一种基于单片机的超声波测距仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于单片机的超声波测距仪，其包括单片机模块、超声波发射电路、超声波检测接收电路、驱动电路和显示电路，各电路模块均与所述单片机模块连接；所述单片机模块的端口输出超声波换能器所需的方波信号，利用外中断口监测所述超声波检测接收电路输出的返回信号；所述显示电路采用共阳LED数码管；所述单片机模块实现对超声波发射电路和超声波检测接收电路进行控制，单片机模块不停的检测其INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时认为超声波返回；所述单片机模块获取超声波所经历的时间，计算得出传感器与障碍物之间的距离。本发明中的超声波测距仪精度高，功耗低，模块简单，稳定性高。
【专利说明】一种基于单片机的超声波测距仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声测距领域，尤其涉及一种基于单片机的超声波测距仪。
【背景技术】
[0002]超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，此特点可使测量一起仪器不受被测介质的影响。这就大大解决了在粉尘多情况下，给人们引起身体接触伤害。腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。且对被测量元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量消耗，节省人力和劳动的强度。从长远利益看，使多向节能研究。
[0003]超声波测距的方法有多种:如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。
[0004]现有技术中的超声波测距仪精度不高，功耗过高，模块比较复杂，稳定性不高。
[0005]鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种基于单片机的超声波测距仪，用以克服上述技术缺陷。
[0007]为实现上述目的，本发明提供一种基于单片机的超声波测距仪，其包括单片机模±夹、超声波发射电路、超声波检测接收电路、驱动电路和显示电路，各电路模块均与所述单片机模块连接；
[0008]所述单片机模块的端口输出超声波换能器所需的方波信号，利用外中断口监测所述超声波检测接收电路输出的返回信号；所述显示电路采用共阳LED数码管；所述单片机模块实现对超声波发射电路和超声波检测接收电路进行控制，单片机模块不停的检测其INTO引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时认为超声波返回；所述单片机模块获取超声波所经历的时间，计算得出传感器与障碍物之间的距离。
[0009]进一步，所述单片机模块包括:闪烁存储器，随机存取数据存储器，I/O 口，定时/计数器，两级中断结构，串行通信口，片内震荡器和时钟电路；
[0010]单片机模块在闲散方式下停止中央处理器的工作，允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作；掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，振荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。
[0011]进一步，所述单片机模块包括一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，弓丨脚XTALl和XTAL2分别是该高增益反相放大器的输入端和输出端，其外接石英晶体及电容Cl，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。
[0012]进一步，所述单片机模块具有两种供电模式，通过控制专用寄存器PCON中的ro和IDL位来实现的；ro是掉电模式，当ro = I时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态；IDL是闲散等待方式，当IDL = 1，激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态；如需要同时进入两种工作模式，即ro和IDL同时为I，则先激活掉电模式。
[0013]进一步，还包括单片机最小系统，用以保证单片机模块能正常工作，包括外部振荡电路、复位电路和+5V电源，
[0014]在外部振荡电路中，单片机模块的XTALl和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个33PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲；
[0015]在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20F的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源。
[0016]进一步，所述超声波发射电路包括:反向器和超声波换能器，所述单片机模块的P1.0端口输出的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两极反向器后送到超声波换能器的另一个电极，将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。
[0017]进一步，所述超声波检测接收电路包括一集成芯片，其内部电路包括前置放大器，自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路；
[0018]其中，所述集成芯片的2脚与地之间连接RC串联网络，组成负反馈串联网络；3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；5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；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脚为遥控命令输出端，为集电极开路输出方式，因此该引脚连接一个上拉电阻到电源端。
[0019]进一步，所述单片机模块中还设置一延时单元，所述延时单元设定延时时间为lms，即在发射极发射超声波Ims内，关闭所有中断，接收电路对此器件接收到的任何信号不予理睬，Ims后立即启动T0，这时接收到的信号才有效，并在接收到回波信号的同时停止计数器T0，此时TO所记录的CPU发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的。
[0020]与现有技术相比本发明的有益效果在于，本发明中的超声波测距仪精度高，功耗低，模块简单，稳定性高；采用标准化的模块组成各个信息处理部分，实现模块化。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明基于单片机的超声波测距仪的功能框图；
[0022]图2为本发明单片机芯片的管脚示意图；
[0023]图3为本发明单片机内部振荡电路示意图；
[0024]图4为本发明单片机外部振荡电路示意图；
[0025]图5为本发明单片机最小系统的电路图；
[0026]图6为本发明超声波发射电路的结构图；
[0027]图7所示，其为本发明超声波检测接收电路的结构图。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。[0029]请参阅图1所示，其为本发明基于单片机的超声波测距仪的功能框图，本发明超声波测距仪包括单片机模块、超声波发射电路、超声波检测接收电路、驱动电路和显示电路，各电路模块均与所述单片机模块连接。
[0030]本发明单片机模块采用AT89C51，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差；单片机用Pl.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断O 口监测所述超声波检测接收电路输出的返回信号；所述显示电路采用共阳LED数码管，用74LS244驱动。
[0031]本发明单片机实现对超声波发射电路和超声波检测接收电路进行控制，然后单片机不停的检测INTO引脚，当INTO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；所述单片机模块获取超声波所经历的时间，计算得出传感器与障碍物之间的距离。
[0032]请参阅图2所示，其为本发明单片机芯片的管脚示意图，本发明单片机提供以下的功能标准:4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O 口，2个16位定时/计数器，I个5向量两级中断结构，I个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。本发明单片机闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。
[0033]单片机包括下述引脚:
[0034]PO 口:Ρ0 口作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“I”被写入PO 口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。PO 口在闪烁编程时，PO 口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。
