基于单片机的超声波测距系统的研究与设计.doc

第 1 章 绪论 1 1 课题背景目的及重要意义 随着科学技术的快速发展 超声波将在传感器中的应用越来越广 在人类文明 的历次产业革命中 传感技术一直扮演着先行官的重要角色 它是贯穿各个技术和 应用领域的关键技术 在人们可以想象的所有领域中 它几乎无所不在 M 传感器 是世界各国发展最快的产业之一 在各国有关研究 生产 应用部门的共同努力下 传感器技术得到了飞速的发展和进步 但就目前技术水平来说 人们可以具体利用 的传感技术还十分有限 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 超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比 如电磁的或光学的方法它不 受光线 被测对象颜色 电磁干扰等影响 超声波对于被测物体处于黑暗 有灰尘 烟雾 电磁干扰 有毒等恶劣的环境有一定的适应能力 因此在液位测量 机械手 控制 车辆自动导航 物体识别等方面有广泛应用 特别是应用于空气测距 由于 空气中波速较慢 其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来 具有很高的分辩力 因而其准确度也较其它方法高 而且超声波传感器具有结构简 单 体积小 信号处理可靠等特点 超声波是一种指向性强 能量消耗慢的波 它在介质中传播的距离较远 因而 超声波经常用于距离的测量 可解决超长度的测量 超声波作为一种特殊的声波 同样具有声波传输的基本物理特性 反射 折射 干涉 衍射 散射 与物理紧密联系 应用灵活 并且更适合与高温 高粉尘 高 湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作 超声波可用于非接触测量 具有不受光 电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的 优点 是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的 对被 测目标无损害 而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关 J 超声波的这些 独特优点越来越受到人们的重视 在新的世纪里 面貌一新的传感器将发挥更大的作用课程设计目的是单片机原 理与接口技术课程设计是在教学及实验基础上 对课程所学理论知识的深化和提高 通过单片机原理与接口技术的课程设计 使学生初步掌握设计的基本方法 培养学 生分析问题和解决问题的能力 培养学生应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的 能力 1 2 国内外研究现状 目前国内的超声波测距仪技术落后产品功能低端 专用集成电路都是只有厘米 级的测量精度 通过分析超声波测距误差产生的原因 提高测量时间差到微秒级 以及用 LM92 温度传感器进行声波传播速度的补偿后 我们设计的高精度测距仪超 声波测距仪能达到毫米级的测量精度 国外超声波测距仪技术领先 产品齐全 性能比较稳定 市场需求量大 测量 精度高 测量误差小 1 3 论文研究思路及创新点 1 3 1 主要思路 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力里的生物作为防御及捕捉猎 物生存的手段 也就是由生物体发射不被人们听到的超声波 20KHz以上的机械波 借助媒质传播由被捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波 的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法 由于超声波的速度相对于光速要小的多 其传播时间就比较容易检测 并且易于定向发射 方向性好 强度好控制 因而人 类采用仿真技能利用超声波测距 超声波测距是一种利用声波特性 电子计数 光 电开关相结合来实现非接触式距离的测量方法 它在很多距离探测应用中有很重要 的用途 包括非损害测量 过程检测 机器人检测和定位 以及流体液面高度测量 等 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 超声波和接收超声波 完成这种功能的装置就超声波传感器 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 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 超声波测距的工作方式利用超声波测距的工作 就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔 从而达到测量距离的作用 其主 要有三种测距方法 1 相位检测法 相位检测法虽然精度高 但检测范围有限 2 声波幅值检测法 声波幅值检测法易受反射波的影响 3 渡越时间检测法 渡越时间检测法的工作方式简单 直观 在硬件控制和软 件设计上都非常容易实现 其原理为 发射传感器发射超声波 经气体介质传播到接 收传感器的时间 这个时间就是渡越时间 