传感器超声波测距仪.doc

超声波测距仪一 设计的背景及意义随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。在科学研究和工程试验中，经常会遇到非接触测量距离的问题。目前，主要有两大类非接触测量距离的方法:一种是激光测距，一种是超声波测距。超声波技术在日常生活中有着广泛的应用。例如，探伤技术、清洗技术、测距技术等等。超声波测距技术主要应用于汽车倒车雷达、建筑工地以及一些工业现场的位置监控、井深的测量等等。 由于高精度的超声波测距仪所采用的专业集成电路成本较高, 我们以价格比较低廉的ATC89C51单片机为核心设计一款具有低成本、高精度、具有动态显示等优点的超声波测距系统。二 总体设计方案要求设计一台超声波测距仪，具体要求如下：超声波测距仪的性能指标：（1）要求测量范围在0.4-2.5m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。可应用于汽车倒车、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、管道长度的测量等场合；（2）显示测量距离。评估标准：（1）功能齐全；（2）性价比高：线路简单、造价低、精度高，具有自检、自校、量程可调节等功能；（3）可靠性高；（4）资料齐全。三 总体设计方案21 超声波测距仪的设计思路超声波的性质： 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（诊断或对传声媒质产生效应。（治疗） 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（如B超等用作诊断）；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）。 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。超声波传感器可以分为两大两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械式包括加尔统笛、液哨、气流旋笛型等。他们所超生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前比较常用的是压电式超声波传感器。超声波传感器习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。本设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 超声波测距仪主要由单片机系统、显示电路和超声波发射电路及超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89C52来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。单片机内部计数器所计的数据就是超声波发射并返回所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将结果显示在LED显示屏上。超声波测距仪的原理框图如下:22 超声波测距原理压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。图2-2 超声波换能器内部结构图在电路中, 发射端输出的脉冲是一系列方波, 其宽度称为发射超声波的时间间隔,被测物距离越大, 其脉冲宽度就越大, 输出脉冲个数与被测物距离成正比。计时寄存器对P1.0口的高、低电平分别进行10us的延时, 实现从P1.0口输出周期为20us的方波信号。当单片机控制超声波发生器向某一方向发射超声波波束, 在发射时刻的同时,单片机内部定时器开始计时。在传播过程中, 超声波遇障碍物(被测物) 后反射回波, 超声波接收器接收到第一个反射波后, 定时器停止计时。定时器所计的数据就是超声波所经历的时间, 通过公式S=(VT)/2换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。由于超声波的声速和温度有关, 如果温度变化不是很大, 认为声速基本不变。如果测距精度要求很高, 那么可以通过温度补偿的方法来加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系。 V=331.4+0.61T 公式1其中，T为实际温度，V的单位为m/s。表一给出了声速与温度的关系 表一 声速与温度的关系温度/（）-30-100102030100声速/（ms）313319325338344349386测距的公式为: L= (V*T)/2 公式2其中, L为测量的距离长度; V 为超声波在空气中的传播速度; T为发射到接收所用时间的,由单片机的定时功能实现对超声波信号的准确计时。三 系统的硬件设计31 单片机的功能与特点 51系列单片机提供以下功能：4kB的存储器，256BRAM，32条I/O线，2个16B定时/计数器，5个2级中断源，一个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。 AT89C51单片机引脚图如下所示：3.2、超声波发射电路超声波发射电路原理图如下图3所示。发射电路主要由反相器和超声波发射换能器T构成，单片机P2.0端口输出的40kHz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，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R2、R3一方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。图3、超声波发射电路压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。3.3、超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如下图4)。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C7的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。图4、超声波检测接收电路32 数码管的工作原理及方式341 LED数码管的工作原理 LED显示器由二极管组成显示字段（包括小数点）。将所有发光二极管的阴极连接在一块，成为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。将所有发光二极管的阳极接在一块，成为共阳接法，当某个字段的阴极为低电平时，对应的字段就被点亮。本设计采用共阳接法。各个电路图如下：342 LED数码管的工作方式 点亮LED显示器有两种方式：静态显示和动态显示。静态显示，就是显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或者截止，这种方式每一位显示都需要一个8位输出口控制，占用硬件较多，一般仅用于显示位数比较少的场合。动态显示，就是一位一位的轮流点亮各个显示器。对于每一位显示器而言，每个一段时间点亮一次。动态显示器其硬件成本较低，多数显示时被用到。 为了节约成本, 本设计用4位数码管显示, 显示电路采用简单实用的4位共阳LED 数码管来显示测量距离, 采用单片机动态扫描显示。段码用74LS245驱动, 位码用PNP三极管VT1、VT2、VT3、VT 4驱动。LED数码管显示电路图如图3-4所示 图3-4 LED显示电路 四 系统软件的设计超声波测距仪的软件设计主要包括：主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、定时子程序、显示子程序等组成。主要基于C语言编程。41 超声波测距仪算法设计超声波测距的原理为超声波发生器在某一时刻产生一个超声波信号，当这个超声波信号被检测物体反射回来以后，就被超声波接收器所接受。这样，只要计算出发出超声波到接收到回波信号的时间，就可以算出超声波发生器与反射物之间的距离。距离的计算公式为： L=（VT）/2 其中，V为声速，T为声波来回的时间，L即为所要测量的距离。 主程序完成初始化后调用发射子程序, 由P1.0口发射脉冲, 驱动超声波传感器发射超声波, 关外部中断, 计数器T0开始计时。为防止虚假回波的干扰, 在延时一段时间后, 开中断。当有外部中断信号时，单片机就停止T0的计时, 计算出渡越时间T并存储E2PROM中; 然后调用测温子程序, 采集超声波测距时的环境温度, 并换算出准确的声速v, 存储到E2PROM中, 单片机再调用计算子程序, 计算出传感器到目标物体之间的距离, 最后把测量结果存储并通过数码管电路显示出来, 完成一次测量。42 主程序流程图当按下测量键时, 主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序, 并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出来。设计中, 超声波发射探头和接收探头距离较近,当发射探头发射超声波后, 有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收探头上, 这部分信号是无用的, 会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题, 并设定延时时间为1 ms, 即在发射极发射超声波1m s内, 通过软件关闭所有中断, 接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬, 1 ms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,