汽车倒车超声波测距仪设计

1、郑州大学毕业设计（论文）题目： 汽车倒车超声波测距仪设计 指导教师： 陈享成 职称： 副教授 学生姓名： 王永敖 学号：010312200130 专 业： 电子工程 院（系）： 物理工程学院 完成时间： 2013年5月 2013 年 5 月 19 日摘 要本论文的内容是基于超声波测距的倒车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89S51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89S51单片机得倒车防撞系统。本系统采用软硬结合的方法，具有模块化和多用化的特点。论文概述了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介

2、绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。关键词 ：超声波、AT89S51单片机、模块化、多用化AbstractThe paper is based on the ultrasonic distance reversing collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages,

3、 ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89S51 monolithic integrated circuit, AT89S51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of modular and multi-use ch

4、aracteristics.The paper outlines the development and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basic, the overall composition of

5、the system. Through multiple launch reception circuit design comparison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software

6、 architecture, through programming to achieve system function.Keywords: ultrasound、AT89S51、modular、multi-purpose目 录绪 论4第1章 总体方案51.1 本设计的研究方法51.2系统整体方案的设计51.3 系统整体方案的论证61.4 超声测距原理6 1.4.1 超声波测距概述61.4.2 超声波传感器介绍6第2章 系统硬件设计 10 2.1超声波测距的系统及其组成112.1.1 超声波测距单片机系统112.1.2 超声波发射、接受电路122.1.3 显示电路132.1.4 供电电路14

7、2.1.5 报警输出电路14第3章 系统软件设计163.1 主程序设计163.2 超声波测距子程序及其流程图163.3 超声波测距流程图20第4章 系统调试与误差分析214.1 调试现象214.2 误差分析214.3 性能分析214.4 误差总分析21结 论24参考资料25致 谢26附录一 程序2739绪 论随着汽车的普及，越来越多的家庭拥有了汽车。交通拥挤状况也随之出现，撞车事件也是经常发生，人们在享受汽车带来的乐趣和方便的同时，更加注重的是汽车的安全性，许多“追尾”事故都与车距有着密切的关系。为了解决这个安全问题，设计一种汽车测距防撞报警系统势在必行。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介

8、质中传播的距离较远，因而超声经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单。所以超声波测距法是一种非常简单常见的方法，应用在汽车停车的前后左右防撞的近距离测量，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用LED显示出来，当到达一定距离时，系统能发出报警声，进而提醒驾驶人员，起到安全的左右。通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。该设计可广泛应用在生

9、活、军事、工业等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在LED数码管上。第1章 总体方案1.1 本设计的研究方法本设计选用TCT40-16T/R超声波传感器。了解超声波测距的原理的，只有对理论知识有一定的学习才能运用到实际操作中。根据原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送和接收，从而实现利用超声波测距的方法测量物体之间的距离。具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，

10、LED显示电路。1.2系统整体方案的设计由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，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。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。 超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89S51单片机作为控制器，用动态扫描法

11、实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。下图1-1为系统整体设计电路图简图：图1-1 系统整体原理图1.3 系统整体方案的论证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

12、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。1.4 超声测距原理1.4.1 超声波概述超声波是一种频率超过20 的机械波。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。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声检测往往比较迅速，方便，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，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证

13、产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。1.4.2 超声波传感器介绍超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。流体动力型包括有气体和液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测

14、和诊断中习惯上都把超声波传感器称为探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。压电传感器属于超声波传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英、铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传

15、感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加上有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气

16、等媒介，便会产生超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的逆向压电效应来工作的。超声波发生器内部结构如图1-2所示，它有两个压电晶片和一个锥形振子，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，并带动锥形振子振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当锥形振子接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。图1-2 压电式超声波传感器结构图压电陶瓷晶片有一个固

17、定的谐振频率，即中心频率f0。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。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制作成各种频率的超声波传感器。一般常用的超声波传感器有两种：专用型和兼用型。专用型是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器是一体的传感器，既可以发送超声波，又可以接收超声波。本设计选用的超声波传感器是专用型，其型号为TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示传感器工作的中心频率为40KHz,16表示传感器的外径为16mm，T和R分

18、别表示发射器和接收器。第2章系统硬件设计按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。图2-1：系统设计框图硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。单片机采用AT89S51，系统晶振采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

19、单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。下图2-2 为系统硬件设计原理图：图2-2系统硬件设计原理图2.1超声波测距的系统及其组成本系统由单片机AT89S51控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图2-1 所示。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89S51。

20、采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.5输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.5由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速

