河南機電高等�？茖W校

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指導教師

2012年5月 1 日

摘  要

本設計介紹了基于單片機控制的超聲測距儀的原理：由AT89C51控制定時器產生超聲波脈沖并計時，計算超聲波自發射至接收的往返時間，從而得到實測距離。并且在數據處理中采用了溫度補償的調整，用四位LED數碼管切換顯示距離和溫度。

整個硬件電路由超聲波發射電路、超聲波接收電路、電源電路、顯示電路等模塊組成。各探頭的信號經單片機綜合分析處理，實現超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統的總體方案，最后通過硬件和軟件實現了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖，給出了系統構成、電路原理及程序設計。此系統具有易控制、工作可靠、測距準確度高、可讀性強和流程清晰等優點。實現后的作品可用于需要測量距離參數的各種應用場合。

Abstract

The design introduces theprinciple of the ultrasonic distance measurement instrument based onSCMC-controlled: AT89C51 controls timers to produce the ultrasonic wave pulseand  time,count the time of ultrasonicwave spontaneous emission to receive round-trip,thus obtains the measureddistance.And the temperature compensation adjustment is used in the dataprocessing, with four LED nixie tubes display distance or temperature byswitching.

The entire hardware circuitis composed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, thepower circuit, display circuit, and other modules. The probe signals areintegrated analysised by SCMC to achieve the various functions of ultrasonic distancemeasurement instrument. Based on this has designedsystem's overall concept, final adoption of hardware and software to achievethe various functional modules. The relevant parts have the hardware schematicsand process flow chart.It has given the system constitution, the circuitry andthe programming. The instrument system has features: ease of control, stabilityof operation, highness of precision and distinctness of programme process ,etc.After the realization of the works can be used for needs of the variousparameters measured distance applications.

目  錄

摘  要... I

Abstract. II

目  錄... 1

第1章  引言... 1

1.1  課題研究的背景... 1

1.2  課題研究的意義... 1

1.3  論文結構... 2

第2章  超聲波測距原理... 3

2.1  超聲波簡介... 3

2.2  超聲波測距原理... 3

第3章  方案論證... 5

3.1  設計思路... 5

3.2  系統結構設計... 6

第4章  主要元件介紹... 7

4.1  單片機AT89C51. 7

4.2  超聲波傳感器T40、R40. 9

4.3  溫度傳感器DS18B20. 10

第5章  硬件電路設計... 11

5.1  超聲波發射電路... 11

5.2  超聲波接收電路... 11

5.3  顯示電路... 12

5.4  電源電路... 13

5.5  復位電路... 13

第6章  軟件設計... 14

6.1  主程序流程... 14

6.2  子程序設計... 15

6.2.1  超聲波發送子程序及超聲波接收中斷子程序... 15

6.2.2  測溫子程序... 17

6.2.3  距離計算子程序... 17

6.2.4  顯示子程序和鍵盤掃描子程序... 18

第7章  軟件調試及系統仿真... 19

7.1  軟件編譯調試環境——Keil 19

7.2  系統仿真環境——Proteus. 19

7.3  系統仿真... 19

7.4  誤差及特性分析... 22

結  論... 23

致  謝... 24

參考文獻... 25

附錄1整體電路圖... 26

附錄2 程序... 27

第1章  引言

人們生活水平的提高，城市發展建設加快，城市給排水系統也有較大發展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可預見因素，城市給排水系統，特別是排水系統往往落后于城市建設。因此，經常出現開挖已經建設好的建筑設施來改造排水系統的現象。城市污水給人們帶來了困擾，因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統，保證機器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設計研制的核心部分�？刂葡到y核心部分就是超聲波測距儀的研制。

隨著科學技術的快速發展，超聲波將在傳感器中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的傳感技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發展而又有無限前景的技術及產業領域。展望未來，超聲波傳感器作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發展，以滿足日益發展的社會需求，如聲納的發展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續發展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題。毋庸置疑，未來的超聲波傳感器將與自動化智能化接軌，與其他的傳感器集成和融合，形成多傳感器。隨著傳感器的技術進步，傳感器將從具有單純判斷功能發展到具有學習功能，最終發展到具有創造力。

