51单片机设计测距仪原理及其简单应用.pdf

5151 单片机设计测距仪原理及其简单应用单片机设计测距仪原理及其简单应用1、40kHZ40kHZ 超声波发射超声波发射/ /接收电路综述接收电路综述40kHZ 超声波发射电路(1)40kHZ 超声波发射电路之一，由F1~F3 三门振荡器在 F3 的输出为 40kHZ 方波，工作频率主要由C1、R1 和 RP 决定，用 RP 可调电阻来调节频率 F3 的输出鼓励换能器 T40-16 的一端和反向器F4，F4 输出鼓励换能器 T40-16 的另一端，因此，参加F4 使鼓励电压提高了一倍电容C3、C2 平衡 F3 和 F4 的输出，使波形稳定电路中反向器F1~F4 用 CC4069 六反向器中的四个反向器，剩余两个不用〔输入端应接地〕 电源用 9V 叠层电池测量F3 输出频率应为 40kHZ±2kHZ，否则应调节 RP发射超声波信号大于8m40kHZ 超声波发射电路(2)40kHZ 超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2 组成强反响稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器 T40-16 的共振频率T40-16 是反响耦合元件，对于电路来说又是输出换能器T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。

S 是电源开关，按一下 S，便能驱动 T40-16发射出一串 40kHZ 超声波信号电路工作电压9V，工作电流约 25mA发射超声波信号大于8m电路不需调试即可工作40kHZ 超声波发射电路(3)40kHZ 超声波发射电路之三，由VT1、VT2 组成正反响回授振荡器电路的振荡频率决定于反响元件的 T40-16，其谐振频率为40kHZ±2kHZ频率稳定性好，不需作任何调整，并由T40-16 作为换能器发出 40kHZ 的超声波信号电感L1 与电容 C2 调谐在 40kHZ 起作谐振作用本电路适应电压较宽〔3~12V〕 ，且频率不变电感采用固定式，电感量5.1mH整机工作电流约25mA发射超声波信号大于 8m40kHZ 超声波发射电路(4)40kHZ 超声波发射电路之四， 它主要由四与非门电路CC4011 完成振荡及驱动功能， 通过超声换能器 T40-16 辐射出超声波去控制接收机其中门YF1 与门 YF2 组成可控振荡器，当 S 按下时，振荡器起振，调整 RP 改变振荡频率，应为 40kHZ振荡信号分别控制由YF4、YF3 组成的差相驱动器工作，当 YF3 输出高电平时，YF4 一定输出低电平；YF3 输出低电平时，YF4 输出高电平。

此电平控制 T40-16 换能器发出 40kHZ 超声波电路中YF1~YF4 采用高速 CMOS 电路 74HC00 四与非门电路， 该电路特点是输出驱动电流大 〔大于 15mA〕 ， 效率高等 电路工作电压 9V， 工作电流大于 35mA，发射超声波信号大于 10m40kHZ 超声波发射电路(5)40kHZ 超声波发射电路之五，由LM555 时基电路及外围元件构成40kHZ 多谐振荡器电路，调节电阻器 RP 阻值，可以改变振荡频率由 LM555 第 3 脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出.z-超声波信号 电路简单易制 电路工作电压 9V， 工作电流 40~50mA 发射超声波信号大于 8m LM555可用 NE555 直接替代，效果一样双稳态超声波接收机电路由于单稳态接收机无记忆功能，所以不能用在家用电器的开与关中，适用面不宽是一种双稳态超声波接收机电路，它的前级电路同图2-186 电路完全一样，只是执行电路不同电路中，由 VT5、VT6 及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4 每导通一次〔发射机工作一次〕 ，触发信号经 C7、C8 向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6 状态翻转一次，当VT6 从截止状态转变成导通状态时，VD5 截止，VT7 截止，继电器 K 释放； 当再来一个触发信号时，VT6 由导通转变为截止状态，VD5 导通，VT7 导通，继电器 K 吸合......由于增加了双稳电路，使之用于电灯、电扇、电视等电器遥控成为现实。

调试时，在a 点与+6V〔电源〕之间用导线快速短路一下后松开，继电器应吸合〔或释放〕 ，再短路一下松开，继电器应释放〔或吸合〕 ，如果继电器无反响，请检查双稳电路元件焊接质量和元件参数一般情况下一次即可成功单稳式超声波接收器电路单稳式超声波接收器电路原理图， 超声波换能器 R40-16 谐振频率为 40kHZ，经 R40-16 选频后，将 40kHZ 以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ 的有用信号〔发射机信号〕送入VT1~VT3 组成的高通放大器放大， 经 C5、 VD1 检出直流分量， 控制 VT4、 VT5 组成的电子开关带动继电器K 工作由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次〔吸合时间同发射机发射信号时间一样〕 ，无记忆保持功能可用作无线遥控摄象机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等电路中VT1β≥200，VT2β≥150，其他元件自定电路不需调试即可工作如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4 的容量是否偏差太大经实测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m 以上在室内因墙壁反射，故没有方向性电路工作电压3V，静态电流小于 10mA。

