AT89C2051单片机超声波测距系统
完成日期：2013年4月10日
设计题目：AT89C2051单片机超声波测距系统
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目 录
一、设计任务和性能指标 ..................................................................................................................................... 3 1.1设计任务 ..................................................................................................................................................... 3 1.2性能指标 ..................................................................................................................................................... 3 二、超声波测距原理概述 ..................................................................................................................................... 4 2.1超声波传感器 ............................................................................................................................................. 5 2.1.1 超声波发生器 ......................................................................................................................................... 5 2.1.2 压电式超声波发生器原理 ..................................................................................................................... 5 2.1.3单片机超声波测距系统构成 .................................................................................................................. 5 三、设计方案 ........................................................................................................................................................ 6 3.1 AT89C2051单片机 ...................................................................................................................................... 7 3.2 超声波测距系统构成 ................................................................................................................................. 8 3.2.1 超声波测距单片机系统 ......................................................................................................................... 8 3.2.2 超声波发射、接收电路 ......................................................................................................................... 9 3.2.3显示电路 ............................................................................................................................................... 10 3.2.4报警声响电路单元................................................................................................................................. 11 四.系统软件设计 ................................................................................................................................................ 12 4.1 主程序设计 ............................................................................................................................................... 12 4.2 超声波测距子程序 ................................................................................................................................... 12 4.3 超声波测距程序流程图 ........................................................................................................................... 14 4.4 超声波测距程子序流程图 ....................................................................................................................... 15 五.调试及性能分析............................................................................................................................................. 15 5.1调试步骤 ................................................................................................................................................... 15 5.2 性能分析 ................................................................................................................................................... 16 参考文献 .............................................................................................................................................................. 16 附录一：基于AT89C2051单片机超声波测距系统电原理图 ........................................................................... 17 附录二 基于AT89C2051单片机超声波测距系统PCB图 ................................................................................. 18 附录三 基于AT89C2051单片机超声波测距系统焊接组装图 ......................................................................... 19 附录四 基于AT89C2051单片机超声波测距系统C语言原程序 ..................................................................... 20 附录五附录:元件清单......................................................................................................................................... 20
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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，并给出源程序清单，元件清单，同时制作出实物。 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）。 供电电压：DC 5V
测距范围：25CM到 350CM之间。误差：1%。 一路报警声响输出。
一路报警高低电平输出，报警时输出低电平。
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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。
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(℃) 声速(m/s) －30 313 －20 319 －10 325 0 323 10 338 20 344 30 349 100 386
图2-1 超声波测距时序图
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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
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