2019年超声波测距毕设

1、引言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， 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、易于做到实时控制，并且在测量 精度方面能达到工业实用的要求。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、 工业现场等的距离测量， 虽然目前的测距量程上能达到百米， 但测量的精度往往 只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被 测量物体不需要直接接触的优点，是作为距离测量的理想手段。采用超声波测量大气中的地面距离， 是近代电子技术发展才获得正式应用的 技术，由于超声测距是一种非接

2、触检测技术， 不受光线、被测对象颜色等的影响， 在较恶劣的环境 （如含粉尘 ）具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如 : 测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面 距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是 : 仪器造价比光波测 距仪低，省力、操作方便。超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身 上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的 自身位置，用它作为传感器控制机器人的电脑等等。由于超声波易于定向发射， 方向性好，强度好控制，它的应用价值己被普遍重视。总之，由以上分析可看出 :利用超声波测距，

3、 在许多方面有很多优势。 因此， 本课题的研究是非常有实用和商业价值。1/ 24第一章超声波测距原理1.1超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。 总体上 讲，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、磁致伸缩型和电动型等；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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。1.2压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1-1所示，它有两个压电晶

4、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，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 波接收器了。图1-1超声波传感器内部结构1.3超声波测距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率时， 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。

5、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= vt /2,测距原理如图 1-2所示。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33

6、1.45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。k鼻超沖诚发射5 / 24图1-2超声波测距原理图假定S为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为 t ( S)，超声波传 播速度为V (m/s)表示，则有关系式(1-1):s=vt / 2(1-1)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式 (1-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。v=331. 4+0. 607T(1-2)(1-2)式中，T为实际温度单位为C，v为超声波在介质中的传播速度单位为 m/ s。一些温度下的声速参见表1-1。表1-1不同温度下的声速温

7、度TC)-30-20-100102030声速v (m/s)313319322331337344350第二章单片机STC89C52RC2.1单片机简介本设计中选用的宏晶科技的STC89C52R型单片机是一种低功耗、高性能、 采用CMO工艺的8位微处理器，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚 完全兼容。片内8K Flash存储器可在线重新编程，或使用通用的非易失性存储 器编程器。由于一般的距离测量中，距离的变化速度并不太快，而且单片机的机 器周期可达卩s级，则其计时精度为卩s级，完全可以满足系统测量的要求，并 且成本较低，所以本设计中选用 STC89C52!号的单片机。STC89C52R单

8、片机,基于8051内核,是新一代增强型单片机，指令代码完全 兼容传统8051,速度快812倍,带ADC,4路PWM双串口 ,有全球唯一 ID号,加密 性好，抗干扰强。 RAM（ MOV访问）：256B, XRA（ MOVXJ问）：256B, ROM 8KB2.2单片机引脚功能如图2-1所示为各引脚名称，下面将一一说明(T2)P1.0VCCCT2EX)P1 1PO.O(A1XI)PUJ(A1>1IPl 3P0.2(AD2)Pl 4P')J(AD3)(MOShPI.5Pn.4(AD4)(KUSO)Pl 6(SCKJPL7P0.6(AD6)RSTP0.7(AD7)(RXDJP3.QEA

9、ATPALE. PROG(NT01P3.2PSEX(NT1)P3.3P2.7(A15)CT0)F3JP2.6(A14)(T1JP3.3P2 5(A13)(WR)P3,tiP2.4(A12)(RD)P3,7P23(A11)X1AL2P22(A1(J)XTAL1P2.1(A9>GXDP2.0(AS)621STCS9C52RC_89"TT_ I162010392235图2-1单片机引脚1-8 :I/0P1 口( P1.0P1.7) 8 位双向 口线；9：复位脚( RST/Vpd)；1017: I/0P3 口 (P3.0=RXDP3.仁TXDP3.2=-INT0 , P3.3=-INT

10、1 ,P3.4=T0,P3.5=T1，P3.6=-WR，P3.7=-RD) 8位双向口线；18、 19:晶振( 18=XTAL2， 19=XTAL1)；20:地( Vss)；21-28:I/0P2 口( P2.0P2.7) 8 位双向 口线;29:-PSEN ；30:ALE/-PR0G ；31:-EA/Vpp ；32-39:I/OP0 口( P0.7P0.0) 8 位双向 口线;40:+5V 电源。6/ 24第三章系统组成及设计3.1系统组成图3-1系统组成框图在本系统组成中，STC89C52R为主控芯片，其作用是发射 40KHz的超声波 信号，同时利用中断计时，并对计时数据进行处理，计算障碍

