我们做的是超声
波测距仪，无法在单片机上仿真，所以比作温度计的同学更加繁琐。当买了元器件后，开始焊电路，用了将近2天的时间进行焊接与调整后，发现发射与接收部分还是不能用，万不得已用到别的模块。在烧了N次代码后终于成功了，期间，由于一开始一点动静都没有，所以在做实验的过程中，始终有一种患得患失的感觉。然后，开始做串口，在反反复复中，在不断的自己探索，与同学的讨论中，终于完成。
期间挫折不断，但是在有一点成功后就会有无与伦比的喜悦，很有成就感。在做串口的
过程中，是与大家在一起的，感觉到和大家一起奋斗，一起患得患失，一起吃饭，很有一种温馨，很开心。
七．实验结果
八．参考文献
1.单片机原理及应用；李全利，仲伟峰，许军编著；2010年6月 2.51单片机应用开发范例大全；宋戈 黄鹤松等编著；2010年2月 3. C51单片机C程序模板与应用工程实践；刘同法 肖志刚 彭继卫；
4. Visual Basic与RS-232串行通讯控制(最新版附光盘)/e时代网络编程系列；范逸之等编；2002-01-01 5. 超声波测距系统设计 6. 超声波测距板学习板
附录一 .
电路图（仿真中没有cx20106A及74HC04这两种芯片，所以电路图只能用分段的形式进行。）
显示部分：
发射部分
接受部分：
部分整体（整体，将发射部分与接受部分有上面两图代替）
最小系统（实际）：
附录二：程序代码（包括串口）
单片机：
//MCU=STC10F04XE
//P0.0-P0.6共阳数码管引脚
//Trig = P1^0
//Echo = P3^2
#include //包括一个52标准内核的头文件
#define uchar unsigned char //定义一下方便使用
#define uint unsigned int
#define ulong unsigned long
//***********************************************
//为STC单片机的IO口设置地址定义
sfr P0M1 = 0X93;
sfr P0M0 = 0X94;
sfr P1M1 = 0X91;
sfr P1M0 = 0X92;
sfr P2M1 = 0X95;
sfr P2M0 = 0X96;
sfr T2MOD = 0xC9;
//***********************************************
sbit Trig = P1^0; //产生脉冲引脚
sbit Echo = P3^2; //回波引脚
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
uchar code tab[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};
uchar ge,shi,bai,qian,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i,mm,bb,c,d; //自定义寄存器 bit succeed_flag; //测量成功标志
//********函数声明
void conversion(uint temp_data);
void delay_20us();
void send(char dat);
//发送字符
void send(char dat)
{
SBUF=dat;
while(TI==0);
TI=0;
}
// 定时器CT2用于串行通信波特率发生器 //
// 定义为波特率发生器以后，ET2自动失效 //
//////////////////////////////////////////////////////////////////
void uart_init(void)
{
T2CON = 0x35; // 0b0011 0101 16位串行波特率
// 发生器，自动重装
TH2 = 0xff ;
TL2 = 0xdc;
RCAP2H = 0xff;
RCAP2L = 0xdc;
TR2 = 1; // 启动时钟
SCON = 0x50; // 0b0111 1010 第一种工作方式
// 8位单机通信
PCON=0x00;
ES = 1; // 允许通信中断
EA = 1; // 中断打开
}
void main(void) // 主程序
{ uint distance_data,a,b;
uchar CONT_1;
uart_init();
P0M1 = 0; //将io口设置为推挽输出
P1M1 = 0;
P2M1 = 0;
P0M0 = 0XFF;
P1M0 = 0XFF;
P2M0 = 0XFF;
i=0;
flag=0;
Trig=0; //首先拉低脉冲输入引脚
TMOD=0x11; //定时器0，定时器1，16位工作方式
TR0=1; //启动定时器0
IT0=0; //由高电平变低电平，触发外部中断
ET0=1; //打开定时器0中断
//ET1=1; //打开定时器1中断
EX0=0; //关闭外部中断
EA=1; //打开总中断0
while(1) //程序循环
{
EA=0;
Trig=1;
delay_20us();
Trig=0; //产生一个20us的脉冲，在Trig引脚
while(Echo==0); //等待Echo回波引脚变高电平
succeed_flag=0; //清测量成功标志
EX0=1; //打开外部中断
TH1=0; //定时器1清零
TL1=0; //定时器1清零
TF1=0; //
TR1=1; //启动定时器1
EA=1;
while(TH1
EX0=0; //关闭外部中断
if(succeed_flag==1)
{
distance_data=outcomeH; //测量结果的高8位 distance_data
据
distance_data*=12; //因为定时器默认为12分频 distance_data/=58; //微秒的单位除以58等于厘米 distance_data=distance_data|outcomeL;//与低8位合并成为16位结果数 }
if(succeed_flag==0)
{
distance_data=0; //没有回波则清零
}
/// distance[i]=distance_data; //将测量结果的数据放入缓冲区 /// i++;