在現實生活中，一些傳統的距離測量方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷，例如，液面測量就是一個距離測量，傳統的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖檢測液面，電極長期浸泡在水中或其它液體中，極易被腐蝕、電解，從而失去靈敏性。而利用超聲波測量距離可以很好地解決這一問題。目前市面上常見的超聲波測距系統不僅價格昂貴，體積過大而且精度也不高等種種因素，使得在一些中小規模的應用領域中難以得到廣泛的應用。為解決這一系列難題，本文設計了一款基于AT89C51單片機的低成本、高精度、微型化的超聲波測距儀。

第 1 章首先對課題的背景和意義進行闡述，并概述了論文結構。

第2 章先就超聲波測距的原理進行介紹，并提出了提高測距的精度的方案——溫度補償，且描述了其具體補償方式。

第3章針對本文采用的設計方案進行了可行性的論證，并得出了系統結構框圖。

第4章介紹了設計中需要用到的主要器件，且因其在本設計的作用不同而詳盡程序亦不同。

第 5 章從整體硬件設計出發，對各部分電路進行了詳細說明。

第6章先給出了軟件設計的整體流程圖，并且對關鍵部分軟件設計做了進一步的解釋。

第 7 章介紹了軟件的調試及系統仿真

程序編譯及系統仿真也是本文的一個要點，所以特別分出一章來詳細介紹了程序編譯的環境和編譯的步驟以及仿真的環境和部分仿真的效果圖。

第2章  超聲波測距原理

我們知道，當物體振動時會發出聲音�？茖W家們將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20000赫茲。當聲波的振動頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫學診斷的超聲波頻率為1～5兆赫。超聲波具有方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠等特點�？捎糜跍y距，測速，清洗，焊接，碎石等。在醫學，軍事，工業，農業上有明顯的作用。

理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個物體振動的能量與振動頻率成正比，超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大。在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣濕度。這就是超聲波加濕器的原理。對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥品很難血流到打患病的部位。利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠療效。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎。

超聲波是利用反射的原理測量距離的，被測距離一端為超聲波傳感器，另一端必須有能反射超聲波的物體。測量距離時，將超聲波傳感器對準反射物發射超聲波，并開始計時，超聲波在空氣中傳播到達障礙物后被反射回來，傳感器接收到反射脈沖后立即停止計時，然后根據超聲波的傳播速度和計時時間就能計算出兩端的距離。測量距離D為

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif                             （2.1）

式中    c——超聲波的傳播速度；

           file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif——超聲波發射到接收所需時間的一半，也就是單程傳播時間。

由上式可風，距離的測量精度主要取決于計時精度和傳播速度兩方面。計時精度由單片機定時器決定，定時時間為機器周期與計數次數的乘積，可選用12MHz的晶振，使機器周期為精確的1μs,不會產生累積誤差，使定時間達到1μs。超聲波的傳播速度c并不是固定不變的，傳播速度受空氣密度、溫度和氣體分子成分的影響，關系式為

                    file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif                    （2.2）

式中  γ——氣體定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為1.40。

      R——氣體普適常數，為8.314kg/mol。

T——氣體勢力學溫度，與攝氏溫度的關系是T=273K+t。

M——氣體相對分子質量，空氣為28.8×10-3kg/mol。

c0——0℃時的聲波速度，為331.4m/s。

由上式可見，超聲波在空氣中傳播時，受溫度影響最大，由表達式可計算出波速與溫度的關系，如表2.1所示。溫度越高，傳播速度越快，而且不同溫度下傳播速度差別非常大，例如0℃時的速度為332m/s，30℃時的速度為350m/s，相差18m/s。因此，需要較高的測量精度時，進行溫度補償是最有效的措施。對測量精度要求不高時，可認為超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s。

第3章  方案論證

測量距離方法有很多種，短距離可以用尺，遠距離有激光測距等，超聲波測距適用于高精度中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12.0M晶振，所以此系統測量精度理論上可以達到毫米級。

