超声波试验报告

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1、电子电路实验3综合设计实验总结报告题目：班级:学号:姓名:成绩:日期:摘要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。本设计就是基于51系列单片机利用超声波的测距系统。本作品硬件局部 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 局部组成。采用STC89C51来实现对CX20216A红外接收芯片和TCT40-10 系列超声波转换模块的控制。软件局部主要由主程序、超声波发生子程序、 超声波接收中断程序及数码管显示子程序等局部组成。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制 40KHz的超声波的发送，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

2、低电平时就认为超声波已 经返回。计时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，并将距离在数码管上显示出来。基于单片机的超声波测距系统电路设计简单， 能够实时显示，精度高， 操作简单易懂。一. 设计选题基丁超声波的障碍物检测系统的设计实现二. 设计任务及要求结合单片机最小系统和其他模块电路设计一个基丁超声波的障碍物检测系统。1. 能够检测前方一米左右是否有障碍，并用指示灯或数码管显示出来。2. 用数码管显示障碍物的精确距离,精度 10%以内，最小距离1.0米。三. 系统概述1. 超声波测距原理声波是指频率超过20KHz的机械波，在其传播介质中被定义为纵波。当

3、声波受到 尺寸大丁其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假设声波在介质 中传播的速度是的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得 到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。这里声 波传播的介质为空气，采用40KHz的不可见的超声波。2. 超声波传感器原理压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，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，其频率等丁压电晶片的固有振 荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动广生超声波，这时它就是一超 声波发生器；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动

4、，将 机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。起声波车专化2吉构国3. 方案设计与论证整个电路可分为三大部份，一部份是超声波发射调理电路，一部份是超声波回波 接收处理电路，一局部是显示电路。用丁驱动超声波传感器的40KHz的方波由一片555 搭成的多谐振荡器生成，受控丁单片机的控制信号；40KHz的方波经CD404豌理，变 成振幅为18V的方波，提高发射功率。发射头发射出去的超声波经障碍物反射后，反 射到接收头，而接收到的波形幅度非常小，所以在回波处理电路中，把接收到的波形 放大了 5000倍，用的是NE553那成的两级交流放大电路。经放大后的波形送入，LM311比拟器；经比拟器调理

5、后的波形成为方波，可送给单片机的外部中断图例1方案一超声波测距系统方框图在设计中，驱动超声波换能器的 40KHz是以2个脉冲的序列发射出去的，也就是说是以脉冲的形式进行发射的。超声波测距模块中有40KHz方波的产生电路，所以在单片机对发射的控制也就是对 40KHz方波产生电路的使能控制。本方案采用NE555产生40KHz方波，驱动能力强，并用NE5532对回波进行放大,接受能力强，测距较远。但是由丁使用 NE555及NE5532使电路变得复杂。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局部组 成。采用STC89C51来实现对CX20216A红外接收芯片和7404的控制。单

6、片机通过 引脚经7404来控制40KHz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。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。图例2方案二超声波测距系统方框图本方案中40KHz超声波采用单片机程序产生，用 74LS04反相器驱动超声波发生 器，电路简单。由丁 40KHz的频率接近CX20216红外线检波接收的专用芯片的 38KHz 的频率，故超声波接收模块采用 CX20216接受超声波接收器的信号，电路简单，并且容易控制。但是由丁由单片机经 74LS04驱动超声波发生器，驱动能力有限，

7、测量 距离较近。综合两种方案，第一种测量距离较远，但电路复杂，第二种方案简单，测量距离 较近，但能够够到达本系统的设计要求精度，我采用第二种方案。四. 单元电路设计与分析1. 单片机最小系统vccI-Tr/P3. 2 IN I/P3. 3 T0/P3 4 7 l/Pl 5 V/K/PJ C RiZP3.7 XTAL2 * VsVcc PO D/ADO PD 1/AEl PD 2/AE2 PO 3/AO3 PDMAD4 PD 5/AT5 PO i/ADh PD.7/AQ2 EA AlJVPFPM F 2 7/AD15 P2 d/ADM P2 5/AEp 3 P 22PU/ALi P3 KAD】D

