电子设计大赛—超声波定位系统

1、超声波定位系统设计报告择要 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因和许多不可预见因素，城市排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。 本设计采用以AT89C51单片机为核心

2、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。 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。 Abstract With the development of science and technology, the

3、 improvement of peoples standard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However, due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage sy

4、stem. In particular drainage system often lags behind urban construction. Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage t

5、reatment system. Comfort is very important to peoples lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the dev

6、elopment of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. At the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circui

7、t from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. Display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each modul

8、e. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the p

9、osition of the workplace and some industries spot supervision.目 录择要 . Abstract 绪论 . 1.1超声波定位系统概述 1.2本系统的特点与研究意义1.3本设计研究与实现方法1第一章：超声波定位系统原理 . 21.1超声波的特性1.1.1超声波的物理性质1.1.2超声波的传播速度1.2超声波传感器1.2.1超声波传感器原理1.2.2超声波传感器的检测模式1.2.3超声波传感器系统构成1.3 超声波定位系统1.3.1超声波定位系统的原理1.3.2超声波定位系统的组成第二章：超声波定位系统主要硬件的设计2.1总体方案设计2.

10、2单片机主机系统电路2.2.1 STC89C522.2.2 单片机电路2.2.3复位电路2.2.4时钟电路2.3超声波测距系统电路设计2.3.1超声波发射电路2.3.2超声波接收电路第三章：超声波定位系统软件的设计3.1系统程序的结构3.2系统主程序3.3 40KHz超声波发送程序3.4超声波的接收和处理3.5距离计算及数据转换程序第四章：电路调试、误差分析及改进4.1电路的调试4.2误差分析4.2.1传感器引起的误差4.2.2声速引起的误差4.2.3单片机时间分辨率的影响4.2.4结果分析4.3改进结束语参考文献附录附录 绪 论.1超声波定位系统概述当前超声波测距技术应用已经比较成熟，但是对

11、超声波定位系统的研究探讨才在刚起步的阶段。超声波定位的原理和无线电定位原理有比较相似，区别是超声波其在空气传播过程中的衰减很大，其仅能在较小的空间范围适用。在实际中，超声波测距系统在短距离测量中得到了应用，其精度在厘米级，如在没有人的车间的场所运动物体定位的选择等使用超声波定位系统比较好。本论文探讨超声波定位系统是在超声波测距的基础上，STC89C52RC单片机控制,超声波传感器是核心对象。单片机控制的超声波检测方法与其他方法相比，它具有检测速度快，计算方便，便于实时控制等优点，其测量精度往往较高。.2本系统的特点与研究意义GPS定位技术已经在导航、测图等方面得到了广泛的应用;而小型的基于超声

12、波的定位技术则由于其装置硬件容易实现，价格比较低而且比较简单，经济兼实用，并且工作稳定，在小范围定位方面得到越来越广泛的应用。尤其在室内和一些恶劣的条件下,GPS定位系统无法使用,超声波定位技术就显得更为必要。超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好，在市场上很具有推广性。.3本设计研究与实现方法超声波定位系

13、统主要基于研究超声波的测距方法，然后根据距离和提供算法来计算出待测物体的距离和角度。本设计是超声波反射式测距法：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，计时器记录的时间为t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=v2t。测得两个超声波模块及物体分别与两个超声波模块的三个距离，可根据余弦公式求得物体与基点所成角度的值。第一章 超声波定位系统原理1.1超声波的特性1.1.1超声波的物理性质超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚

14、高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。由于其频率高，因而具有许多特点：首先是功率大，其能量比一般声波大得多。再者由于它频率高，波长短，衍射不严重，具有良好的定向性。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。声波在各类介质中传播时，伴随传播间隔的增长，声波的强度会逐步减弱，这是因为介质吸取掉它的能量。同样的材料，超声波频率越高，被吸收越强，衰减越快。同样频率的声波，在空气中衰减较快，而在液体及固体

15、中传播，衰减较小，传播较远。在空气中传播，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。1.1.2超声波的传播速度因为超声波是一种声波, 它的传播速度v和温度相关联,表2-1列举了几种在空气中不相同的温度下的声速。在使用过程中，如果没有温度的变化，认为声音的速度保持稳定。在室温下，空气中超声波速度大约是每秒334米，速度V是很容易改变的，音速会依空气状态(如湿度、温度、密度)不同而有不同数值。如摄氏零度海平面音速约为331.5m/s(1193km/h)；一万米高空音速约为295m/s(1062km/h)；另外每升高1摄氏度,音速就增加0.607m/s.如果测距精度高，应该通过

16、温度补偿的方法加以纠正。假如场所当时的温度为T 时, 则可以知道超声波速度V 的计算公式为：V=331(1+T/273)(m/S) （2-1）（注：T：是摄氏温度；V：在T时的音速）温度（）声速（m/s）-30313-20319-103250323103382034430386表2-1 超声波波速与温度的关系确定了超声波的速度之后,只需要获得超声波的来回时间,则能求出间隔距离。超声波测距的原理就是这样的。图2-1就是超声波测距原理图：图2-1 超声波测距的原理单片机触发40kHZ和频率信号，被放大之后通过超声波换能器输出，接收后的信号，进入超声波换能器后作为系统输入，该信号被锁定，锁定信号的产