本设计的超声波测距就是使用了渡越时间 TOF time of flight 检测法 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于障碍物之间的距离 测量距离的方法有很多种 短距离的可以用尺 远距离的有激光测距等 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334 5 米 秒 由于超声波速度受温度影响比较大 必须采用DS1820测量环境温度 再对超 声波速度进行修正 进而计算出测量距离 由单片机AT89C51负责计时 单片机使 用12 0MHz晶振 所以此系统的测量精度在理论上可以达到毫米级 由于超声波指向性强 能量消耗缓慢 在介质中传播距离远 因此超声波可以 用于距离的测量 利用超声波检测距离 设计比较方便 计算处理也比较简单 并 且在测量精度方面也能达到要求 超声波发生器可以分为两大类 一类是电气方式产生超声波 一类使用机械方 式产生超声波 本文属于近距离测量 可以采用常用的压电式超声波换能器来实现 1 3 2 主要创新点 本设计采用以 AT89C51 单片机为核心的低成本 高精度 微型化数字显示超声 波测距仪的硬件电路和软件设计方法 整个电路采用模块化设计 由主程序 预置 子程序 发射子程序 接收子程序 显示子程序等模块组成 各探头的信号经单片 机综合分析处理 实现超声波测距仪的各种功能 在此基础上设计了系统的总体方 案 最后通过硬件和软件实现了各个功能模块 相关部分附有硬件电路图 程序流 程图 1 4 本章小结 本章主要介绍了超声波测距仪的国内外研究现状 研究该课题的意义及作用 第 2 章主要介绍了该课题的研究方法和课题的任务 第 3 章主要介绍了该课题的设计方案硬件的设计和硬件电路图 第 4 章主要介绍了软件的设计和软件程序 第 5 章主要介绍了误差分析和计算 第 2 章 课题的方案设计与任务 2 1 超声波测距仪的原理 单片机 AT89C51 发出短暂的 40KHz 信号 经放大后通过超声波换能器输出 反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入 锁相环对此信号锁定 产生锁定 信号启动单片机中断程序 得出时间 t 再由系统软件对其进行计算 判别后 相应 的计算结果被送至 LED 显示电路进行显示 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 发射器发出的超声波以速度 在空气 中传播 在到达被测物体时被反射返回 由接收器接收 其往返时间为 t 由 s vt 2 即可算出被测物体的距离 由于超声波也是一种声波 其声速 v 与温度有关 在使 用时 如果温度变化不大 则可认为声速是基本不变的 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 其系统框图如图 2 1 所示 超声波接收器 超声波发射器 放大电路 放大电路 锁相环检波电 路 计时器单片机控制显示器 图 2 1 超声波测距系统框图 2 2 课题设计的任务和要求 采用 40KHz 的超声波发射和接收传感器测量距离 可采用发射和接收之间的距 离 也可将发射和接收平行放在一起 通过反射测量距离 设计任务 1 了解超声波测距仪的原理 2 根据超声波测距原理 设计超声波测距仪的硬件结构电路 设计要求 1 掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法 2 独立设计原理图及相应的硬件电路 3 设计说明书格式规范 层次合理 重点突出 并附上详细的原理图 4 LED 数码管显示测量距离 精确到小数点后一位 单位 cm 5 测量方式可通过硬件开关预置 测量范围 20cm 1000cm 误差 5cm 2 3 本章小结 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受 根据超声波传播的时间来计算 出传播距离 实用的测距方法有两种 一种是在被测距离的两端 一端发射 另一 端接收的直接波方式 适用于身高计 一种是发射波被物体反射回来后接收的反射 波方式 适用于测距仪 此次设计采用反射波方式 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择 超声波传感器是一种采用压电 效应的传感器 常用的材料是压电陶瓷 由于超声波在空气中传播时会有相当的衰 减 衰减的程度与频率的高低成正比 而频率高分辨率也高 故短距离测量时应选 择频率高的传感器 而长距离的测量时应用低频率的传感器 第 3 章 系统的硬件结构设计 3 1 系统的硬件设计 本次设计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 单片机部分采用 AT89C51 作为主控制器 显示电路采用的是动态驱 动形式的 LED 数码显示器 超声波的发射电路用的是由压电式超声波转换器 发送 器传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成 换能器作用是 将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射 