2 单片机实现测距原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波， 从而测出发射和接收回波的时间差 tr，然后求出距离 S＝Ct／2，式中的 C 为超声波波速限制该系统的最大可测距离存在4 个因素：超声波的幅度、反射的质地、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的可测距离为了增加所测量的覆盖*围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法 由于超声波属于声波*围， 其波速 C 与温度有关， 表 1 列出了几种不同温度下的波速在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C，较准确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量准确度波速确定后，只要测得超声波往返的时间r，即可求得距离 5其系统原理框图如图2 所示z-单片机(AT89C51)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，得出时间t，再由系统软件对其进展计算、判别后，相应的计算结果被送至LED 显示电路进展显示，假设测得的距离超出设定*围系统将提示声音报警电路报警。

AT89C51 通过外部引脚 P2．0 输出脉冲宽度为 25／us、载波为 40kHz 的超声波脉冲串，加到射随器的基级，经功率放大推动超声波发射器发射出去超声波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进展放大，然后用锁相环电路进展检波经处理后输出低电平，送到AT89C51 的引脚利用该原理设计的实例：汽车防撞雷达3．1 系统硬件设计汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤其接收局部硬件电路如图3 所示，发射、预置＼控制、显示局部硬件电路如图4 所示sP3．2，提供给软件进展处理经过AT89C51 对接收到的信息进展处理后，被测的距离茬LED 上显示，显示的数据由串口线R*D 和 T*D 输出到 74LSl64，转化为并行数据控制LED 的显示，采用动态显示两位 LED 可表示 4．9～0．1 m 的距离，满足显示精度；假设该距离小于预置的汽车低速平安刹车*围(如：1 n)或 0．5m)，报警电路发出适当的警告提示音，由P2．1 的输出控制报警电路的工作3．2 系统软件设计汽车防撞雷达根据超声测距原理用AT89C51 单片机开发设计整个软件采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期内，依次执行各个模块，调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进展分析处理，根据处理结果断定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序当测得距离小于预置距离时，声音报警程序被调用图5所示为程序的流程图4 结 语利用 51 系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观经实际测试证明，该类测距仪工作稳定，能满足一般近距离测距的要求，且本钱较低、有良好的性价比由于该系统中锁相环锁定需要一定时间，测得的距离有误差，在汽车雷达应用中此误差为3C111 可忽略不计；但在精度要求较高的工.z-业领域如机器人自动测距等方面，此误差不能忽略，只有通过改变--些硬件的应用实现对超声波的快速锁定，使误差进一步减小到0．31llnl，可以满足更高要求T/R-40 超声波传感器 8 元/对T/R-40 防水型超声波传感器 18 元/只CJ-1 超声波测距电路模块:0.24---5 米 :180 元CJ-1B 超声波测距电路 模块(232 接口):0.24---5 米:228 元CJ-2 声波测距电路板 0.3--3m :98 元, 套件:90 元.CJ-3 超声波测距学习板成品:138.散件:130 元(测距*围:0.10--4.00 米,测量精度:1 厘米)超声波测距电路板:0.24---10 米 :289 元超声波移动物体探测模块:60 元单片机万年历学习板:成品:138散件:130 元超声波测距系统的电路设计超声波测距系统的电路设计一、引言一、引言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。

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到达工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息〔距离和方向〕本文所介绍的三方向〔前、左、右〕超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息二、超声波测距原理二、超声波测距原理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一样，因而用途也各不一样目前较为常用的是压电式超声波发生器2、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的 超声波发生器内部构造如图1 所示，它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.z-率时，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时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

3 3、超声波测距原理、超声波测距原理超声波发射器向*一方向发射超声波，在发射时刻的同时开场计时，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顿计时超声波在空气中的传播速度为 340m/s，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=340t/2 ，这就是所谓的时间差测距法三、超声波测距系统的电路设计三、超声波测距系统的电路设计本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用 8751，经济易用，且片内有4K 的 ROM，便于编程电路原理图如图2 所示其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路一样，故省略之1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射测距系统中的超声波传感器采用UCM40 的压电陶瓷传感器， 它的工作电压是 40kHz 的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生PUZEL： MOV 14H, *12H ；超声波发射持续 200HERE： CPL P1.0 ；输出 40kHz 方波NOP；NOP；s.z-NOP；DJNZ14H，RET前方测距电路的输入端接单片机P1.0 端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个 40kHz 的脉冲信号，经过三极管T 放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz 的脉冲超声波，且持续发射200s。

右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1 和 P1.2 端口，工作原理与前方测距电路一样2、超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和 IC1B两极放大后加至 IC2IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率 f0=1/1.1R8C3，电容 C4决定其锁定带宽调节R8在发射的载频上，则LM567 输入信号大于 25mV，输出端 8 脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理前方测距电路的输出端接单片机INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左局部源程序如下：RECEIVE1：PUSH PSWPUSH ACCCLR E*1 ；关外部中断 1JNB P1.1, RIGHT；P1.1 引脚为 0,转至右测距电路中断效劳程序JNBP1.2, LEFT ；P1.2 引脚为 0,转至左测距电路中断效劳程序RETURN：SETB E*1；开外部中断 1.z。