目前比較普遍的測距的原理：通過發射具有特征頻率的超聲波對被攝目標的探測，通過發射出特征頻率的超聲波和反射回接受到特征頻率的超聲波所用的時間，換算出距離，如超聲波液位物位傳感器，超聲波探頭，適合需要非接觸測量場合，超聲波測厚，超聲波汽車測距告警裝置等。  

由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。

目前超聲波測距已得到廣泛應用，國內一般使用專用集成電路根據超聲波測距原理設計各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機為核心的測距儀器可以實現預置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩定、可靠。以8051為內核的單片機系列，其硬件結構具有功能部件齊全、功能強等特點。尤其值得一提的是，出8位CPU外，還具備一個很強的位處理器，它實際上是一個完整的位微計算機，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位尋址寄存器、I/O口和指令集。所以，8051是雙CPU的單片機。位處理在開關決策、邏輯電路仿真、過程測控等方面極為有效；而8位處理則在數據采集和處理等方面具有明顯長處。

根據設計要求并綜合各方面因素，可以采用AT89C51單片機作為主控制器，它控制發射觸發脈沖的開始時間及脈寬，響應回波時刻并測量、計數發射至往返的時間差。利用軟件產生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波；超聲波信號的接收采用鎖相環LM567對放大后的信號進行頻率監視和控制。一旦探頭接到回波，若接收到的信號頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由RC值決定），則其輸出引腳的電平將從“1”變為“0”（此時鎖相環已進入鎖定狀態），這種電平變化可以作為單片機對接收探頭的接收情況進行實時監控�？蓪�測得數據優化處理，并采用溫度補償，使測量誤差降到更低限度；AT89C51還控制顯示電路，用動態掃描法實現LED數字顯示。

超聲波測距儀系統結構如圖3.1所示。它主要由單片機、超聲波發射及接收電路、超聲波傳感器、溫度傳感器、鍵盤、LED顯示電路及電源電路組成。系統主要功能包括：

1)     超聲波的發射、接收，并根據計時時間計算測量距離；

2)     檢測空氣溫度用于距離計算的補償；

3)     LED顯示器顯示距離、溫度；

4)     鍵盤接收用戶命令并處理；

5)     當系統運行不正常時，用電平式開關與上電復位電路復位。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.gif

    第4章  主要元件介紹   

單片機即單片微型計算機SCMC（Single ChipMicroComputer）。它把構成一臺計算機的主要功能部、器件，如CPU（進行運算、控制）、RAM（數據存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設備（例如：串行口、并行輸出口等）、中斷系統、定時/計數器等集中在一塊芯CPU（進行運算、控制）、RAM（數據存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設備（例如：串行口、并行輸出口等）制功能，所以又稱為微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。相對于普通微機，單片機的體積要小得多，一般嵌入到其他儀器設備里，實現自動檢測與控制，因此也稱為嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicrocontroller Unit)。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.jpg本設計的MCU采用的是DIP（Dual In-linePackage塑料雙列直插式）封裝的AT89C51高性能8位單片機。AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。

VSS——第20腳，電路接地電平。

VCC——第40腳，正常運行和編程校驗+5V電源。

2) 時鐘源

XTAL1——第19腳，一般外接晶振的一個引腳，它是片內反相放大器的輸入端口。當直接采用外部信號時，此引腳應接地。

XTAL1——第18腳，接外部晶振的另一個引腳，它是片內反相放大器的輸出端口。當采用外部振蕩信號源泉時，此引腳為外部振蕩信號的輸入端口，與信號源相連接。

3) 控制、選通或復用

RST/VPD——第9腳，RESET復位信號輸入端口。當單片機正常工作時，由該引腳輸入脈寬為2個以上機器周期的高電平復位信號到單片機。在VCC掉電期間，此引腳(即VPD)可接通備用電源，以保持片內RAM信息不受破壞。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.gif——第30腳，輸出允許地址鎖存信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE信號的負跳變將P0口上的低8位地址送入鎖存器。在非訪問外部存儲器期間，ALE仍以1/6振蕩頻率固定不變地輸出，因此它可對個輸出或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部存儲器時將跳過一個ALE脈沖。file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.gif為第二功能，當對片內程序存儲器編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.gif——第29腳，訪問外部程序存儲器選能信，低電平有效。當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.gif有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的 file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.gif信號不出現。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image019.gif：外部訪問允許。欲使CPU公訪問外部程序存儲器（地址0000H-FFFFH），file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image021.gif端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被編程，復位時內部會鎖存file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image021.gif端狀態。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。