超声波检波接收电路采用的 是由陶瓷振子换能器与放大电路组成 换能器接收波产生机械振动 将其变换成电 能量 作为传感器接收器的输出 从而对发送的超进行检测 3 2 单片机的功能特点 3 2 1 AT89C51 单片机 单片机 AT89C51 采用 40 引脚双列直插封装 DIP 形式 内部由一个 8 位的 80C51 微处理器 4KB 的程序存储器 Flash ROM 256 字节的 RAM 2 个 16 字节 的定时 计数器 TO 和 T1 4 个 8 位的 I O 端口 P0 P1 P2 P3 一个全双工 UART 串行通信口等组成 特别是该系列单片机片内的 Flash 可编程 可擦除只读 存储器 E PROM 使其在实际中有着十分广泛的用途 在便携式 省电及特殊信 息保存的仪器和系统中更为有用 单片机 AT89C51 提供以下功能 4 KB 存储器 256 字节 RAM 32 条 I O 线 2 个 16 字节定时 计数器 5 个 2 级中断源 1 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 单片机 AT89C51 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 单片机封装图如下 图 3 1 AT89C51 单片机封装图 3 2 2 AT89C51 主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 100 写 擦循环 数据保留 10 年 全静态工作 0 24KHz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 位可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗 的限制和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 3 2 3 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据储存器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FLASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FLASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接受 输出 4TTL 门电路流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口 被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程 和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲区可接收 输 出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘 故 P2 口当由于外部程序储存器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时了 P2 口 输出地值的高八位 再给出地址 1 时 它利用内部上拉的优势 当对外部八位地址 数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程 和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下所示 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输入口 P3 2 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 计时器 0 外部输入 P3 5 T1 计时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程娇艳接受一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入变成脉冲 在平时 ALE 端以不 变的频率周期正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可以用作对外部输出 的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一 个 ALE 脉冲 如果禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在 执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处 理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序储存器的选通信号 在有外部程序存储器取值间 每个机器 周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不 