11、物距离，并将结果 通过数码管显示出来。单片机外围电路主要是为了单片机的正常工作服务，包括电源电路、复位电路和时钟电路。发射电路主要将单片机产生的信号进行放大， 从而驱动超声波发射器向外发射超声波信号。接收电路主要将回波信号放大处 理，从而提供接收信号给单片机，为单片机计算时间之差服务。显示电路主要通 过驱动四位数码管，使其直观显示单片机计算障碍物距离的结果。3.2超声波发射电路超声波发射部分是为了让超声波发射换能器能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如 由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P

12、1.0端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74ALS04组成的推挽式电路进行功率放 大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器以声 波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图3-2所示。图中输出端上拉电阻R5, R6, 方面可以提高反向器74AS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以 增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。图3-2发射电路3.3超声波接收电路上述超声波发射换能器发射的超声波在空气中传播，遇到障碍物就会返回， 超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器进行

13、转换 变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生 产的集成芯片CX20106得到一个负脉冲送给单片机的 P3.2(INT0)引脚，以产生 一个中断。接收部分的电路，如图3-3所示。可以看到，集成芯片CX20106在接 收部分电路中起了很大的作用。CX20106是 一款应用广泛的红外线检波接收的专 用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥 控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，而且CX20106 内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越 低，范围为3060 kHz。图3-3接收电

14、路本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带 通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先 经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进 行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端 7脚直接接到STC89C52R的INT0引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调 节芯片引脚5的外接电阻R42,将滤波器的中心频率设置在40 kHz,就可达到理 想的效果。3.4超声波传感器图3-4传感器实物图超声波发射接收头为本设计

15、中的主要元件如图3-4，其中标有T字样的是发射头，标有R字样的是接收头。安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm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。发射接收头的主要参数如下：型号：TCT40-12R/T(直径 12mm标称频率( KHz)： 40KHz发射声压 at10V (0dB=0.02mPa : > 117dB接收灵敏度 at40KHz (0dB=V/ubar) : > -65dB静电容量 at1KHz,<1V (PF) ： 2000±30%3.5 显示电路超声波测距系统的显示要求比较简单， 测量结果采用十进制

16、数字显示。 只需 能显示 0-9 的数字，且显示稳定无闪烁即可。 因此显示部分采用七段半导体数码 管即LED根据各管的极管接线形式，可分为共阴极型和共阳极型。在共阴极接 法中，LED数码管的g-a七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不发 亮。而在共阳极接法中，冈収子与共阴极接法相反。LED数码管具有亮度大，响应速度快等优点。LED显示器有静态显示和动态显示两种。 电路结构图如图4所示。 本设计通过软件的编译来实现由二进制到BCD码的转化，从而简化了显示电路。但是，在制作超声波测距系统的过程中，我发现由单片机直接驱动LED显示，电流较小，LED虽然有显示但是比较暗，因此显示电路采用简单的

17、4位共阳LED数码管,断码用74LS245,位码用9012驱动。本设计的显示电路采用四位一体共阳数码管利用单片机进行动态显示如图 3-5所示，动态显示的特点是将所有位数数码管的段选线并联在一起，由位选线 控制是哪一位数码管有效。 所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字型码和 相应的位选， 利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用， 使人的感觉子像各位数码 管同时都在显示。本电路中单片机的 P0.0至P0.7依次控制段码a、b、c、d、e、 f、g、h。利用P2.4、P2.5、P2.6、P2.7 口控制位选，从而达到动态显示的目的。 显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用74LS245,位码

18、用9012驱动。10 / 24SKLHSPDSFP11FLI£P1J&7LL rF13KPfl:EMH LYpa盲1DC 涉 WtTi代岂叮七医®T! i41 ir：-idi,丨 吒中卜:LU IX/V-“ LU加 CZF-U£i=XAZ-*-匸Elw图3-5显示电路3.6复位电路如图3-6所示，当VCCh电时，C9充电，在电阻R19上出现电压，使得单 片机复位；几个毫秒后，C9充满，电阻R19上电流降为0，电压也为0，使得单 片机进入工作状态。工作期间，按下 S1, C9放电。S松开，C9又充电，在电阻R19上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后， 单片