21、相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。2.1.1 超声波测距单片机系统超声波测距单片机系统主要由：AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。由K1，K2组成测距系统的按键电路。用于设定超声波测距报警值。如图2-3。图2-3： 超声波测距单片机系统 2.1.2 超声波发射、接受电路超声波发射如图2-4，接收电路如图2-5。超声波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由BG2、BG3组成的两组三级管放

22、大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D5、D6及BG4组成。40kHz的方波由AT89S51单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。图2-4：超声波测距发送单元该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51的P2.7发出。方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5&#

23、181;s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1µs，所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。图2-5：超声波测距接收单元由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图2-5所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个

24、大脉冲波。这里使用的是I N 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。2.1.3 显示电路本系统采用三位一体L E D 数码管显示所测距离值，如图2-6。数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。图2-6：数码管显示单元 2.1.4 供电电路本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为30-45mA，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏，同时为调试系统方便，供

25、电方式考虑了第二种方式，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。6伏交流是经过整流二极管D1-D4整流成脉动直流后，经滤波电容C1滤波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由5伏的三端称压集成电路进行稳压后输出5伏的真流电供整个系统用电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。如图2-7所示:图2-7：供电单元电路图 2.1.5 报警输出电路为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。方式一：报警信号由单片机P3.1端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻R6、三极管BG9、继电器JDQ组成，当测量值低于事先设定的

26、报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。方式二：报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴.”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图2-8所示: 图2-8：报警输出电路 第3章系统软件设计3.1 主程序设计超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言编程。 主程序首先是

27、对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。置位总中断允许位EA。进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位ec=1时，测量一次，程序设计中，超声波测距频度是4-5次/秒。测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生4个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5 -2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.5脚的电平判断程序。当

28、检测到P3.5脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。由于采用单片机采用的是12 MHz的晶振，计时器每计一个数就是1s，当超声波测距子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）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。设计时取15时的波速为340 m/s则有：  d=(c×t)/2=172×T0/100 (cm) （2）其中，T0为计数器T0的计算值。 测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。3.2 超声波测距子程序及其流程图void wdzh(

29、)TR0=0;TH1=0x00;TL1=0x00;csbint=1;sx=0;delay(1700);csbfs();csbout=1;TR1=1;i=yzsj;while(i-)i=0;while(csbint) /判断接收回路是否收到超声波的回波i+;if(i>=3300)csbint=0;TR1=0;s=TH1;s=s*256+TL1;TR0=1;csbint=1;jsz=s*csbc; /计算测量结果jsz=jsz/2; 产生超声波的子程序：为了方便程序移置及准确产生超声波信号，本测距的超声波产生程序是用汇编语言编写的进退声波产生程序。产生的超声波个数为UCSBFS SEGMEN

30、T CODERSEG UCSBFSPUBLIC CSBFSCSBFS:mov R6,#8h ;超声波发射的完整波形个数：共计四个 here:cpl p2.7 ;输出40kHz方波 nop nop nop nop nop nop nop nop nop djnz R6,here RETEND流程图：3.3 超声波测距流程图第4章系统调试与误差分析4.1调试步骤将写好程序的AT89S51机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。如果一直显示“- - -”，则需将下限值增大。本测距板1s测量4-5次，超声波发送功率较大时，测量距

31、离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s，该值为15时的超声波值。4.2 误差分析虽然在最前端有0.8cm的空白距离，但是雷达在50cm（50.8cm）时显示的是51cm，在45cm（45.8cm）不到处却显示45cm。因此本雷达存在误差。4.3 性能分析从测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到500cm到700cm左右，而我所能实现的最大距离只有664cm左右，测量结果受环境温度影响。分析原因如下：1. 超声波发射部份由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，以提高超声波的发射功率，从面

32、提高测量距离。这种方式，加大的超声波了送头的余振时间，造成超声波测距盲区值较大（本系统盲区值为40cm）。2.本测距板没有设计温度补偿对测量结果进行修正。但在硬件的PCB上预留的位置。4.4误差总分析超声波测距由于其再使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之其结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。在原理上将，超声波测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声波传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在已知超声波声速的前提下，可计算被测物的距离H，即

33、：H=vt/2。由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。（1）温度对超声波波速的影响空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。其中温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响，当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。（2）超声波回波声强影响超声波回波声强与被测物得距离有由直接的关系，实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发。这种