出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引 脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向震荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 3 3 超声波发射和接收电路 超声波传感器的主要性能指标包括 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 系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间 的计时 本超声波测距系统以 AT89C51 为中央处理器 系统上电工作后 由脉冲发 生器发出脉冲信号 该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超声波 脉冲 另一方面触发 AT89C51 内部定时器 T1 开始定时 同时等待接受信号 关闭 定时器 3 3 1 超声波发生器与超声波发射角 超声波发送脉冲信号由单片机产生 将脉冲信号放大用以驱动超声波换能器发 送超声波 并由单片机控制脉冲群的脉冲个数及脉冲群之间的时间间隔 其发送间 隔取决于要求测量的最大距离 若在有效测距范围内有被测物 则在后一路探测波 束发出之前应当接收到前一路发出的反射波 否则认为前一路没有探测到物体 按 有效测距范围及最大测量距离可以算出最短的脉冲群间隔发送时间 例如 最大测 距距离为5 m 时 脉冲间隔时间t 2 D C 2 5 340 30 m s 实际应取t 30 m s 超声波的发射是利用逆压电效应 在压电晶片上施加交变电压 使其产生电致 伸缩振动而发射超声波 根据共振原理 当外加交变电压的频率等于晶片的固有频 率时就产生共振 此时发射的超声波最强 图 3 2 超声波发生器内部结构 压电超声波转换器的功能 利用压电晶体谐振工作 超声波发生器内部结构如 图 3 2 所示 它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率时 压电晶片将会发生共振 并带动共振板振动产生 超声波 这时它就是一超声波发生器 如没加电压 当共振板接受到超声波时 将 压迫压电振荡器作振动 将机械能转换为电信号 这时它就成为超声波接受转换器 超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同 超声波发散角选用型号 401 型时超声波的发散角为 45 度 选用各种不同型号探 头时 发散角有所变化 超声波传感器即可以作为发射器又可以作为接收器 传感 器用一段时间发射一束超声波束 只有待发射结束后才能启动接收 设发送波束的 时间为 D 则在 D 时间内从物体反射回的信号就无法捕捉 另外 超声波传感器有 一定的惯性 发送结束后还留有一定的余振 这种余振经换能器同样产生电压信号 扰乱了系统捕捉返回信号的工作 因此 在余振未消失前 还不能启动系统进行回 波接收 以上两个原因造成了超声波传感器具有一定的测量范围 此超声波最近可 测量 20 cm 超声波发射电路原理图如图 3 3 所示 发射电路主要由反相器 74LS04 和超声波 发射换能器 T 构成 单片机 P1 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 R1O R11 一方 面可以提高反向器 74LS04 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 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 2 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 图3 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 图 3 3 超声波发射电路原理图 容C4的大小 可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力 图3 4 超声波检测接收电路 3 3 3 用于通用音调译码器 LM567 为通用音调译码器 当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关 电路由 I 与 Q 检波器构成 由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率 用 外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟 LM567 为通用音调译码器 当输入信 号于通带内时提供饱和晶体管对地开关 电路由 I 与 Q 检波器构成 由电压控制振 荡器驱动振荡器确定译码器中心频率 用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延 迟 主要用于振荡 调制 解调 和遥控编 译码电路 如电力线载波通信 对讲 机亚音频译码 遥控等 用外接电阻 20 比 1 频率范围 逻辑兼容输出具有吸收 100mA 电流吸收能力 