引  言

1．设计目的：

随着科技的进步，人们对测量的方法和测量的精度的要求也越来越高。在日常生活中，工业活动和农业生产中，经常会遇到难以用常规办法进行测量的情况。超声波指向性强、易于定向发射、强度好控制、能量消耗缓慢、传播距离较远、不受恶劣天气和光线影响，根据他的这些优点所设计的测量仪可实现比较迅速、方便的测量。它设计比较方便，计算处理也较简单，易于做到实时控，测量时与被测物体无自接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。超声波测量仪可用在不便于人工测量的地方，为生活中工作中，提供不可想象的便利。如汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度等的实时测量场合。

超声波测距仪是非接触式测量仪。得益于它的非接触式，它能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。目前基于超声波测距的精度需求和盲区减小的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。

本设计结合超声波测距原理，传感器原理等，进行了系统的硬件和软件设计。

本设计为以MCS-51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。本设计主要应用于短距离测量,设计的最终目的为:

测距范围为0~10米；相对误差为＜±5%。

工作环境为-10℃~+55℃。雨、雪、雾、黑夜均不受影响。

2．国内外测距仪介绍：

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。从国外测距仪表发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化(EDA)、计算机辅助测试(CAT),数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。呈现出(1)智能化测距仪;(2)非接触测量方式的测距仪;(3)新原理的小型测距。

国内的早期的测距仪也是基于机械原理的，但是随着世界的电子技术的发展，国内位移测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量更高。

主要测距方法有：

（1）人工检尺

利用皮尺测量距离，这是至今仍然在全世界广泛使用的最简单方法，人工测量的精度一般，存在人为因素误差。

（2）雷达测距仪

连续式微波测距仪这几年逐步推向市场。它通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在发射点，向需要被测物面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播时间延迟，发射频率己改变了。将两者信号混合处理，所得信号差频正比于发射点到被测物面之间的距离。

（3）激光测距仪

激光测距仪的测量原理是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。

（4）γ射线测距仪

该技术是基于γ射线对不同物质产生不同衰减的理论。γ射线测距特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题，因为测量件没有任何部件与被测介质相接处。

（5）超声波测距仪

超声波测距仪是非接触测距仪中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。

3．超声波的特点

超声波是声波大家族中的一员。声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。

超声波有以下几个特点： 

1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 

2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 

3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。（用于医学）

  1 系统设计原理及总体设计

1.1系统设计原理

1.1.1测距原理

距离公式：距离(S)=时间(T) × 速度（V)。

在设计时 ，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。

利用超声波测时间方法有相位检测法、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，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。本超声波测距仪采用渡越时间检测法。超声波测量原理图如图1-1。

图1-1 超声波测距原理图

在超声波发射器两端输入40KHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面；由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。传播的时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。如图2.1所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为V=344m/s (20℃时)，依据公式S=(1/ 2)V × T，得距离S。

渡越时间测量法:

1.直接计时法

每隔一定时间发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时刻开始单片机定时器计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻，停止单片机TO计时。单片机定时器所计时间，即为传播渡越时间。

2.相位法

测距仪由震荡电路发出一定频率变化的正弦波，由超声波换能器转换成声波。发出的声波到达被测面，经被测面反射，超声波换能器接收端获得声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。假设震荡电路波形往返一个Φ角，则声波在被测的距离上往返一次需要的时间t为t=Φ/ω。该方法是一种相位测量方法，但是由于相位测量存在以2n为周期的多值解，从而造成解的不确定性。为了消除这种不确定性，再引入通常的包络检测来消除这种不确定性，从而实现高精度测距。发射二个频率不同的声波，测定与这二个并发声对应的回波信号的相位，根据所测相位进行测距的一种高精度的超声波测距方法。同时使用二个回波的相位以及包络信息，排除了以2n为周期的相位上的不确定性。因此可以得到较高的测量精度。从相位检测角度来看。测量二个不同频率信号的相位和包络相对比较简单快速。

1.2传感器工作原理

1.2.1传感器的类型及设计要求

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:机械方式和电气方式产生超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，或者超声探头，它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。一般是使电能和超声能量相互转换。