17、生驱动单片机的中断程序，读时间数为t，然后使用软件进行判断和计算，从而得到计算的结果被传输到LCD1602中显示。有四类因素限制的超声波系统的最大测量距离：超声波的振幅幅度、反射物质量、反射与入射波之间的夹角和换能器的接受灵敏度。由接收换能器对声波脉冲的接收能力决定最小可探测距离。1.2超声波传感器1.2.1超声波传感器原理超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。本设计使用压电式（外观结构与内部结构分别如图2-2和图2-3所示），压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分

18、成发送器或接收器，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。 图2-2超声波传感器外观结构 图2-3超声波发生器内部结构1.2.2超声波传感器的检测模式超声波传感器采用直接反射式的检测模式。发送器和接收器位于同一侧，以检测对象（平面物体）作为反射面，位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，根据反射波的衰减情况进行检测，从而使传感器检测到被测物。1.2.3超声波传感器系统构成超声波传感器主要由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源部分组成。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

19、转换成超能量并向空中辐射。接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。控制部分主要通过用集成电路控制发送器的超声波发送，判断接收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小，作为超声波传感器的控制输出。电源部分，超声波传感器通常采用电压为DC12V10%或24V10%外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。1.3 超声波定位系统1.3.1超声波定位系统的原理已经获得广泛应用的无线电定位系统的基本原理是通过接收几个固定位置的发射点的无线电波,从而得到主体到这几个发射点的距离,经计算后

20、即可得到主体的位置。超声波定位的原理与此相仿,只不过由于超声波在空气中的衰减较大,它只适用于较小的范围。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。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。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。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。在下面二维平

21、面图2-4示中，选取一个直角坐标系，(-M,0),(M,0)的两个位置设置两个固定的超声波测距模块。图2-4平面三角形定位示意图其中主体坐标(L1,)到设定的两个接收点的距离长度分别为L1、L2，根据距离计算坐标(L1,)的方法原理如下:=cos-1 L22+(2M)2-L124ML2由图2-4关系可得式(2-2) (2-2)由此可实现超声波平面定位，就是可以求出主体的坐标（L1,）。1.3.2超声波定位系统的组成启动发射电路和启动计时，在一定的时间内，通过微处理器首先选择需要启动的触发发射地址，接着启动发射电路和启动，接收到信号就可以计算主体目标距离发射点的间隔距离。然后再开始启动下一个发射

22、电路和启动计时，等待接收发射点的信号，接受到足够的发射点的信号后,就可以根据各个距离计算出主体基于基点的距离和角度的坐标。超声波发送电路超声波接收电路单片机控制器LCD显示扫描驱动图2-5超声波定位系统的组成第二章：超声波定位系统主要硬件的设计2.1总体方案设计由单片机STC89C52RC编程产生40kHz的方波，由P3.6口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制LCD1

23、602液晶显示出来。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LCD1602显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。2.2单片机主机系统电路2.2.1 STC89C52本次我们采用了STC公司的STC89C52RC,该单片机的主要特性：1.采用12时钟/机器周期，运行速度快；2.用户应用程序空间为8K字节；集成512字节RAM；3.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，无需把单片机从电路板取下来就可以擦写程序，可通过串口，直接下载用户程序，数秒即可完成； 图3-1 STC

24、89C52RC外部结构4.具有EEPROM功能，内带4K字节EEPROM存储空间，在系统开发可以反复擦写；5.共3个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；6.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。2.2.2单片机电路引脚功能：P0口用来送命令到LCD控制LCD的显示方式；P1为DS18B20温度数据采集端。图3-2单片机电路2.2.3复位电路在系统上电的瞬间，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。上电复位和按钮组合的复位电路如下图3-3所示：图3-3复位电路2.2.4时钟电

25、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22pF左右。我们选择晶振为11.0592MHz,电容22pF。图3-4时钟电路2.3超声波测距系统电路设计2.3.1超声波发射电路本电路采用单片机发送频率为40KHz，占空比为50%的十个方波，通过74LS04(包含六个独立的反相器)与R1，R2的推挽作用增强其驱动能力。后一级通过MAX232实现TTL电平与RS232电平的转换，增强输出电流，提高作用在探头上的电压，从而驱动超声波探头。超声波发送电路超声波输出信号2.3.2超声波接收电路集成电路CX20106

26、A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。由于红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率相近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图4所示.实验证明用CX20106A接收超声波，当接收到回波信号时，芯片7脚会发出一个低电平触发单片机中断，单片机计数停止(无信号时第七脚输出高电平)。CX20106A具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，适当更改2脚电容C1的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。调节RV大约为200k(应采用精密电阻或电位器)使其中心频率工作在40kHz。元件参数的选择很重要接收频率要和发送频率一致，若选择不当，则无法接收超声波。第三章：超声波定位系统软件的设计3.1系统程序的结构（1）距离计算模块，分为超声波发送控制程序、接收处理程序等；（2）基于LCD1602的显示模块，分为初始化程序、写入程序以及显示程序；（3）使用C语言编写程序，C语言相比汇编有许多的优势，编译器使用Keil进行程序编译，Kei