可调带宽从 0 至 14 宽信号输出与噪声的高抑制 对假信号抗干扰 高稳定的中心频率 中心频率调节从 0 01Hz 到 500kHz 电源电压 5V 15V 推荐使用 5V 3 4 显示电路及显示器接口 一个单片机应用系统中 显示是人机通道的重要组成部分 目前广泛使用的显 示器件主要有LED 二极管显示器 LCD 液晶显示器 和VFD 真空荧光管 而LED 显示器造价低廉 与单片机接口方便灵活 技术上易与实现 但只能形式阿拉伯数 字和少数字符 通常用于对形式要求不高的场合 本次设计采用LED LED 显示器有静态和动态两种形式方式 由于静态功耗大 占用 CPU 的 I O 口 线多 切成本高 所以我选用动态显示 所谓动态显示 实质上是多个 LED 显示器 按照一定的顺序轮流显示 它利用了人眼的 视觉暂留现象 只要多个 LED 显示器 的选通扫描速度足够快 人眼就观察不到数码管的闪烁现象 动态扫描方式的所有 LED 段选线并联在一起 只由一个 8 位的 I O 口控制 而各个 LED 的未选线则由另 外一组 I O 口控制 动态 LED 显示方式的优点是功效较低 占用 CPU 的 I O 口线少 外围接口简单 但程序编制较之静态显示方式略显复杂 3 5 超声波测距原理 超声测距从原理上可分为共振式 脉冲反射式两种 由于共振法的应用要求复 杂 在这里使用脉冲反射式 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超 声波 在发射时刻的同时开始计时 超声波在空气中传播 途中碰到障碍物就立即返回 来 超声波接收器收到反射波就立即停止计时 超声波在空气中的传播速度为 C 而 根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差 t 就可以计算出发射点距障碍物的 距离 S 即 S Ct 2 这就是所谓的时间差测距法 3 6 声波测距系统的硬件电路设计 超声波测距系统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AT89C51来实现对超声波转换模块的控制 单片机通过 P3 5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 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 设计的原理框图如图3 5 设计的原理图见附录B 定时器 控制 显示器 调制器 计时器 振荡器 接收检 超声波发生器 超声波接收器 障 碍 物 图 3 5 超声波测距原理框图 3 7 本章小结 本章是该课题的重点 全面介绍了超声波测距系统的原理和设计思路 给出了 硬件电路设计 在硬件电路设计中 分别详细介绍了发射电路 接收电路及显示模 块的设计方法 本章详细介绍了超声波传感器的原理和特性 以及 Atmel 公司的 AT89C51 单片机的性能和特点 并在分析了超声波测距仪的原理的基础上 指出了 设计测距仪系统的思路和所需考虑的问题 给出了以 AT89C51 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的硬件电路和软件设计方法 该系统电 路设计合理 工作稳定 检测速度快 计算简单 易于做到实时控制 并且在测量 精度方面能达到工业使用的要求 第 4 章 系统软件设计 软件设计的主要思路是将预置 发射 接收 显示 声音报警等功能编成独立 的模块 在主程序中采用键控循环的方式 当按下控制键后 在一定周期内 依次执行各 个模块 调用预置据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序 当测 得距离小于预置距子程序 发射子程序 查询接收子程序 定时子程序 并把测量的 结果进行分析处理 根离时 声报警程序被调用 AT89C51 单片机和其开发应用系统具有语言简单 可移植性好 表达能力强 表达方式灵活 可进行结构化设计 可直接控制计算机硬件 生成代码质量高 使 用方便等诸多优点 超声波测距软件设主计要由主程序 超声波发射子程序 超声波接受中断程序 及显示子程序组成 下面对超声波测距器的算法 主程序 超声波发射子程序和超 声波接受中断程序逐一介绍 超声波测距系统的软设计超声波测距系统的软设计 图 4 1 a 主程序流程图 b 定时中断服务子程序 c 外部服务中断子程序 返回 软件分为两部分 主程序和中断服务程序 如图 4 1 a b c 所示 主程序完 成初始化工作 各路超声波发射和接收顺序的控制 主程序首先对系统环境初始化 设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时计数器模 式 置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0 和 P2 清零 然后调用超声波发生子 程序送出一个超声波脉冲 为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射 波触发 需要延时 0 1MS 这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因 