我们常用的是电气方式，电气方式类型包括:压电型、磁致伸缩型和电动型等，机械式方式有:气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片，既可以发射超声波，也可以接收超声波。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，碳酸钡压电陶瓷、碳酸铅压电陶瓷复合晶体等。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要设计要求； 

（1）工作频率：工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

1.2.2设计所用传感器工作原理

本设计所采用的超声波传感器为压电型。此类型的传感器一般采用双压电陶瓷品片制成。这种超声传感器需用的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，就会产生电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器（双压电晶片元件），施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

传感器的内部有一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的部位。

超声波传感器有两块压电陶瓷晶片和一块共振板。当在两电极加交变脉冲信号(触发脉冲)时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。

通过对此信号的分析处理，可实现各种检侧。压电陶瓷晶片有固有谐振频率，即中心频率，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致;接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波发射器才有较高发射效率，接收器才有较好接收灵敏度。

当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于超声传感器的中心频率一般为40KH。

1.3系统总体设计

1.3.1总体设计思路

超声波测距仪是根据“回波测距”的原理设计的。除超声波的发射器发射超声波，超声波接受器接收回波。测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时刻差，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。超声波测距仪的总体设计思路如图1-1所示。

图1-1 总体设计思路

1.3.2系统组成

整个方案的中心为单片机8051，由单片机8051作为控制中心，控制超声波的发射，接收以及数据的处理和显示。本系统的具体组成框图如图1-2。

图1-2 系统的基本组成

1.3.3工作过程

启动超声波测距仪测距时，工作过程如下：

1.由单片机发出40KHz的脉冲串；

2.脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波；

3.单片机在发送脉冲的时刻开始计时；

4.超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经过两级放大；

5.经过音频解码器的开关控制，回波中断；

6.时间×速度，数据计算；

7.显示；

8.重复过程1；

2 系统硬件设计

本系统的硬件部分包括8051单片机、超声波接收电路、发射电路以及显示电路四个主要部分，下面就分块说明每个部分的结构、原理、功能等。

2.1 8051单片机结构及功能

按设计要求，根据超声波测距原理，以8051单片机系统为核心，设计超声波测距仪.硬件电路总体设计图如附录1。下面介绍本系统的核心，MCS-51系列经典单片机8051系统。

2.1.1 8051单片机结构

8051单片机为目前广泛使用的MCS-51系列单片机中的一种，51系列单片机性能好，成本低,因此被广泛应用。8051单片机系统由8051单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。其引脚图如图2-1。

2-1 8051单片机引脚图

顾名思义，所谓单片微型计算机，其特征就是将计算机的所有部件集成到一个硅片上.它包括只读存储器，随机存取存储器，处理单元，并行输入输出口，穿行输入输出口，定时/计数器，时钟电路，中断系统。8051单片机内部结构为8位CPU, 128B RAM,4KB ROM,21个特殊功能寄存器，4个8位并行口，1个全双工串行口，2个16位定时/计数器。

2.1.2 8051单片机内部各结构功能

1.处理单元CPU（8位）

CPU包含有运算器和控制器，运算器进行算术运算和逻辑运算，能对BCD数据进行处理，还具有对RAM或I/O的某未进行测试，置位或复位的功能，即位操作功能。

⑴ 运算器：以8位的算术/逻辑运算部件ALU为核心，与通过内部总线挂在其周围的暂存器1，暂存器2，累加器ACC,寄存器B，程序状态寄存器PSW及布尔处理机组成了整个运算器的逻辑电路。

运算器主要完成：算术运算（加减乘除、加1、减1、BCD加法的十进制调整），逻辑运算（与、或、抑或、清0、求反），移位操作（左、右移位）。

⑵ 布尔处理机：是CPU中的重要组成部分，拥有相应的布尔指令子集。硬件有自己的处理单元和自己的位寻址空间和I/O口，是一个的位处理机。大部分的操作均围绕CY来完成。能够完成位的传送，清0，置位，求反，与，或及判位转移操作。

⑶ 控制器：控制器是CPU的控制中枢，包括定时控制逻辑，指令寄存器，译码器，地址指针DPTR，堆栈指针SP，程序计数器PC，RAM地址寄存器及16位的地址缓冲器等。