4) 多功能I/O端口

P0口——第32~39腳，8位漏極開路雙向I/O端口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。

P1口——第1~8腳，具有內部上拉電路的8位準雙向I/O端口。在對片內程序存儲器（EPROM型）進行程序編程和校驗時，用做低8位地址總線。

P2口——第21~28腳，具有內部上拉電路的8位準雙向I/O端口。當單片機訪問存儲器時，用做高8位地址總線；在對片內程序存儲器（EPROM型）進行程序編程和校驗時，亦用做高8位地址總線。

P3口——第10~17腳，具有內部上拉電路的8位準雙向I/O端口。它還提供特殊的第二功能。它的每一位均可獨立定義為第一功能的I/O口或第二功能。第二功能的具體含義如表4.2：

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.gif本設計采用的是發送超聲波傳感器T40及接收超聲波傳感器R40,其外觀如圖4.3。

超聲波在恒定環境條件下的傳播速度不變。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，所以它可以分成接收器和發送器。超聲波傳感器由兩個壓電晶片和一個共振板組成，當壓電晶片的兩極加上頻率等于其固有諧振頻率的脈沖信號時，壓電晶片產生共振，并帶動共振板產生振動，同時帶動壓電晶片也一起振動，將機械能轉換為電能，稱為超聲波接收器。超聲波傳感器利用壓電效應進行電能和超聲波機械能的相互轉換，也稱為超聲波換能器。超聲波發射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志，但外觀基本一致。有的超聲波傳感器既作發送，也能作接收。這里僅涉及小型超聲波傳感器，發送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示發送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計）。

溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導體熱敏電阻等。以半導體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應用廣泛，這是因為在元件允許工作條件范圍內，半導體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點，而且制造工藝簡單、價格低廉。半導體熱敏電阻按溫度特性熱敏電阻可分為正溫度系數熱敏電阻（電阻隨溫度上升而增加）和負溫度系數熱敏電阻（電阻隨溫度上升而下降）。

本設計采用的是美國Dallas 半導體公司的不銹鋼封裝的DS18B20數字溫度傳感器。DS18B20是采用專門設計的不銹鋼外殼，僅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄熱量，采用導熱性高的密封膠，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。DS18B20支持“一線總線”接口（1-Wire），測量溫度范圍為 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范圍內,精度為±0.5°C�，F場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。

DS18B20采用3腳PR-35封裝（圖4.4）：            

DS18B20數字化溫度傳感器的主要性能如下：

1)     適用電壓為3V～5V；

2)     9～12位分辨率可調，對應的可編程溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃；

3)     TO-92、SOIC及CSP封裝可選；

4)     測溫范圍：-55℃～125℃；

5)     精度：-10℃～85℃范圍內±0.5℃；

6)     無需外部元件，獨特的一線接口，電源和信號復合在一起；

7)     每個芯片唯一編碼，支持聯網尋址，零功耗等待。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image034.jpg

第5章  硬件電路設計

超聲波發射電路原理圖如圖5.1所示。發射電路主要由反相器74LS04和超聲波發射換能器T40構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發射強度。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.jpg

超聲波接收電路由超聲波傳感器、兩級放大電路和鎖相環電路組成。超聲波傳感器接收到的反射波信號非常微弱，兩級放大電路用于對傳感器接收到的信號進行放大。鎖相環電路接收到頻率符合要求的信號后向單片機發出中斷請求。鎖相環LM567內部壓控振蕩器的中心頻率為file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.gif，鎖定帶寬與C3有關。由于發送的超聲波頻率為40kHz，幫調整相關元件使鎖相環的中心頻率為40kHz，只響應該頻率的信號，避免了其他頻率信號的干擾。