后 才打开外中断 0 接收返回的超声波信号 LED 超声波发送电路输入端接单片机 P3 7 端口 单片机执行程序时 在 P3 5 端口输出一个 40KHZ 的脉冲信号 通过超声波发射电路发射出去 同时启动单片机 内部定时器 T0 定时器开始计数 延时 2 0MS 后 当障碍物将超声波发射回来 超 声波接收电路就开始接受处理 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射 外部中断服务子程序主要 完成时间值的读取 距离计算 结果的输出等工作 4 1 超声波测距器的算法设计 下图示意了超声波测距的原理 即超声波发生器 T 在某一时刻发出的一个超声 波信号 当超声波遇到被测物体后反射回来 就被超声波接收器 R 所接受 这样只 要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间 就可算出超声波发生器与反射物体 的距离 距离计算公式 d s 2 c t 2d 为被测物与测距器的距离 s 为声波的来回 路程 c 为声速 t 为声波来回所用的时间声速 c 与温度有关 如温度变化不大 则 可认为声速是基本不变的 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 声速确定后 只要测得超声波往返时间 即可求得距离 在系统加入温度传 感器来监测环境温度 可进行温度被偿 这里可以用 DS1820 测量环境温度 根据 不同的环境温度确定一声速提高测距的稳定性 为了增强系统的可靠性 应在软硬 件上采用抗干扰措施 表 4 1 不同温度下的超声波声速表 测出发射和接收回波的时间差 t 然后求出距离 S 在速度 v 已知的情况下 距离 S 的计算公式如下 2Sv t 在空气中 常温下超声波的传播速度是 340 米 秒 但其传播速度 V 易受空气中温 温度 oC 30 20 100102030100 波速 m s313319325323338344349386 度 湿度 压强等因素的影响 其中受温度的影响较大 如温度每升高 1 oC 声速 增加约 0 6 米 秒 因此在测距精度要求很高的情况下 应通过温度补偿的方法对传 播速度加以校正 已知现场环境温度 T 时 超声波传播速度 V 的计算公式可近似如 下 331 50 607VT 在超声波的两个探头旁边需要放置温度传感器 测出环境温 T 由单片机控制 器进行修正 4 2 主程序 主程序首先对系统环境初始化 设置定时器 T0 工作模式为 16 位的定时计数器 模式 置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P1 和 P3 清 0 然后调用超声波发生子 程序送出一个超声波脉冲 为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波 触发 需延迟 0 1ms 这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因 后 才打开外中 断 0 接收返回的超声波信号 由于采用 12MHz 的晶振 机器周期为 1us 当主程序检 测到接收成功的标志位后 将计数器 T0 中的数 即超声波来回所用的时间 按下式计 算即可测得被测物体与测距仪之间的距离 设计时取 20 时的声速为 344m s 则有 d C T0 2 172T0 10000cm 其中 T0 为计数器 T0 的计数值 测出距离后结果将以十 进制 BCD 码方式 LED 然后再发超声波脉冲重复测量过程 对所要求测量范围 20cm 1000cm 内的平面物体做了多次测量发现 其最大误差为 5cm 且重复性好 可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单 工作可靠 测量误差小 等特点 4 3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过 P3 5 端口发送 2 个左右的超声波信号频率约 40KHz 的方波 脉冲宽度为 12us 左右 同时把计数器 T0 打开进行计时 超声波测 距器主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号 一旦接收到返回超声波信号 INT0 引脚出现低电平 立即进入中断程序 进入该中断后就立即关闭计时器 T0 停止计 时 并将测距成功标志字赋值 1 如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号 则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭 并将测距成功标志字赋值 2 以表示此次测 距不成功 4 4 BCD 码转换子程序 得到的距离值是二进制数 要显示输出 必须进行 BCD 码的转换 由于测距时 定时器 T0 的最长的定时时间为 58765US 则得到的距离最大值为 S VT 2 58765 340 2 986FA2 16 进制 3 个字节 UM 9990050UM 10 进制 9 99M 所以需要 4 个字节来存放十进制转换结果 其实现过程如图 