34、误差不能从根本上消除，但是可以通过根据测量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这种误差。（3）电路本身影响电路硬件和软件本身存在一定的缺陷，因此会造成测量误差，主要表现为：启动发射和启动计时之间的偏差。这是源于单片机一次只能处理一件事，所以启动发射和启动计时实际上不能同时完成，是先后完成的，存在时差。但只要指令速度足够快，其偏差可以忽略。收到回波到被检测出的滞后。这是源于检测电路的灵敏度和判断偏差，从收到实际回波到电路确认并输出相应信号肯定存在滞后，这和回波信号强弱、检测电路原理以及判断电路的敏感性相关，也是超声波测距的核心。收到中断到中断响应停止计时之间的滞后。这是源于单片机的

35、中断机制。收到中断信号后，单片机不可能立刻响应，至少要完成当前的指令，有时还要等待其它中断服务结束，所以这个滞后时间也不确定，从而导致测量结果的变化。但这个因素可以通过提高单片机速度，使用高优先级中断。计时器本身的误差。这是源于计时器本身。由于目前多数使用晶体振荡器，其稳定度和准确度为20-50 PPM 级别，对于音速而言，其带来的误差在mm级。为减小此项误差，应该提高计时的最小单位，即是选择频率高的晶振，从而降低量化误差。同时选用质量好的晶振。（4）超声波波速入射角影响超声波波束入射角也会对测量数据产生影响，由于系统是用来测量点和面的距离，则被测物表面，超声波发射探头和接收探头三者之间存在一

36、个几何角度，即发射波入射到接收探头的角度，如果这个角度不是0度，系统测量到的距离是被测物与接收探头之间的距离而不是和测量参考面之间的距离，这就会造成测量误差。（5）超声波传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响制作超声波传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声波测距常用压电材料制作的传感器。超声波传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E的关系为： S=dE 其中d为应变电场常数。超声波传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为了提高压电转换效

37、率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。结 论本文主要讲述了倒车雷达，即超声波测距仪的原理和设计方法，设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，并以数字的形式显示测量距离，在距离小于50cm时发出报警。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89S51，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机控制超声波发射与接收模块进行信号

38、的发射与接收。显示电路采用LED数码管进行数字显示。超声波测距仪还可以做如下改进：系统的动态性能不高，被测物体表面移动速度很小时，可以实现跟踪测量；移动速度过大，波动较大时，误差变大。可以研究更为合理的波导管和辅助测量手段。提高超声波发射探头的固有频率。如果超声波的固有频率为40kHz，并假设接收信号触发阀值建立时间滞后两个周期，如果将超声波的固有频率提高至200kHz,则测试误差将缩小5倍。增加抗干扰措施。由于超声波测距仪测量的距离比较小，故采用TCT40-16T/R超声波传感器作为发射和接收装置，虽然也存在一定得自身干扰，但是比发射与接收采用一只压电陶瓷超声波传感器自身干扰要小些。另外加上

39、环境温度、气流等的影响，使超声波测距系统受到干扰尤为严重。系统抗干扰措施必须从硬件和软件两个方面着手。为了抑制外部干扰，接收装置可以采用过零检测装置，保证接收到的超声波为物体反射回来的超声波，从而有效地抑制超声波发射电路的辐射干扰。但要注意接收电路中的谐振回路带宽不能太窄，以免降低了电路的稳定性。电路元件要选用低噪声器件，采取合理的电路布局，良好的印刷板走线，并注意进行屏蔽。 软件方面采用数字信号处理技术，利用算法平均值滤波和相关滤波以抑制带宽的随机噪声，以及在测量时间内近似呈现周期性的干扰并进行补偿。通过这些处理，可以有效的减少干扰。参考资料1 盛春明.超声波测距仪J.制作天地，2010,(

40、5):31-422 楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导M.北京：北京航空航天大学出版社，20073 杨国田 白 焰 董 玲 51单片机实用C语言程序设计M 中国电力出版社 20094 王爱珍.基于单片机的超声波测距系统的设计与实现N.忻州师范学院校报，2010.045 张琛，耿标.超声波测距的原理及设计J.科技传播，2010,(13):217-2226 赵广涛，程萌杭.基于超声波传感器的测距系统设计J.微计算机信息，2006,(1):129-1317 郭丽颖.基于单片机的超声波测距电路的设计J.自动化系统与用,2010,(6):100-1028 杨亿希，肖博，苏宇.超声波测距装置的研制简介N.