當超聲波傳感器接收到超聲波信號后，送入兩級放大器放大，放大后的信號進入鎖相環檢波，如果頻率為40kHz，則從8腳發出低電平中斷請求信號送單片機P3.3端，單片機檢測到低電平后停止定時器的工作。超聲波接收電路如圖5.2file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image040.jpg所示。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image043.jpg顯示電路如圖5.3，四位LED組成動態掃描電路，由AT89C51的P0口輸出。動態掃描時，由P2口控制LED的當前顯示位。當距離測量結束并調用顯示程序，就會顯示距離大小，顯示兩位小數。當按下按鍵k2時，將會顯示溫度值，延時5s后恢復顯示距離值。

電源電路如圖5.4所示。為方便起見，本設計采用的是9V電池供電，直流電送入三端穩壓器LM7805穩壓，輸出+5V穩恒直流電，作為電路的電源。LED是電源指示燈，通電后發光。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image045.jpg

AT89C51復位有一個專用的外部引腳RESET，外部可通過此引腳輸入一個正脈沖使單片機復位。所謂復位，就是強制單片機系統恢復到確定的初始狀態，并使系統重新從初始狀態開始工作。本設計采用的是電平式開關與上電復位電路，為了能使運行中的系統，經人工干預，強制系統進行復位。其電路如圖5.5所示：

第6章  軟件設計

我們知道C語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。

因為本設計對時間要求精度較高的部分全部由單片機內部的定時器完成，而雖然溫度傳感器的讀寫對時間精度要求也高，但經詳細計算所得出的C程序已被廣泛應用，故直接借用已有程序也能作到對溫度的準確讀取，所心本設計全部使用C語言編程，這樣能使設計中所用到的公式能方便快捷的體現和實現，又縮短了論文的篇幅。

軟件采用模塊化設計方法，由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷子程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成。

系統上電后，首先系統初始化，不斷掃描按鍵k1，若按鍵k1按下，則開始測量空氣溫度，然后將P1.0置位，使定時器T0開始定時，控制超聲波傳感器發出超聲波，同時使定時器T1開始定時。CPU循環檢測P3.3引腳，當P3.3為低電平時接收到回波，立即使T1停止工作，保存定時器的計數值。

然后根據溫度和傳輸時間計算距離，溫度補償措施使測量精度有了明顯提高，計算出距離后調用距離顯示子程序，LED顯示距離。

最后檢測按鍵k2，若k2閉合，則調用溫度顯示子程序，LED顯示溫度（溫度并非測量距離時用于補償的溫度，而是當前溫度）5s后恢復顯示本次測量距離；若按鍵k2沒有閉合，則顯示器恒定顯示最新一次的測量結果；若要進行下一次測量，則先要按下k3重新開始，再按下按鍵k1才執行新一次測量。由于不需輸入數據，鍵盤只設置了3個按鍵，用于開始測量距離并顯示溫度功能設置等。

圖6.1為主程序流程圖。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image048.gif

超聲波發生子程序的作用是通過P1.0端口發送左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時把計數器T1打開進行計時，定時器T1工作在方式0。

超聲波測距儀主程序利用外中斷1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.gif引腳出現低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器T1停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T1溢出中斷將外中斷1關閉，并將測距成功標志字賦值0表示此次測距不成功。

T0中斷服務程序如下：

sbit send=P1^0;

void timer0(void)interrupt 1

{   send=!send;

    TH0=0x1f;

    TL0=0xf4;

}

超聲波接收（外部中斷1）程序：

void int1(void)interrupt 2

{  if(TH1!=0x00&&TH0!=0x00)

      {   b=1;

          TR1=0;

          TR0=0;

          t=TH1*256+TL1;

       t=t/1000000;

       TH0=0x1f;

       TL0=0xf4;