[0035]Pl 口:对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。闪烁编程时和程序校验时，Pl 口接收低8位地址。
[0036]Ρ2 口:对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时,Ρ2 口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，Ρ2 口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，Ρ2 口接收高位地址和其它控制信号。
[0037]Ρ3 口:写入“I”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的Ρ3 口将用电阻输出电流。
[0038]Ρ3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。
[0039]RST:复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。
[0040]ALE/PR0G:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。
[0041]PSEN:程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号不出现。
[0042]EA/VPP:外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
[0043]请参阅图3和4所示，其分别为本发明单片机内部和外部振荡电路示意图；
[0044]XTALl:震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
[0045]XTAL2:震荡器反相放大器的输出端。
[0046]时钟震荡器
[0047]AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。使用石英晶体，电容使用30PF±10PF ;使用陶瓷振荡器选择40PF±10PF。
[0048]本发明单片机具有两种供电模式，这两种方式是控制专用寄存器PCON中的ro和IDL位来实现的；ro是掉电模式，当ro = I时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是闲散等待方式，当IDL= 1，激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态。如需要同时进入两种工作模式，即ro和IDL同时为I，则先激活掉电模式。
[0049]闲散节电模式:
[0050]在闲散工作模式状态，中央处理器CPU保持睡眠状态，而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内随机存取数据存储器和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。闲散模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止闲散工作模式的方法有两种，一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL被硬件清除，即刻终止闲散工作模式。程序会首先影响中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序，并紧随RETI指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入闲散工作模式，那条指令后面的一条指令；二是通过硬件复位也可将闲散工作模式终止。
[0051]为了避免可能对端口产生的意外写入:激活闲散模式的那条指令后面的一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
[0052]掉电模式:
[0053]在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在中指掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将从新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效且必须保持一定时间以使振荡器从新启动并稳定工作。
[0054]程序存储器的加密
[0055]单片机模块可使用对芯片上的三个加密位LB1，LB2, LB3进行编程(P)或不编程，得到如下表I所示的功能:
【权利要求】
1.一种基于单片机的超声波测距仪，其特征在于，其包括单片机模块、超声波发射电路、超声波检测接收电路、驱动电路和显示电路，各电路模块均与所述单片机模块连接； 所述单片机模块的端口输出超声波换能器所需的方波信号，利用外中断口监测所述超声波检测接收电路输出的返回信号；所述显示电路采用共阳LED数码管；所述单片机模块实现对超声波发射电路和超声波检测接收电路进行控制，单片机模块不停的检测其INTO引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时认为超声波返回；所述单片机模块获取超声波所经历的时间，计算得出传感器与障碍物之间的距离。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的超声波测距仪，其特征在于，所述单片机模块包括:闪烁存储器，随机存取数据存储器，I/O 口，定时/计数器，两级中断结构，串行通信口，片内震荡器和时钟电路； 单片机模块在闲散方式下停止中央处理器的工作，允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作；掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，振荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。
3.根据权利要求1或2所述的基于单片机的超声波测距仪，其特征在于，所述单片机模块包括一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是该高增益反相放大器的输入端和输出端，其外接石英晶体及电容Cl，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。
4.根据权利要求3所述的基于单片机的超声波测距仪，其特征在于，所述单片机模块具有两种供电模式，通过控制专用寄存器PCON中的ro和IDL位来实现的；ro是掉电模式，当ro = 1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态；IDL是闲散等待方式，当IDL =1，激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态；如需要同时进入两种工作模式，即ro和IDL同时为1，则先激活掉电模式。
5.根据权利要求1所述的基于单片机的超声波测距仪，其特征在于，还包括单片机最小系统，用以保证单片机模块能正常工作，包括外部振荡电路、复位电路和+5V电源， 在外部振荡电路中，单片机模块的XTALl和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个33PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲； 在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20F的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源。
6.根据权利要求1或2所述的基于单片机的超声波测距仪，其特征在于，所述超声波发射电路包括:反向器和超声波换能器，所述单片机模块的P1.0端口输出的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两极反向器后送到超声波换能器的另一个电极，将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。
7.根据权利要求6所述的基于单片机的超声波测距仪，其特征在于，所述超声波检测接收电路包括一集成芯片，其内部电路包括前置放大器，自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路； 其中，所述集成芯片的2脚与地之间连接RC串联网络，组成负反馈串联网络；3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；5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；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脚为遥控命令输出端，为集电极开路输出方式，因此该引脚连接一个上拉电阻到电源端。
8.根据权利要求6所述的基于单片机的超声波测距仪，其特征在于，所述单片机模块中还设置一延时单元，所述延时单元设定延时时间为1ms，即在发射极发射超声波Ims内，关闭所有中断，接收电路对此器件接收到的任何信号不予理睬，Ims后立即启动T0，这时接收到的信号才有效，并在接收到回波信号的同时停止计数器T0，此时TO所记录的CPU发送脉冲信号的前沿到 回波脉冲信号之间的时间才是需要的。
【文档编号】G05B19/042GK103941258SQ201410141607
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】郭豫荣, 张修义 申请人:陕西理工学院