8、 P2 I/A1DD P2 C/AESvcc4 (J19Pirn38pm37P02ItsPU155pn-t34 PflS R153 JP Uh 心pTK37 上(HTTFT1i b.iTTEFiTFB.图例3单片机最小系统电路单片机具有高性能，低价格等特点，并且体积小，可靠性高，不易受外界电磁干 扰，实施控制功能强，并且有很强的位处理能力，系统扩展方便，硬件设计简单。本 系统单片机采用宏晶公司生产的 89C51系列8位单片机，其P0 口接10K的上拉电阻 可以增加驱动能力！ 2.申口通信电路VCCI-! 3104J4|1 U4UTXD ITmxn 1 咨3 日v+ACJ-C2+V-C2-TUN

9、T1OUTRIOUTRlITWT2FNT2DUTR2OUTR.31MeS1J-I MJ1X23 2OMD|l-ONDrck?C pq1bex rc7心23849u 15f1GNID1UGbTO率口通信电路图例4申行通行电路STC89C51单片机是用申口与微机通信下载程序的，但是单片机采用 +5V作为逻 辑电平，而PC机采用+/-15V作为逻辑电平，单片机不能直接与 PC机连接通信，故 本系统采用美信公司生产的MAX232电平转换芯片用丁单片机通信下载程序。3.超声波发射电路器。本模块采用74LS04反相器经过两级反相，提高驱动能力 4.超声波检测电路图例6超声波检测模块电路本系统采用40KHz

10、的超声波，考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz与测距 超声波频率40KHz较为接近，故超声波接收模块采用红外线检波接收的专用芯片 CX20216A作为超声波检测电路。其内部结构见下列图：图例6 CX20216内部结构图信号送到CX20216的脚，CX20216的总放大增益约为80dB,其脚输出的控制 脉冲序列信号幅度在3.55V范围内。总增益大小由脚外接的 R1、C1决定，R1越 小或C1越大，增益越高。但取值过大时将造成频率响应变差，C1为1uF。采用峰值检波万式检波电容C2为3.3uF。R2为带通滤波器中心频率f0的外部电阻。积分电容 C3取330pF。经CX20216处理后的脉冲信号

11、由脚输出。4. 显示电路DS2pnn IQA Ae.DPVCCS5SD-1NFNLEE_JKDSIVGCS8550-XIKNFNFirn nPOl ?W5 ?EMPChTPf7A旧:DPC5期码智豆了电船7数码管显示电路显示电路采用2位共阳LED数码管，其两个位选分别接在单片机的 P2.7和P2.6 口上，8个段选接在P0 口上，这样能够节省6个I/O 口供其他外设接入单片机。五. 软件调试硬件调试完成后进行软件调试阶段。首先编一个小程序用丁测试测试申口通信及数码管显示电路。程序如下：#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned

12、 charsbit LED1=P2A7;sbit LED2=P2A6;uchar num=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x7f;/ 0 1 2 3 4 5 67 8 9 .void delay(uint ii) /1ms 延时函数 uint i,j;for(i=0;iii;i+)for(j=0;j8;j+);void main() int i;LED1=0;LED2=0;While (1)For(i=0;i=10;i+) P0=numi;delay(50);经检测，程序烧录进单片机，并且数码管从 信及数码管显示电路正确o图

13、例8主程序流程图定时器溢出中断流程图外部中断流程图0-9和“.循环正确显示，申口通 下一步进行超声波测距的软件程序调试过程：软件包括超声波发生函数、定时器函数、中断函数、显示函数四局部。1.超声波发生函数用来发生占空比为 50%的40KHz的超声波:void send()(send=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();send=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();2. 定时器函数用于记录超声波发射到反射回来的时间：voi

14、d timer1_init()/ 定时器初始化TH1=0;TL1=0;void timer1()interrupt 3 using 3/定时器溢出中断EA=0;TR1=0;TH1=0;TL1=0;Send();Send();TR1=1;delay(1);EA=1;当超声波接收器长时间没有检测到信号时，计时器计数会溢出并产生中断，这时 要对定时器重新赋初值，并在此发射超声波。3. 中断函数用于检测超声波接收器接收的信号，并产生中断计算测试距离，并调用显 示函数将距离显示出来：void INT0() interrupt 0 using 0EA=0;TR1=0;LED3=1;delay(50);ti