       TH1=0x00;

       TL1=0x00;

      }

      else

      {   b=0;

          TR1=0;

          TR0=0;

       TH0=0x1f;

       TL0=0xf4;

       TH1=0x00;

       TL1=0x00;

}   }

測溫的主要器件是DS18B20，現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，DS18B20中有兩個存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM，用11位存貯溫度值，最高位（5位）為符號位。對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。圖6.2為DS18B20的溫度存儲方式：

      bit7   bit6     bit5    bit4   bit3    bit2    bit1    bit0

      bit15   bit14   bit13   bit12   bit11  bit10    bit9    bit8

負溫度時S=1，正溫度時S=0。因此我們只需要逐位讀出它的溫度就可以了。讀出一個字節C代碼如下：

uchar readbyte(void)         //直接讀一字節程序

{  uchar i,k;

      i=8;

      k=0;

      while(i--)

      {     tem_in=1;

             delay_us(1);

             tem_in=0;

             k=k>>1;

             tem_in=1;

             NOP;

             if(tem_in)k |= 0x80;     //tem_in為1時，則該位也為1

             delay_us(4);

}

      return(k);

}

當前溫度和超聲波往返時間均測量出來后，用C語言根據公式計算距離來編程是比較簡單的算法。

根據測量距離file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image051.gif，而其中file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif，故可簡化為：file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image054.giffile:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image056.gif，其實現程序算法如下：

#include<math.h>

void distance(void)

{

double radical,dist,t;

radical=sqrt(1+(temnum+273)/273);

dist=165.7*t*radical;

return(dist);

}   

顯示電路由四位LED組成動態掃描電路，編程非常簡單。又雖然本設計共有四個按鍵，k0控制電源輸入，不需軟件編程；而k3為手動復位按鍵，亦不需軟件編程；只有k1 、k2分別測距開始按鍵和距離與溫度切換顯示按鍵，級易實現。顯示子程序和鍵盤掃描子程序，詳情可見附錄二。

第7章  軟件調試及系統仿真

單片機開發中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變為CPU可以執行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變為機器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發技術的不斷發展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發，單片機的開發軟件也在不斷發展，Keil軟件是目前最流行開發MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（uVision）將這些部分組合在一起。

Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件具有如下特點：①實現了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232動態仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。②支持主流單片機系統的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。③提供軟件調試功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如Keil C51 uVision2等軟件。④具有強大的原理圖繪制功能�？傊�，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。

由于Proteus里沒有超聲波傳感器，也沒有能夠完全代替它功能元件，所以本設計只敘述其能仿真出來一部分。

1)    源程序的錄入

先右擊AT89C51，再左擊AT89C51，會出現如圖7.1所示的對話框，點擊file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image058.jpg，選擇所需要的HEX文件。然后單擊OK。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image060.jpg

2)    仿真的實現

一切準備就緒后，點擊file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image062.jpg，就開始仿真了。

圖7.2為本設計的系統仿真原理圖。

file:///C:/Users/Du/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image064.jpg

雖說在仿真時溫度傳感器DS18B20是可視調節，且全為整數，但LED顯示時當溫度達到一定范圍便會出現小數誤差。例如當DS18B20顯示是28℃時，而LED顯示是28.4℃；而當DS18B20顯示是25℃時，而LED顯示仍是25℃；而仿真表明隨著溫度的升高其誤差大小也并不一致，且全都控制在1℃以內。說明這并不是固有誤差，很難避免，可以忽略，其對距離測量的影響也微乎其微，并不會使距離測量精度明顯降低。

根據超聲波的特性，距離測量時必須滿足條件：①被測目標必須垂直于超聲波測距儀。②被測目標表面必須平坦。③測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體。因此在測量過程中稍不小心就會接收不到超聲波，而導致沒有測量結果。

