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专业大学生超声波传感器的实训报告 一、实验背景 在科学技术高速发展的今天，超生波的在测距中的应用也越来越广。但目前我们的技术还是有限，为了推动我们电子信息工程系同学对其的兴趣发展，所以我们电子信息工程系教研室的老师们策划了一个基于单片机超声波测距仪项目的课程设计。同时也是为了老师考察电子系同学们在前一学年在单片机应用技术课程，传感器技术应用课程和印刷电路板的设计与工艺课程学习情况。也是对电子信息工程系的学生们动手能力的一种锻炼，及高职院校学生综合素质的一种培养。设计超声波测距仪用专用的集成电路的成本很高,并且没有显示,操作比较不方便。本文结合超声波精确测距的需要，尝试用STC89C52单片机为核心的低成本、简单实现收发功能、小型化数字显示超声波测距的硬件电路和软件设计方法。 二、实验原理 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一，超声波对色彩，光照度，外界光线和电磁场不敏感，因此超声波测距对于被测物处于黑暗，有灰尘或烟雾，强电磁干挠，有毒等恶劣的环境下有一定的适用能力，在液体测位，机器人避障和定位，倒车雷达、物体识别等方面有广泛应用。而且超声波传播不易受干挠，因而经常用于距离的测量。在某一时刻给超声波发生器施加40khz方波信号，发生器发出超声波，遇到被测物体后反射回来，被超声波接受器接受到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出被测物体的距离d=s/2=(vt)/2.其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用时间。 由于超声波在空气中的速度与温度有关，如果温度变化不大，则可以认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则可以通过温度补偿的方法加以矫正。不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：V=331.4+0.61t.其中，t为实际温度，v的单位为m/s. 本系统所采用的T/R40-16型超声波传感器。 超声波传感器型号代码:T/R40-16外壳直径-16(mm)T发射 R-接收40KHZ-中心频率。 图1超声波传感器 工作过程启动超声波测距电路时，工作过程如下: 1.由单片机发出40KHz的脉冲串，每10个脉冲为一串; 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再经过电压比较器，下降沿中断信号中断单片机的计时; 6读THO、TLO时间值; 7时间*速度，计算出距离数据; 8在LED上显示距离。 超声波测距是根据回波测距的原理设计的，由超声波的发射器发射超声波，超声波接收器接受回波。测出从超声波发射脉冲串时刻到接受回波是的时间差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将声速与时刻差相乘，得出距离，并显示。其系统框图如图2所示。 三实验器材及设备 A.实验器材 超声波测距原理图pcb板一块，超声波探头，超声波接收头，555多谐振荡器，LM386音频集成芯片、LM567集成芯片、CD4069驱动芯片、DS18B20传感器一个以及一些必须的电阻，电容及元器件等等 B.实验设备 电烙铁一个、烙铁架一个、钳子，8051系列单片机。电锡丝、万用表、示波 器、被测物体、电脑、下载数据线等等。 四、实验目的 为了推动我们电子信息工程系同学对超声波在测距这块的兴趣，我们教研室的老师们策划了一个基于单片机超声波测距仪项目的课程设计。同时也是为了老师考察电子系同学们在前一学年在单片机应用技术课程，传感器技术应用课程和印刷电路板的设计与工艺课程学习情况。也是对电子信息工程系的学生们动手能力的一种锻炼，及高职院校学生综合素质的一种培养。 五、实验内容 本文的主要内容是先阐述课题背景、任务，对超声波测距的可行性进行了理论分析的基础上，利用计算机技术、电子技术、以及超声波在介质中的传播特性等，制作出了超声波测距的硬件部分，编写了相应的软件程序，并进行了调试和试运行。在硬件电路的设计中，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量的范围。在软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件分为超声波驱动与数据处理模块，每个模块又由若干小模块组成。对软件的这种处理不但能使软件的结构清晰，而且有利于软件的调试和修改。 最后给出了试验结果，分析误差，提出解决措施。 六、实验步骤 a.前期准备 1、画出超声波测距原理图如下图所示。 图3超声波测距原理图 2、根据原理图利用proteldxpxx软件和参加pcb制板实训制成一块超波测距pcb板 一、设计目的 本设计利用超声波传输中距离与时间的关系，采用STC51单片机进行控制和数据处理，设计出能够精确测量两点间距离的超声波测距仪。同时了解单片机各脚的功能，工作方式，计数/定时，I/O口的相关原理，并巩固学习单片机的相关内容知识。 二、设计要求 1.设计一个超声波测距仪，能够用四段数码管准确显示所测距离 2.精度小于1CM，测量距离大于200CM 三、设计器材 元器件数量 STC51单片机1个 超声波测距模块URF-041个 电阻（1K2004.7K）3个 晶振（12MHz）1个 共阳极四位数码管1个 极性电容（33pF）2个 非极性电容（22uF）1个 四、超声波测距系统原理 在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=12vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为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12.0M晶振，所以此系 统的测量精度理论上可以达到毫米级。 超声波测距的算法设计:超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下： 超声波测距器的系统框图如下图所示： 图1测距原理 图2系统框图 五、设计方案及分析（包含设计电路图） 4.1硬件电路设计 4.1.1单片机最小系统控制模块设计与比较 方案一：采用MSP430系列的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便。因此我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。 方案二：采用STC51单片机控制。STC51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB的系统可编程Flash存储器。AT89S52具有以 下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，能够满足题目设计的所有要求，而且我们对STC51单片机也比较熟悉，因此我们选择方案二。最小系统电路图如图3所示 图3单片机最小系统 4.1.2显示模块设计 采用四位共阳极数码管显示，连接电路简单，显示电路连接图如图4所示 图4数码管显示电路 4.1.3超声波测距模块 a.本系统采用超声波模块URF04进行测距，该模块使用直流5V供电，理想条件下测距可达500cm，广泛应用于超声波测距领域，模块性能稳定，测度距离精确， 盲区（2cm）超近。 URF-04工作原理简述 超声波测距原理：单片机给超声波传感器模块一个触发电平，超声波传感器的发射管自动发送8个40KHZ的方波，当超声波检测到障碍物时就会信号返回，接收管接收到信号返回之后，单片机处理从单片机发送信号到接收到返回信号这段时间里超声波传感器模块输出高电平。这段高电平持续时间即为超声波从发射到返回的传播时间。测量距离=（高电平持续时间*波速）/2。 4.1.4其他电路设计 a.复位电路 单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位 电路如下： 在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即RC20ms。一般取R1K，C22uF。当人按下按钮S1时，使电容C1通过R1迅速放电，待S1弹起后，C再次充电，实现手动复位。R1一般取200。 图5复位电路 b.时钟电路 当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XATL1和XATL2用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择3M24M，电容选择30pF 一超声波测距仪原理 超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=12vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为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12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 超声波仿真采用AT89C52，实际运用AT89S52单片机,晶振:11.0592M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号,利用外中断1口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用74HC245,位码用三极管驱动。超声波测距的算法设计:超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离， 超声波测距器的系统框图如下图所示： 二超声波测距仪硬件部分 超声波学习板采用仿真用了AT89C512，实物用的是或AT89S52单 片机,晶振:11.0592M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用74HC245,位码用三极管驱动.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部分组成。采用AT89S52来实现对CXxx6A红外接收芯片和T40-16系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，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。T1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。 该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射