41、凯里学院学报,2010.069 张波，王朋亮.基于STC89C51单片机超声波测距系统的设计J.机床与液压,2010,(18):56-5810 王红云，姚志敏，王竹林，史连艳.超声波测距系统设计J.仪表技术.2010,（11）:47-4911 李瀚荪.电路分析基础M.北京：高等教育出版社，200612 杨志忠.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，200413 华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，200614 郑郁正.单片机原理及应用M.成都：四川大学出版社，200815 谭浩强.C程序设计M.北京：清华大学出版社，200516 王俊峰，孟令启.现代传感器应用技术M.北京：机

42、械工业出版社，200917 阮一辉.基于超声波定位技术的障碍物探测D.苏州：苏州大学，200718 恒清，张靖.加强单片机系统抗干扰能力的方法N.通化师范学院校报，2004.1019 苏炜，龚壁建，潘笑.超声波测距误差分析J.传感器技术，2004，（6）：8-11致 谢首先，我要感谢我的指导老师陈老师在毕业设计和写论文的过程中对我给予的指导和严格要求，从选题到查阅资料，开题报告的书写，中期答辩，后期论文的书写以及格式调整等各个环节都给予了我悉心的指导和帮助，这三个月以来，陈老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向陈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时我还要感谢

43、和我一起做毕业设计的同学，在毕业设计的短短几个月里，你们给我提出了许多宝贵的意见，给了我不少的帮助和支持。还有我的宿舍同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，在和你们的相互帮助和启发中，我才能够顺利的完成毕业设计和学业。最后我要深深的感谢我的家人，正是他们含辛茹苦的把我养育成人，在成活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。附录一 程序/ 超声波测距系统/ 测量范围：40-699厘米#include <REGX51.H>#include <intrins.h> #define ucha

44、r unsigned char#define uint unsigned int#define k1 P3_7 /k1功能键#define k2 P3_6 /k2数值调整键#define bjh P3_1 /定值输出#define sx P0_2 /报警值输出（声音）#define csbout P2_7 /超声波发送#define csbint P3_5 /超声波接收uchar ec,cls;cs;xl,mq,xm0,xm1,xm2,sec20,sec,sec1,buffer3,BitCounter,temp,Number8=1,2,3,4,5,6,7,8; uchar temp1,conv

45、ert10=0x81,0xED,0xA2,0xA8,0xCC,0x98,0x90,0xAD,0x80,0x88;/09段码uint zzz,dz,zzbl,i,jsz,yzsj,kk,s;static uchar bdata ke,kw; /可位寻址的状态寄存器float csbc,wdz;sbit LED1 = P34; /数码管位驱动sbit LED2 = P32; /数码管位驱动sbit LED3 = P33; /数码管位驱动sbit k11=ke0;sbit k12=ke1;sbit k22=ke2;sbit k21=ke3;sbit b=ke4;sbit c=ke5;sbit d=k

46、e6;sbit e=ke7;sbit w=kw0;sbit zj1=kw1;sbit zj2=kw2;void delay(i); /延时函数void scanLED(); /显示函数void timeToBuffer(); /显示转换函数void time();void jpcl();void jy();void wdzh();void bgcl();void jpzcx();void mqjs();void csbfs();void csbsc();void clcs();void offmsd();void main()EA=1; /开中断 TMOD=0x11; /设定时器0为计数，设定

47、时器1定时ET0=1; /定时器0中断允许 TH0=0xD8;TL0=0xF0; /设定时值为20000us（20ms）TR0=1;csbout=1;d=0;TR1=0; temp1=15;zzz=699;mq=40; dz=50;cls=2;xl=temp1; csbsc();mqjs(); /盲区设定k12=1;k1=1;k2=1;k22=1;bjh=1;d=1;sx=0;clcs(); /测量次数while(1)if (ec=1) ec=0;wdzh(); /调用超声波测量bgcl(); /调用报警处理程序timeToBuffer(); /调用转换段码功能模块offmsd(); /调用显

48、示转换程序 scanLED(); /调用显示函数if(jsz<dz) /判断是否达到报警值if(e=1) sx=1; /发出声响else sx=0;else sx=0;jpcl(); /调用按键处理程序void delay(i) /延时子程序 while(-i);void scanLED() /显示功能模块P2=buffer2;LED1=0;delay(1);LED1=1;delay(50);P2=buffer1;LED2=0;delay(1);LED2=1;delay(50);P2=buffer0;LED3=0;delay(1);LED3=1;delay(50);void timeToBuffer() /转换段码功能模块if (jsz>zzz)buffer0=0x93;buffer1=0x93;buffer2=0x93;else if (jsz<mq)buffer0=0xFE;buffer1=0xFE;buffer2=0xFE;elsexm0=jsz/100;xm1=(jsz-xm0*100)/10;xm2=jsz-xm0*100-xm1*10;buffer0=convertxm2;buffer1=convertxm1;buffer2=convertxm0;if (buffer2=0x81)bu