2.只读存储器

用于永久性的存储应用程序。在目前单片集中大量采用的是掩模式只读存储器MROM和改写只读存储器EPROM，随着电子技术的发展，已开始采用电可读写只读存储器EEPROM。

3.随机存取存储器

用于在程序运行时存储工作变量和数据。

4.并行输入/输出口（32条）

每根口线可灵活的选作输入或输出，并且可以作为系统总线使用，已扩展片外存储器和输入/输出接口芯片。

5.串行输入/输出口（2条）

用于多处理机通信，获全双工UART（通用异步收发器）通信，也可以与一些特殊功能的芯片相连，进行输入/输出扩展。

6.定时/计数器

单片机定时/计数器为增量计数器，当计数满时溢出中断将标志位置位。定时/计数器的作用在于：

⑴ 进行精确定时，实行实时控制；

⑵ 用于事件计数。这样作减少了软件开销。

7.时钟电路为内部振荡器外接晶振电路。

8.中断系统

中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现多个软件功能的并行运行。

2.1.3 8051单片机的主要性能特点

计算机有两种基本结构：哈佛结构，即程序存储器和数据存储器分开，互相；普林斯顿结构，即程序存储器和数据存储器合二为一，地址空间统一编址。

单片机为哈佛结构。有如下性能特点：

⑴ 内部程序存储器：4KB。

⑵ 内部数据存储器：128B。

⑶ 外部程序存储器：可扩展到KB

⑷ 外部数据存储器：可扩展到KB

⑸ 输入/输出口线：32根（4个端口，每个端口8根）。

⑹ 定时/计数器：2个16位可编程的定时/计数器。

⑺ 串行口：全双工，2根。

⑻ 寄存器区：在内部数据存储器的128中华出一部分作为寄存器区，分为四个区，每个区8个通用寄存器。

⑼ 中断源：5个中断源，2个优先级别。

⑽ 堆栈：最深128B。

⑾ 布尔处理机：即位处理机，对某些单元的某位做单独处理。

⑿ 指令系统（系统时钟为12MHz时）：大部分指令执行时间为1µs；少部分指令执行时间为2µs；只有乘，除指令的执行时间为4µs。

2.2发射电路设计

2.2.1发射电路功能

发射电路目的:为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号

依据电路需要，发射电路满足下列要求:

1.振荡电路振荡频率为40KHz；

2.驱动能力较高；

3.I/O口控制。

2.2.2发射电路原理图

振荡电路目的:提供40KHz脉冲。

当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号电能能高效率的转化为机械声波机械能。一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40KHz，实际有偏差，如40±0.5KHz。因此设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。振荡电路有多种设计方案，方案如下：

方案一:利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路最简单的振荡器。这种振荡器特点是:T(≈1.4-2.3)R*C电源波动将使频率不稳定，适合小于100KHz的低频振荡情况。此振荡是上电振荡，不方便控制。

方案二:采用两三极管和电阻电容构成的振荡器。

方案三:LC三点振荡电路。

方案四: 555芯片组成振荡电路。555芯片振荡电路，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到。为了方便快捷，本文中选方案一原理。采用与非门与电阻电容构成振荡电路。此电路外围元件少，电路简单，且及易控制。本文中采用的电路振荡原理图如图2-2。

图2-2 40KHz超声波发射电路

2.3接收电路

2.3.1接收电路功能

根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求:

(1)微弱信号放大，放大倍数要求将毫伏级信号放大为伏级信号。

(2)波形整形，将正弦波整形为方波。

超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，信号经过三极管放大以后，被送入运算放大器进行滤波整形，运算放大器输出的方波信号输入音频解码器NE567开关控制系统作为中断控制，NE567接收到方波信号，由原来的输出高电平，变为输出低电平。该低电平作为8051外部中断0的中断信号使8051产生中断，在中断服务程序中停止计数器TO的计时，并计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的识别、转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。如图2-3，进行波形处理。

图2-3 接收电路信号变化关系图

2.3.2接收电路原理图

放大电路目的:微弱信号放大。

微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由三极管放大电路和运算放大器构成。超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机端口辨识。接收放大电路原理图如图2-4。