結  論

利用51系列單片機設計的測距儀便于操作、讀數直觀。經實際測試證明，該類測距儀工作穩定,能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。由于該系統中鎖相環鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，在汽車雷達應用中可忽略不計；但在精度要求較高的工業領域如機器人自動測距等方面，此誤差不能忽略，可以通過改變一些硬件的應用實現對超聲波的快速鎖定或根據自己的需要在程序中加入測距軟件補償的代碼，使誤差進一步減小，可以滿足更高要求。

本設計完整地做出之后可測量十米以內的距離。因為超聲波的特性，測距時保證傳感器與被測物間，以及測量軸線上沒有障礙物；且要盡量保證傳感器軸線與被測物表面垂直；實際測距范圍與被測物表面材料等因素有關，一般不要測量表面為毛料的物體表面。

致  謝

從開始做論文到論文基本完成，經歷了很長一段時間，從開始的一知半解到現在的全面了解算是經歷了一個漫長的過程。在這個過程中有很多人給了我莫大的幫助。

首先要感謝的是我的指導老師李老師，在論文的整體設計給我很大的幫助，還有在我論文都定稿前認真的審閱了我的論文，指出我的錯誤和不足的地方，在這里深表感謝！其次我要感謝和我度過大學生活的同學，因為沒有你們的幫助我是無法順利地完成這個課題的！當然還有個別同學的專業知識讓我深表佩服，以及他助人為樂的精神讓我無法忘卻，深深感謝！

還有我的母校，它給我提供了良好的學習環境，使我可以在這里學習自己想學習和自己要掌握的知識和技能。學校是個令人難忘的地方，在這里的時間是我無法忘記的。一定要謝的還有我的父母，他們總是竭盡所能的給我提供更好的環境，讓我心里充滿感激，感謝之情無法言言喻！大學給我留下了我人生不可磨滅的印象，給我留下了美好的回憶。最后祝愿我的母校祝越來越美麗。祝福老師們身體健康，工作順利！同學們都能找到稱心的工作！

參考文獻

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[2]羅慶生, 韓寶玲.一種基于超聲波與紅外線探測技術的測距定位系統[J]. 計算機測量與控制, 2005,(04):1-3.

[3]高飛燕. 基于單片機的超聲波測距系統的設計[J]. 信息技術, 2005,(07):43-45.

[4]趙海鳴,卜英勇,王紀嬋, 周知進. 一種高精度超聲波測距方法的研究[J]. 湖南科技大學學報(自然科學版), 2006,(03):8-10.

[5]路錦正, 王建勤,楊紹國, 趙珂, 趙太飛.超聲波測距儀的設計[J] .傳感器技術, 2002,(08):9-11.

[6]牛余朋, 成曙.基于單片機的超聲波測距系統[J]. 兵工自動化, 2005, (04):44-46.

[7]張健, 李鋼.超聲波測距系統的研究與設計[J]. 合肥工業大學學報(自然科學版), 2004,(06):13-15.  

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[12]求是科技. 單片機通信技術與工程實踐[Ｍ]. 北京：人民郵電出版社，2005：1－191.

[13]潭浩強. C程序設計[Ｍ]. 北京：清華大學出版社，2005：1－378.

[14]林志琦，郎建軍，李會杰，佟大鵬. 基于Proteus的單片機可視化軟硬件仿真[Ｍ].北京：北京航空航天大學出版社，2006：1－93.

附錄1 整體電路圖

附錄2 程序

#include<reg51.h>

#include<stdio.h>

#include<math.h>

#include<intrins.h>

#define unint unsigned int

#define uchar unsigned char

#define LED P1                             //際溫度值輸出端口定義      

#define NOP _nop_()

sbit tem_in=P1^1;

sbit k1=P3^7;

sbit k2=P3^6;

sbit k3=P3^5;

sbit send=P1^0;

sbit recieve=P3^2;

uchar temp_h,temp_l;                   //溫度值變量

float temnum;                //當前溫度值

float t;                      //超聲波往返所占用的時間

bit   setb;                     

bit   b;                    //測距成功標志位，當b=1時標志測距成功

uchar flag1;                               //正負標志位

uchar codeledcode[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf,0xff};//數碼顯示數據：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，-，消隱

uchar dispbuf[4]={0,0,0,0},tembuf[4]={0,0,0,0};