19、机进入工作状态。单片机最小系统复位电路的极性电容C9的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF, 51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。本复位电路有上电复位和按键复位两种功能，上电复位电路是由电容C9与电阻R19串联组成，电容接VCC电阻接地，RESE脚接在它们中间，当上电时， 电容相当于短路，此时电阻上的电压等于 VCC经过一段时间后电阻电压逐渐变 小直至为0,以达到上电复位的目的。同时只要按下 S1按键，同样可以达到复 位的目的。11/24亠SVo lOuFWV1(7805II图3-6复位电路ver vkClHHcw冲一lOuF W'DI TN414S图3-7电源

20、电路3.7电源电路如图3-7所示为确保单片机的工作电压为稳定的 5V,本设计在采用三端稳压 集成电路LM780作为稳压芯片，三端稳压芯片 LM780组成的稳压电路所需的外 围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方 便。二极管D1起到保护作用，C1与 C3为输入滤波电容，C2与 C4为输出滤波电容， 由于本设计的功率很小，在电路实际测量中，LM7805勺输出电流为0.4A，远没有 达到额定的最大输出电流1.5A。所以，不需要为LM7805加散热器。15 / 24第四章 系统软件设计超声波测距系统的控制核心是单片机， 软件主要完成测量过程控制、 精确计 时、数据计算及

21、结果处理等功能。系统采用单片机内部自带的定时器 /计数器 T0 中断功能，对发射到接收的时 间进行精确计时。而且为了节约硬件成本， 系统采用单片机发出 40kHz 方波信号， 由方波输出程序控制单片机管脚 P1.0 输出方波信号。利用外中断 0 口监测超声 波接收电路输出的返回信号 ,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。4.1 主程序超声波是通过 P1.0 端口发出超声波脉冲信号 （ 频率约 40kHz 的方波 ） , 脉 冲宽度为12卩

22、s左右，同时把计数器TO打开进行计时。超声波测距仪主程序利 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 （ 即 INT0 引脚 出现低电平 ） , 立即进入中断程序。 进入中断后就立即关闭计时器 TO 停止计时 , 并将测距成功标志字赋值 1 。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TO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 , 设计时取声速为 34O m/s 则有：S=（V*T0）/2=17*T0/1000cm （其中TO为计数器TO的计数值）测出距离后结果将以十进制 BCD码方式让

23、四位LED显示,然后再发超声波脉 冲重复测量过程。主程序流程图如图 4-1 所示：开始图4-1主程序流程图4.2中断服务程序超声波发生子程序的作用是通过 P1.0端口发送超声波信号频率约 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（INTO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 TO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TO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。4.3距离

24、计算子程序在主程序中已经介绍了障碍物距离的计算公式为： S=（V*T0）/2=17*T0/1000cm （其中T0为计数器T0的计数值），由于本次设计使用的是汇编语言，所以需要调用乘法与除法子程序。超声波距离计算方法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体（障碍物）后反射回来，回波被超声波接收 器R所接收到。这样只要计算出从发射超声波到接受到超声波信号所用的时间， 就可以利用上述公式计算出超声波发生器与被测物体之间的距离。 在启动发射超 声波脉冲信号的同时启动内部定时器 TO,利用定时器的计数功能记录超声波发 射与接收到回波之间的时间。 当收到超声波反射波

25、 (回波)时，接收芯片 CX20106 的输出端会产生一个负跳变,在 INTO 端产生一个中断请求信号,单片机响应外 部中断请求,执行外部中断服务子程序,读取时间差 TO。所以在距离计算的过程中，首先要读取计数器 TO的计数值，即可得到从发 射超声波脉冲到接受到回波信号之间的时间差。 利用这个时间差和超声波的传播 度还有公式： S=(V*TO)/2 =17*TO/1OOOcm 就可以调用乘法子程序与除法子程 序，从而计算与障碍物之间的距离。4.4 显示子程序中断计数值分别放在44h、45h单元中，显示子程序等待数据后，对数据进 行处理，处理完成后为十进制 BCD码。在显示数据是，为了节省I/O

26、端口资源， 降低功耗，本设计采用动态显示的方法。其中 P0 口是段码，低电平有效。P2 口 是位码，高电平有效。P2.7 口控制最高位，一直到P2.4 口控制最低位。但究竟 是哪个数码管会显示出字形， 取决于单片机对位选通端电路的控制， 所以我们只 要将需要显示的数码管的选通控制打开， 该位就显示出字形， 没有选通的数码管 就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的位选端， 即可实现数据的动态显示。四个数码管的段码都是P0 口的输出，即四个数码管输入的段码都是一样的， 为了使其分别显示不同的数字 , 对已处理数据查表从高位显示， 经过延时再显示 第二位、再经过一段延时，依次下去直到最低位，然后循