图2-4 接收放大电路原理图

2.3.3中断电路

电路需要一个中断系统，供单片机端口辨识，本系统采用音频解码器NE567及其外围电路构成的音调开关电路，作为中断系统。其电路原理图如图2-5。

图2-5 中断电路

NE567音频解码器，正常工作状态为输出高电平，当其接收到放大电路输入的方波信号，其输出高电平跳变为低电平，并输入到单片机端口。单片机辨别到这个跳变，并由于的低电平有效，使单片机停止计时，开始对数据进行计算，并显示。

2.4显示电路

显示电路目的:显示测量的结果，提供信息。

为了直观地显示出数字系统的运行状态以及工作数据，在这些系统中普遍的使用了数码管显示器件。单片机系统中比较常用的显示器有发光二极管显示器LED，液晶显示器LCD两种，前者价格便宜，配置简单，与单片机接口简单。故采用LG5011AH共阴极LED数码管。选择CD4511作为显示译码电路，由CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。显示电路是3个CD4511译码驱动器连接3个共阴极数码管，译码驱动器CD4511 A,B,C,D口与8051 I/O口P1.0~P1.3相连接。三个驱动器的片选信号分别与单片机P1.4~1.6口相连接。

这里的LED数码管是采用共阴极的方法连接的，为了保护各段不受损坏，在显示器和译码电路之间加入1K的限流电阻。由计数器、显示译码器和显示器构成的显示系统如图2-6所示。

图2－6 显示系统

2.4.1 LED数码管显示原理

发光二极管(LED)与普通二极管类似，只要管子上有电流流过，管子就点亮。通过七段发光二极管亮暗不同的组合，可以显示多种数字、字母及其它字符。本设计中LED显示采用共阴极连接，即把七个发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端连接阳极端输入高电平时，发光二极管点亮，输入低电平时则不亮。

2.4.2显示译码器

由于LED显示器的共阴极结构，对共阴极数码管来说，则为共阴极接地，相应的BCD-七段译码器的输出驱动a～g接阳极。数码管为共阴极，选用输出为高电平有效的显示译码器。驱动共阴极数码管的BCD-七段的译码器CMOS电路为CD4511。CD4511管脚分配图如图2-7。

图2-7 CD4511管脚分配图

表2-1为CD4511功能表。D、C、B、A为BCD码输入端，分别与单片机的相应的I/O端口连接。为消隐功能端。＝1，正常显示：＝0字型消隐。为灯测试端，＝1，正常显示；＝0显示器显示8。LE为锁存端，LE＝0，不锁存，译码器输出随输入BCD码变化；当LE由0变1时，将输入的BCD码锁存。

由单片机8051对测量的数据进行计算处理后，以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由CD4511芯片把BCD码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。

表2-1  CD4511功能表

系统软件设计采用汇编语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。

软件设计思路是:系统初始化、发射脉冲串、计时、接收输入脉冲，接收串口输入速度值、计算距离、显示距离值、重复。超声波测距系统软件部分包括四个部分：主程序，显示程序，中断程序

3.1主程序

图3-1为主程序流程框图。程序在初始化以后，发射40超声波1，并立即启0，接收回波信号后，立即中断，T0停，定时器T0专用于记录CPU发射脉冲信号的前沿至回波脉冲信号前沿之间的时间，这个时间就作为换算障碍物距离的数据。

图3-1 主程序流程图

图3-2 显示程序流程图

3.2显示程序

电路的显示部分有三个数码管组成，在程序的控制方面，采用动态扫描的方式进行逐个显示。如图3-2所示，为显示部分流程图。首先显示个位，然后是十位，最后为百位显示。每一位显示2ms，显示3位共6ms，作为一个循环。用32H控制循环次数，显示时间由32H决定，在调用显示程序前先付值给32H。

3.3中断程序

5个中断源中，，串行口不用；T0用于记录发射接受时间，不中断，用于回波信号中断；T1定时25ms，用于控制闪烁显示时间。CPU发射40kHz超声波2ms，然后显示60ms，2ms和60ms时间均由延迟子程序控制，在显示60ms期间等待中断，中断后立即关断T0。60+2=62ms是一个工作周期。在这个周期内完成一次信号探测，然后进行数据处理。由于选用晶振12MHz，定时最大时间为65.5ms。大于62ms，当时间常数为0时，T0尚未中断。第二周期又开始了，因此T0不开，也不会产生中断。超声波往返速度为17cm/ms，62ms可达10.54m，已超过超声波能探测的最大距离了。