///////////////////////////////////////////////////////////////

void delay(unsigned int count)         

{

      unint i;

      while(count)

      {

             i=38;

             while(i>0)i--;

             count--;

      }

}

///////////////////////////////////////////////////////////////

void delay10ms(unsigned int n)     

{

   unsigned int j,k;

        while(n--!=0)

        {

                    for(j=0;j<10;j++)

                           for(k=0;k<72;k++)

                                  ;

        }   

}

///////////////////////////////////////////////////////////////

void delay_us(uchar n)                    

{

uchar i;

      i=0;

      while(i<n)

      {i++;}

      return;

}

///////////////////////////////////////////////////////////////

void dsreset(void)        //DS18B20重設

{

      unsigned int i;

      tem_in=0;

      i=103;

      while(i>0)i--;

      tem_in=1;

      i=4;

      while(i>0)i--;

}

///////////////////////////////////////////////////////////////

uchar readbyte(void)         //直接讀一字節程序

{

      uchar i,k;

      i=8;

      k=0;

      while(i--)

      {     

             tem_in=1;

             delay_us(1);

             tem_in=0;

             k=k>>1;

             tem_in=1;

             NOP;

             if(tem_in)k |=0x80;      //tem_in為1時，則該位也為1

             delay_us(4);

      }

      return(k);

}

///////////////////////////////////////////////////////////////

void tmpwrite(unsigned char dat)  //函數功能:向B20寫一字節

{    unsigned int i;

      unsigned char j;

      bit testb;

      for(j=1;j<=8;j++)

      {     testb=dat&0x01;

             dat=dat>>1;

             if(testb)

             {     tem_in=0;i++;i++;

                    tem_in=1;

                    i=8;while(i>0)i--;

             }

             else

             {

                    tem_in=0;

                    i=8;while(i>0)i--;

                    tem_in=1;i++;i++;

             }

      }

}

//////////////////////////////////////////////////////////////

void tmpchange(void)                  

{

      dsreset();                                         //復位

      delay(1);

      tmpwrite(0xcc);                              //跳過序列號命令

      tmpwrite(0x44);                             //轉換命令

}

////////////////////////////////////////////////////////////

void tmp(void)                 //溫度采集及轉換

{   

       int m,n=0;

       float temnum1=0;               

     dsreset();

       delay(1);

       tmpwrite(0xcc);

       tmpwrite(0xbe);

       temp_l=readbyte();          //低位在前                           

       temp_h=readbyte();          //高位在后                                                                        

       flag1=temp_h&0xf8;

       if(flag1)

       {   n=flag1;

             temp_h=~temp_h;

             if(temp_l==0)temp_h++; //若低8位全為0且溫度為負，取補時就要向高位進1

             temp_l=~temp_l+1;  

       }

       temnum1=(temp_h*256+temp_l)/16;

     if(temnum1<10)

       {   tembuf[3]=11;

             tembuf[2]=11;

             tembuf[1]=(uchar)temnum1;

             tembuf[0]=(uchar)(temnum1*10)%10;

       }   

       if(temnum1>=100)

       {

     tembuf[3]=(uchar)temnum1/100;

        m=(int)temnum1%100;

      tembuf[2]=(uchar)m/10;

        tembuf[1]=(uchar)m%10;

        tembuf[0]=(uchar)(temnum1*10)%10;           

       }

     if(temnum1<100&&temnum1>=10)   

       { tembuf[3]=11;

             tembuf[2]=(uchar)temnum1/10;

             tembuf[1]=(uchar)temnum1%10;

             tembuf[0]=(uchar)(temnum1*10)%10;

       }

       if(n==0xf8)tembuf[3]=10;

       temnum=temnum1;              

       }

//////////////////////////////////////////////////////////

void dis(void)             //溫度顯示

{

      uchar i;

   uchar j=0xfe;

             for(i=0;i<4;i++)                        //輸送顯示數據     

             {            

                 P0=0xff;

                    P0=ledcode[tembuf];