15、me=TH1*256+TL1;s=(185*time)/10000;display();TH1=0;TL1=0;Send();Send();TR1=1;delay(1);EA=1;4. 显示函数用于人机界面，将单片机内部处理信息显示出来void display()(int bai,shi,ge;if(s/100)=0)(shi=s%100/10;ge=s%100%10;for(k=0;k50;k+)(LED1=0;P0=numshi;delay(50);LED1=1;delay(20);LED2=0;P0=numge;delay(50);LED2=1;delay(20);else(bai=s/

16、100;shi=s%100/10;for(k=0;k50;k+)(LED1=0;P0=numbai;delay(50);LED1=1;delay(20);LED1=0;P0=num10;delay(50);LED1=1;delay(20);LED2=0;P0=numshi;delay(50);LED2=1;delay(20);由丁只有2为数码管，为得到足够的精度，算法上分为两级，其显示如：当测试 距离S1m时，那么显示为x.x m。六. 测试数据及分析经在室内测试系统，其测试数据如下：Smin6com , Smax1.4 m号距离、/com 12345678910111213141516171

17、8标准距离 /com101520253040455060708090100105110120130140实测距离 /com1116222632414752627182921.0m1.0m1.1m1.2m1.3m1.4m结果分析：从实验结果可以看出在 1m之内最大绝对误差误差为2com，精度在10% 之内，到达任务要求。六. 结束语通过本次试验，我根本了解了单片机最小系统的工作原理及其外部设备的扩展, 以及超声波测距原理。感谢学校给我这次实践时机，感谢老师和同学们的帮助。谢谢！参考文献1 陈莹.基于单片机的超声波测距系统.华中科技大学硕士论文，2004年4月2 史晓华，杜新培.超声波测距系统.北

18、京：科技广场 Science Mosaic,2021年05期3 操文祥.基于单片机的超声测距系统.安徽：安徽大学硕士学位论文.2007年11月附录1超声波测距程序源代码*#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit LED1=P2A7;sbit LED2=P2A6;sbit send=P1A。；sbit LED3=P1A1；uchar k;unsigned long int time,s=0;uchar num=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x

19、80,0x90,0x7f;*1ms延时函数void delay(uint ii) uint i,j;for(i=0;iii;i+)for(j=0;j8;j+); void Send()/*40KHZ超声波发生函数send=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();send=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();数码管显示函数*void display()(int bai,shi,ge;if(s/100)=0)(shi=s%100

20、/10;ge=s%100%10;for(k=0;k50;k+) (LED1=0;P0=numshi; delay(50); LED1=1; delay(20);LED2=0;P0=numge; delay(50); LED2=1; delay(20); else (bai=s/100; shi=s%100/10; for(k=0;k50;k+)(LED1=0;P0=numbai; delay(50); LED1=1; delay(20);LED1=0;P0=num10; delay(50); LED1=1; delay(20);LED2=0;P0=numshi; delay(50); LED2

21、=1; delay(20);*void timer1_init()TH1=0;TL1=0;*定时器1初始化函数定时器1函数void timer1()interrupt 3 using 3EA=0;TR1=0;TH1=0;TL1=0;Send();Send();TR1=1;delay(1);EA=1;*中断函数void INT0() interrupt 0 using 0EA=0;TR1=0;LED3=1;delay(50);time=TH1*256+TL1;s=(185*time)/10000;display();TH1=0;TL1=0;Send();Send();TR1=1;delay(1)

22、;EA=1;/*void init()系统初始化函数TMOD=0x10;EA=1;ET1=1;EX0=1;IT0=0;/INT0低电平检测TR1=0;timer1_init();主函数*void main()(init();TR1=1;while(1)(display();LED3=0;附录2元件活单元件名称标称值或型号数量单片机STC89C511片CX20216A1片反相器74LS041片超声波接收头TCT40-101对MAX2321片数码管2位共阳1个自锁开关1个按键1个PNP三极管S85502个电阻4.7Q1个1KQ7个10KQ9个22KQ1个200KQ1个无极性电容30pF2个330pF1个0.1uF6个0.47uF1个有极性电容1uF1个3.3uF1个10uF2个导线3图理原录附4