4 2 所示 图 4 2 BCD 码转换子程序 4 5 软硬件调试及性能 超声波测距仪的制作和调试 其中超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器 TCT40 10F1 T 发射 和 TCT40 10S1 R 接收 中心频率为 40kHz 在安装时应当要 保持两换能器中心轴线平行并相距 4 8cm 其余元件无特殊要求 若能将超声波接 收电路用金属壳屏蔽起来 则可提高抗干扰能力 根据测量范围要求不同 可适当 调整与接收换能器并接的滤波电容 C4 的大小 以获得合适的接收灵敏度和抗干扰 能力 N 开始 结果单元清零 3 8 位计数器 距离单元左移一位 CY 结果单元 2 CY 结果单元 位计数器 1 0 返回 Y 硬件电路制作完成并调试好后 便可将程序编译好下载到单片机试运行 根据 实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间 以适应不同距离的测量需要 根据所设计的电路参数和程序 测距仪能测的范围为 0 2 10m 测距仪最大误差不超过 5cm 系统调试完后应对测量误差和重复一致性 进行多次实验分析 不断优化系统使其达到实际使用的测量要求 第 5 章 误差分析 5 1 超声波回波声强的影响 回波的声强与障碍物距离的远近有直接的影响 实际测量时 不一定是第一个 回波的过零点触发 这种误差不能从根本上消除 但可以通过根据障碍物的距离调 整脉冲群的脉冲个数以及动态调整比较电压来减小误差 另一方面将求距离公式 D CT 2 后加一个补偿系数 来补偿计时误差 D CT 2 a a 与距离 脉冲个数有关 5 2 超声波波束入射角的影响 如果系统是用来测量面与点的距离 则被测物 换能器及换能器所在测量面三 者之间存在一个几何角度 即反射波入射到换能器的角度 当这个角度不是 90C 时 系统测量到的距离是障碍物与换能器之间的距离而不是和测量参考平面之间的距离 这就会造成误差 障碍物的距离较小时 这个误差就会成为近距离时的主要误差来源 可以用多 个换能器测量 利用几何关系来计算的出实际距离 消除误差 5 2a 1 S 123 2 yyy 5 2b 1 1 2 3 2 sysysy 5 2c 2 xz 式中 是换能器 a b 到被测物之间的距离 y1y2 Z 换能器 a b 之间的距离 X 被测物到测量面的距离 5 3 超声波传播速度的影响 稳定准确的声波传播速度是保证测量精度的必要条件 传播介质的温度压力及 密度对声速都有影响 对于在大气中传播的声波而言 引起声波变化的主要原因是 温度的变化 采用声速预置和传播介质温度测量结合的方法对声速进行修正 可有效的降低 温度变化产生的误差 在对距离的精度要求不高的应用中可以不进行温度补偿 选 择室温 20C 左右时的声速 340 作为固定参数 当温度在 10 40C 变化时声速误差在 5 5 之间变化 如果在室外测量 对于季节温差大的地区 还可采用预置该地区 12 个月的统计温度 用意于温度进行补偿 即可提高精度 又不增加成本 影响测 量误差的因素很多 包括现场环境干扰 时基脉冲频率等 在实际应用中可以根据 系统测量精度要求 采用合理的补偿手段 超声波的传播速度受空气的密度所影响 空气的密度越高则超声波的传播速度 就越快 而空气的密度又与温度有着密切的关系 已知超声波速度与温度的关系如下 5 3a 2Dct m s 5 3b 0 1 273CCT 式中 D 传感器与被测物之间的距离 C 为在介质中的传播速率 T 绝对温度 273K T 近似公式为 C C0 0 607 T 式中 C0 为零度时的声波速度 332m s T 为实际温度 对于超声波测距精度要求达到 1mm 时 就必须把超声波传播的环境温度考虑进 去 例如当温度 0 时超声波速度是 332m s 30 时是 350m s 温度变化引起的超声 波速度变化为 18m s 若超声波在 30 的环境下以 0 的声速测量 100m 距离所引起 的测量误差将达到 5m 测量 1m 误差将达到 5mm 5 4 时间误差 当要求测距误差小于 1mm 时 假设已知超声波速度 C 344m s 20 室温 忽 略声速的传播误差 测距误差 s t 0 001 344 0 000002907s 即 2 907ms 在超声波 的传播速度是准确的前提下 测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级 就 能保证测距误差小于 1mm 的误差 使用的 12MHz 晶体作时钟基准的 89C51 单片机 定时器能方便的计数到 1 s 的精度 因此系统采用 89C51 定时器能保证时间误差在 1mm 的测量范围内 第 6 章 总结与展望 6 1 总结 虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间 但利用 AT89C51 单 片机可以简化设计 便于操作和直观读数 该设计经过实际测试证明 可以满足大 多数场合的测距要求 经实验证明 这套系统软硬件设计合理 抗干扰能力强 实 时性良好 经过系统扩展和升级 可以有效地解决汽车倒车 建筑施工工地以及一 些工业现场的位置监控但同时它也存在一定的问题 比如测量误差 