软件系统的程序全文如附录2。

4 系统调试

本设计最后的测距结果可用所测量的距离和采用起他有效可靠方式所测量的距离进行比较，得出其测距的准确度。测量的误差可能由于各种干扰引起，也有可能由系统硬件以及软件部分的错误或失常而引起。因此我们在完成硬件以及软件的制作后，需要进行调试，以找出存在的错误或失误，保证系统的可靠运行和实现。在设计过程中也应该尽量排除干扰。本系统主要以硬件调试为主。

4.1 硬件检测和调试

在系统设计的过程中，主控制器为单片机8051。它的性能可靠，运行稳定，因此主要是对超声波发射电路，接收电路以及LED数字显示模块进行检测和调试。我们将这三个部分的电路，分块进行检测。在检测之前先利用万用表检查整体的电路是否焊接正确，是否有断路和短路的地方及一般的焊接错误，检测电源连接是否符合要求，接着再分块进行检测。

1.显示电路的检测：显示电路由三个共阴极LED数码显示器进行显示。这三个显示器分别由一码驱动器CD4511进行驱动显示。对这部分进行检测，应分别给CD4511的四个输入端输入高低电平，然后查看相应的数码管是否能正确的显示。如当给四个输入端“D、C、B、A”分别输入“0 0 1 0”时，若数码显示管显示“2”,则为显示正确。

2.超声波发射电路检测：根据需要，超声波发射电路所发射的波形应为方波。为检测其波形，我们需借助示波器进行观察和调试。将发射端与示波器相连接，观察其波形的形状，大小，频率，跟据其波形对发射电路中的滑动变阻器RP1进行调节。直到调出最佳波形为止。

3.超声波接收电路检测：其检测过程与对发射电路进行检测的过程基本一致。接收电路所接收到的应为正弦波，经过放大电路对这个波形的放大，整形，其输入到单片机中的应为方波。故而对接收电路的检测至少应该检测他两处波形。一个在其接收端，用示波器观察到的应为正弦波，另一处在运算放大器的输出端，用示波器观察到的波形应为方波。根据此条件，分别对两处波形进行调试。

4.2 软件调试

本程序采用单片机8051的程序编写，为汇编语言。在编译好程序后，进行仿真测试。测试好后，使用51单片机开发板将编译好的程序烧制到8051单片机中，即可使用。

4.3 干扰处理

超声波测距系统是一个集数电、模电为一体的复杂电路，为了使系统稳定、可靠的工作，主要从以下几方面对可能出现的干扰进行处理：

1 切断干扰传播路径

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。

所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。

切断干扰源采用了如下措施:

(1) 将数字部分与模拟部分完全分开，电源接入处与地线接出处一点相接地。

(2) 为防止超声波接收器与发射器辐射千扰，将其相隔8cm的距离平行放置。因超声波的波束很小，如此相隔后，辐射传播路径可以切断。

(3) 注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近。

2 提高敏感器件的抗干扰性能

在此设计中，超声波接收器是敏感元件，在其两端的信号稍有变化，经过放大后即为严重的干扰信号。提高敏感器件抗干扰性能采用了如下措施:

(1) 布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。

(2) 布线时电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。

3 对电路板进行合理设计

对电路板合理设计，方法有如下几种。

(1) PCB板元件布局

① 线路板面上的元器件应尽量成直线排列;

② 多级放大器的各级最好能成直线排列，使输出与输入级相距较远，从而减少输出与输入的级间耦合；

③ 元器件合理分区:对于那些易产生噪声的器件组成的电路，如微机系统中指示灯、电源线路等电路，应与微弱信号电路分开布局，尤其是应尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路(ROM, RAM)，如果可能的话，可以将这些电路另外制成电路板，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性;

(2) PCB布线原则

① 加粗地线;

② 电源和地是从电源的两端接到印制板上来的，电源一个接点，地一个接点，印制板上有多个返回地线，这些都会聚到回电源的那个接地点上，就是所谓单点接地;