27、环。这样测试结果可通 过数码管的动态显示方法显示出来。 在轮流显示过程中， 每位数码管的点亮时间 为1ms-2ms由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各 位数码管并非同时点亮， 但只要扫描的速度足够快， 给人的印象就是一组稳定的 显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的。第五章电路安装调试5.1实物焊接基于各种原因，没有按照PCB图做实物，而是用通孔板根据原理图，将实物 做出来，首先将所有元器件准备好，用万用表检测元件的好坏，确保所有元器件 都是完好后才可以准备焊接，因为受通孔板的限制，元件的布局没有按照PCB图布置，原来的PCB图只作为参考，为了方便后期的包

28、装，决定把显示电路部分 单独做在一块小通孔板上面。具体如图 5-1所示。图5-1元件准备图5-2焊接调试一切准备妥当后，可以着手准备焊接，在电路焊接的过程中主要注意焊接表 面必须保持清洁焊接时温度、时间要适当，加热均匀焊接必须可靠，保证导电性 能，另外还要注意烙铁头的保护，在不用时应加焊锡保护，防止被氧化。电路板 焊接完成后用万用表检查是否有电路焊接错误之处，确认无误后加电测试，数码管正常点亮，电路硬件部分完成，如图 5-2所示。一16 / 245.2电路调试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。系 统调试完后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

29、到实际使用的测量要求。由于电路元件参数误差，以及程序设计并不是很玩善， 所以实际测量过程中误差很大，因此程序有待进一步改进。电路上电之后，用万用表测试包括单片机在内的所有芯片电压是否正常，判断一切元件都正常工作后用双踪示波器观察超声波波形是否正常，同时观察芯片CX20106勺7号引脚电位，当有物体挡住超声波并反射回去被接受头R接收后，7号引脚将由高电平跳变为低电平，测试波形如图5-3所示。在调试的过程中，首先确保单片机已经工作，用示波器检测 P1.0 口是否有波形输出，正常时应为 40KHZ方波信号,另外还需检查超声波发射端波形输出正常，如果没有输出说明 运放74ALS04已经烧坏，应更换。在

30、检超声波接收端有无信号时应保证超声波是 被物体反射回来的回波，所以选择障碍物调试时很重要，且障碍物与超声波探头 的距离不可过近同时也不可以过远， 以半米左右为宜。在调试过程中，可以来回 移动障碍物以检测超声波的发射接收是否正常。在本次设计的焊接过程中，当所有电路均焊接正确时，发现发射端有信号输出，但接收端没有信号，用信号发生 器给CX20106的 1号引脚一个脉冲信号，接收电路又能正常工作。经过仔细检查 发现，超声波换能器是有极性的，带有小孔的引脚为正极，与外壳相连的引脚为 负极。将极性调整正确后，电路正常工作。这个错误说明细节决定成败，任何一 个小环节的错误将影响整个系统的失败。图5-3测试

31、波形在实际测量过程中，误差还是存在的，对于误差的产生原因，我认为主要来源于以下几个方面：(1) 超声波发射与接收探头与被测点存在一定的角度，这个角度直接影响到 测量距离的精确值 ;(2) 超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一 定是第一个回波的过零点触发 ;(3) 由于工具简陋，实际测量距离也有误差。影响测量误差的因素很多，还 包括现场环境干扰、时基脉冲频率等等。21 / 24参考文献1 沙占友集成化智能传感器原理与应用 M 北京：电子工业出版社， 20042 吴研超声波倒车雷达系统设计 J 北京：北京理工大学， 20053 肖景和， 赵健红外线热释电与超声波遥控电路M

32、 北京：人民邮电出版社， 20034史谚宾基于AT89C2051的超声波测距仪设计J.北京：航空航天出版社，2006. 路锦正，王建勤.超声波测距仪的设计M.成都：成都理工大学，1999. 基于单片机智能系统的设计与实现M.北京：人民邮电出版社，2005.7 赖寿宏.微型计算机控制技术M .北京：机械工业出版社，2002.8 王兆安，黄俊.电力电子技术M .北京：机械工业出版社，2003.9 邱关源.电路 M .北京：高等教育出版社， 1999.10 尤一鸣 . 单片机总线扩展技术第一版 M. 北京: 北京航空航天大学出版社， 1993.11 李鸿. 单片机原理用应用 M. 长沙 :湖南大学 ，2004.附录附录A原理图r,mvccz(TZI.OETC：2EX1P：:Pc，:g.，Pl 2PQ1C4D1)Pl J陀dPl iPfi卵人口計(M0W1.5西仙M