时间误差 超 声波传播速度误差 但目前国内的超声波测距专用集成电路都是精确到厘米级的测 量精度 所以在此次设计中可以忽略 通过这次设计 使我对三年多来所学的知识 有了一个概括性的理解与融合 学以致用一直以来就是学习的主要目标 这次机会 对我来说就是学和用融合的机会 由于本人知识水平有限 再此次设计中难免出现 漏洞 希望您能给予批评和指正 冷静分析 不气馁 不急躁 持之以恒 设计过程中要注意设计模块化 便于设计 便于检测 检测要注意方法 合理的利用推测和验证结合的方式 确定错误之处 硬件调试要灵活运用示波器和信号发生器等一切可能用到的仪器 想要更好的理解知识 更好的运用实践的最好的方法即认真思考然后多次尝试 6 2 展望 展望未来 超声波传感器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 如声纳的发展趋势基本为 研制具有更高定位精度的被动测距声纳 以满足 水中武器实施全隐蔽攻击的需要 继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声 纳 实现超远程的被动探测和识别 研制更适合于浅海工作的潜艇声纳 特别是解 决浅海水中目标识别问题 大力降低潜艇自噪声 改善潜艇声纳的工作环境 无庸 置疑 未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨 与其他的传感器集成和融合 形成多传感器 随着传感器的技术进步 传感器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 参考文献 1 李荣正等 PIC 单片机原理及应用 第 2 版 M 北京航天航空大学出版社 2005 1 2 李学海 PIC 单片机实用教程 基础篇 第 1 版 M 北京航天航空大学出版社 2002 2 3 Reignier P Fuzzy tehnique for mobile robot obstancleAvoidance M Robotics and Autonomous Systems 1994 4 陈大新 胡学同 周杏鹏 利用 FPGA 改进超声波测距模块设计 J 传感器技术 2005 24 2 57 59 5 罗庆生 韩宝玲 一种基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统 J 计算机测量与控制 2005 13 4 304 305 6 朱伟芳 一种便携式长度测量系统的硬件设计 J 江苏电器 2005 5 14 15 7 阮成功 蓝兆辉 陈硕 基于单片机的超声波测距系统 J 应用科技 2004 31 7 22 24 8 曾德怀 谢存禧 张铁 黄瑞华 行走机器人的超声波测距系统的研究 J 机械科学与技术 2004 23 5 613 616 9 张鹏 张有志 一种新型超生测距系统 J 山东 山东大学学报 2003 33 1 10 李丽霞 单片机在超声波测距中的应用 J 电子技术 2002 6 7 9 11 姜道连 宁延一 袁世良 用 AT89C51 设计超声波测距仪 J 国外电子元器件 2000 12 12 杨自栋 简易超声波测距仪软硬件设计 J 农业装备与车辆工程 2005 4 13 Johann Borenstein Yoram Koren Histogramic in motion mapping for mobile robot obstacle avoidance J IEEE Transactions on Robotics and Automation 2001 致 谢 经过几个月的忙碌和工作 该毕业设计已经接近尾声 在这段日子里我学到了 很多知识 这是我大学生活的最后一站 也是我大学四年学习的一个总结 由 于我经验匮乏 而且毕业设计需要很多方面的知识 我的知识储备量有时也会出现 亏空 但我没有向困难低头 通过不断的自学查阅资料及请教老师来弥补空缺 通 过这次的设计 使我受益非浅 为我走向社会打下了基础 同时也进一步培养了我 的自学能力 给我一次很好的锻炼自我的机会 在这段时间里 老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩 他的指 导使我受益非浅 在此对王舵老师表示深深的感谢 在论文的撰写过程中 他还给 我提供了许多宝贵的思路和建议 结合他自己的工作体会和经验 提出了很多宝贵 的观点 为设计和论文的完成给予了极大的帮助 通过这次毕业设计 使我深刻地认识到学好专业知识的重要性 也理解了理论 联系实际的含义 并且检验了大学四年的学习成果 虽然在这次设计中对于知识的 运用和衔接还不够熟练 但是我将在以后的工作和学习中继续努力 不断完善 这 三个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程 为今后的发展打下了良 好的基础 由于自身水平有限 设计中一定存在很多不足之处 敬请各位老师批评 指正 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈 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