③ 对于模拟地、数字地、汇集到接地点上夹。

PCB印制板图如附录3。

结  论

通过设计基于8051单片机的超声波测距仪，我对单片机（51系列）及传感器理论有了全面了解，主要对51单片机使用、程序编写有了一定的掌握。在基于8051单片机的超声波测距仪的设计中，包含了单片机技术，数字电路，模拟电路等技术。在设计制作过程中，了解到单片机在生活中的巨大作用。本文针对超声波测距仪的原理及控制，提出设计方案，考虑多种误差因素，保证测量精度。在此基础上完成硬件控制器的设计调试，软件设计调试。

主要工作包括:

1 根据文献资料，了解国内外超声波传感器的研究现状，理解各种测距原理，理解声波等相关知识。

2 依据现有各种测距仪的设计方案，选择最佳方案。

3 完成了超声波测距仪上汇编程序的设计与软件设计，并且调试通过，最终完成程序烧录。

4 对样机性能进行了试验，精度达到要求。

在此次试验中，参考一些有经验人士的电路结构和设计思想。

借鉴经验人士的思想和电路有；

1 测距原理即距离=时间×速度。

2 振荡电路、发射电路放大电路。

由于时间和精力等多方面的原因，此控制系统多少还存在一些不足之处，有待进一步改进和提高。主要包括:

1 PCB抗干扰能力有限。超声波发射接收器之间依然存在直达波间或影响。

2 放大电路中，由于集成芯片、电阻、电容的热噪声影响，对远距离的微弱信号放大有干扰作用。

3 在远距离测量时，驱动功率相对不够。

4 在此设计的超声波测距仪与市场上的测距仪相比，精度上和性能上还有不足之处,有待改进。

参考文献

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[14]胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化.2003,5,54-56.

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附录1：硬件电路总体设计图

附录2：程序全文

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 0003H 

LJMP GINT0

ORG 000BH 

LJMP GT0

ORG 001BH

LJMP GT1

MAIN: MOV P1,#99H

CLR P3.0

MOV R7,#0

MOV IE,#8CH

MOV TMOD,#11H

MOV TH1,#15H

MOV TL1,#9FH

MOV TH0,#0FDH

MOV TL0,#0B3H

SETB P3.0

LCALL DELAY

CLR P3.0

SETB TR1

SETB TR0

SJMP $

GT0: MOV TH0,#0FDH

MOV TL0,#0B3H

INC R7

RETI

GT1:CLR TR0

CLR TR1

CLR P3.0

MOV TH1,#15H

MOV TL1,#9FH

MOV TH0,#0FDH

MOV TL0,#0B3H

SETB P3.0

LCALL DELAY

CLR P3.0

SETB TR1

SETB TR0

TETI

GINTO:CLR TR0

CLR TR1

CLR P3.0

MOV TH1,#15H

MOV TL1,#9FH

MOV TH0,#0FDH

MOV TL0,#0B3H

MOV A,R7

MOV B,#10

DIV AB

SWAP A

ANL A,B

MOV P1,A

MOV R7,#0

SETB P3.0

LCALL DELAY

CLR P3.0

SETB TR1

SETB TR0

RETI

DELAY: MOV R6,#H

DJNZ R6,$

RET

END

附录3：PCB印制版图

致  谢

经过一段时间的努力，我的毕业设计终于接近尾声。在整个毕业设计过程中，非常感谢我的指导老师杨庆德教授的精心指导，他不仅在百忙中耐心的辅导我对设计提出的疑问，而且特别注意引导我思考，启发我自主解决问题。从杨老师一丝不苟的钻研态度中，我看到了治学严谨的科研精神，同时激励了我在学业上不断进取。在杨老师循循善诱的指导下，使我的专业知识水平得到很大的提高。

这次毕业设计，是对我大学四年所学知识的综合检查。当一些比较复杂的我自己无法解决的问题出现的时候,杨老师及宗燕燕老师都给予我毕业设计上的指导和帮助。在实际调试和仿真的阶段,实验室的各位老师为我提供了计算机,稳压电源等相关的设备仪器,给予我在毕业设计上很大的支持。在各位老师和同学的帮助下,我的毕业设计不仅仅是一个设计制作的过程,更是一个学习和完善的过程。

在此，我向所有帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢，正是得益于他们的帮助，才使我的毕业设计顺利完成。下载本文