/// if(i==3)
/// {
///
distance_data=(distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3])/4; /// pai_xu();
/// distance_data=distance[1];
a=distance_data;
if(b==a) CONT_1=0;
if(b!=a) CONT_1++;
if(CONT_1>=3)
{
CONT_1=0;
b=a;
for(i=0;i
conversion(b);
send(tab[mm]);
send('.');
send(tab[bb]);
send(tab[c]);
send(tab[d]);
send(' ');
}
/// i=0;
/// }
}
}
//*************************************************************** //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;
}
}
//***************************************************************** /*
//定时器1中断,用做超声波测距计时
timer1() interrupt 3 // 定时器0中断是1号
{
TH1=0;
TL1=0;
}
*/
//****************************************************************** //显示数据转换程序
void conversion(uint temp_data)
{
uchar ge_data,shi_data,bai_data ,qian_data;
mm=qian_data=temp_data/1000;
temp_data=temp_data%1000;
bb=bai_data=temp_data/100 ;
temp_data=temp_data%100; //取余运算
c=shi_data=temp_data/10 ;
temp_data=temp_data%10; //取余运算
d=ge_data=temp_data;
qian_data=SEG7[qian_data];
bai_data=SEG7[bai_data];
shi_data=SEG7[shi_data];
ge_data =SEG7[ge_data];
EA=0;
qian=qian_data;
bai = bai_data;
shi = shi_data;
ge = ge_data ;
EA=1;
}
//****************************************************************** void delay_20us()
{ uchar bt ;
for(bt=0;bt
}
上位机部分：
Dim n As Integer
Dim t As Integer
Private Sub采集数据_Click()
If 采集数据.Caption =
采集数据.Caption =
Timer1.Enabled = True
Else
采集数据.Caption =
Timer1.Enabled = False
End If
End Sub
Private Sub串口_Click()
If 串口.Caption =
串口.Caption =
COM.Enabled = False
采集数据.Enabled = True
Select Case COM.ListIndex
Case 0
MSComm1.CommPort = 1
Case 1
MSComm1.CommPort = 2
Case 2
MSComm1.CommPort = 3
Case 3
MSComm1.CommPort = 4
End Select
‘指定串口号
MSComm1.Settings =
MSComm1.InputMode = comInputModeText '接受文本数据
MSComm1.InputLen = 0 '读出接受缓存区的所有数据 MSComm1.InBufferSize = 1024
MSComm1.OutBufferSize = 1024
MSComm1.RThreshold = 6 ‘每接受到一个字符，发生一次事件 MSComm1.PortOpen = True '打开串口
Else
Timer1.Enabled = False
串口.Caption =
COM.Enabled = True
MSComm1.PortOpen = False
采集数据.Caption =
采集数据.Enabled = False
End If
End Sub
Private Sub 清空_Click() '清空数据
Text1.Text =
Text2.Text =
Text3.Text =
End Sub
Private Sub Form_Load()
COM.AddItem
COM.AddItem
COM.AddItem
COM.AddItem
采集数据.Enabled = False
Timer1.Enabled = False
End Sub
Private Sub MSComm1_OnComm()
Select Case MSComm1.CommEvent
Case comEvReceive
Text3.Text = MSComm1.Input
Text1.Text = Str(Val(Text3.Text)) Case Else
End Select
End Sub
Private Sub Text5_Change() '改变读数据的时间
Timer1.Interval = Val(Text5.Text) * 1000 End Sub
31
Private Sub Timer1_Timer()
Dim b As String
Dim k As Integer
b = Time
Text2.Text = b +
Text2.Text =
End If
Static c(20) As Integer
For k = 1 To 19
c(k) = c(k + 1)
Next k
c(20) = Val(Text3.Text)
End Sub
32