超声波测距仪的设计实现

1、. . . . 超声波测距仪的设计实现摘要该超声测距系统采用芯片STC89C52作为系统的主控制器，利用NE555作为本系统的脉冲发射源，结合3位7段数码管液晶显示，达到了较大的测试距离和较高的测量精度，并能实时显示且无明显失真。关键字:超声波 测距 实时第1章设计题目与要求1.1设计要求采用压电式超声波换能器，使用单片机作为控制器，完成超声波测距仪的软硬件设计。1.2基本要求：(1)具有反射式超声波测距功能，测量距离0.1m3.0m；(2)测量距离精度：误差±1cm；(3) 利用LED数码管显示测试距离；(4)实时显示测量的距离，显示格式为：.米第2章系统总体方案论证2.1系统总体

2、方案题目要求设计一个利用超声波反射原理测量距离的超声波测距仪，并且具有实时同步显示，由此本系统可以划分为发射、接收、显示、主控制模块共四大模块，如图2.1所示：主控制模块发射模块接收模块显示模块图2.1系统基本方框图针对技术指标的需要，为使系统的测量距离更远、精度更高，提高系统的整体完善性，现对以上系统各个功能模块进行一一的方案论证：2.2主控制模块2.2.1主控制模块概述主控制器模块其实就是一个简化的嵌入式系统。嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统

3、。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。2.2.2主控制模块方案选择根据以上知识，考虑到目前市场上比较常用的AVR、61、51三种微控制器，我们有如下三种方案可供选择。方案一：AVR单片机AVR单片机种类丰富，有ATtiny、AT90S、ATmeg系列，各个系列又有不同的型号，价格较适中。相对来说，比起51单片机来说资源较丰富，部也有集成A/D，有PWM输出，但在系统进一步扩展方面不是很好，这类单片机主要应用于工业控制领域，在语音处理方面没有什么优势。方案二：SPCE061A.凌阳单片机的资源相对来说比较丰富，32K×16bitFlash，两路D/A，1个全双工异步串行口（UART）方便

4、其跟其他为控制通信。而且它的编程和C语言很相似，最重要的它在语音处理方面有得天独厚的优势，并且凌阳公司的提供了丰富的技术支持。方案三：51单片机51单片机的最小系统板非常简单，价格便宜，但51单片机部的RAM（128bit或256bit）和ROM(4KB或8KB，特别地AT89S8253为12KB)都比较小，部并没有集成D/A、A/D，不方便语音处理，因而系统扩展起来比较麻烦。由于本课题没有要求语音播报，且其它要求不需外部扩展A/D就可以实现，所以本次实验选用性价比高的STC89C52作为主控芯片。综上所述，本系统选用宏晶公司生产的STC89C52作为核心控制器。2.3发射模块2.3.1超声波

5、发射原理超声波是一种人耳无法听到，频率高于20KHz的声音。声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s（21，在海拔空气压力下），波长与速度的关系为： （2-1）其中为声波的波长，为声波在空气中的传播速率，为声波的频率从上面可以看到，40KHz超声波在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才有可能在进行测量时获得很高的精确度。如果假定音速是344 ms时，100Hz的音频的波长就是3.44 m，1000Hz(即lkHz)的波长就是34.4 cm，而一个20kHz的音频波长为1.7cm,40KHz的的音频波长为8.5mm为了达

6、到题目中的技术指标，对所用探头的物理特性进行详细的分析是十分必要的。在没有任何驱动电路的情况下，只利用信号源和示波器来定性的分析接收探头电压随发射探头距离、频率以与发射探头两端加的电压关系。（1）检验探头中心频率：即在发射探头上的电压一定，发射探头和接收探头之间的距离一定时，接收探头的电压随发射探头频率的变化。利用信号源加在发射头两端电压的峰峰值（电压太小会使接收到的信号非常微弱，为便于观察，在这里取20V）在15cm的地方放有木板，经过反射，通过接收换能器，直接在示波器观察电压随信号源发射信号的频率的变化。测得的数据如表一所示：表一中心频率测量单位：mv频率f31k32k33k36k39k3

7、9.6k接收Vpp10364876156199频率f39.8k39.9k40k41k43k45k接收Vpp20823622819214686测试条件：发射探头所加电压=20V，两探头之间的距离l=20 cm由表一可以发现发射信号的频率在39.9KHz时在示波器上观察到的电压峰峰值（）最大，由此我们判定39.9KHz为超声波探头谐振的最佳频率，也即中心频率。注：本测量结果只对我们所使用的探头有意义。（2）验证接收探头的电压随距离之间的关系。由于只需定性地分析，通过查找超声波探头资料，可以得到电压与距离的关系如图2.2所示：从图2.2可以看出频率在40KHz时声压随距离的衰减较小，频率越高，衰减率

8、越高，波的传播距离越短。但根据换能器的不同稍微有差别，因此实测的最佳频率稍微偏离40KHz，见表一。鉴于报告书写方便，本文均以40KHz代替。纵观所有利用波的反射测距如雷达，发射的信号为CW（Continuous wave）脉冲。通过计算接收到的这组波和发射这组波的时间间隔，再根据2-2式计算距离。 （2-2）其中l为超声波传播的距离，v为超声波传播的速率，t为传播的时间。图2.2声压在不同距离上的衰减特性2.3.2超声波发射模块方案选择根据上面的知识和相关资料，得出了发射模块的两种方案。方案一：以三级管为核心。(1)三级管扩流。由主控制器送出的40KHz的波经三极管扩流直接送给升压变压器，经

9、换能器发送出去。这种电路简单，受三级管的特性限制，电压和电流的放大相对比较小。(2)三极管推挽式功率放大。由分立元件搭建的三极管推挽式功率放大器在性能上比扩流电路优越很多。但是在参数的选择与性能的优化上都比较困难，再者，三极管是一个流控型放大，这样会导致系统的功耗上升。方案二：以NE555和反相器为核心。利用NE555发射40KHz的方波，其有点为稳定、可控、频率可调，经过CD4049的6路反相器互补对称电路就可加大发射功率。综上，本系统发射部分采用NE555和CD4049搭建的互补对称式功率放大，最后由换能器发射。2.4接收模块2.4.1接收模块概述超声波在金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸

10、上可以近似100%的反射，而布、棉花、绒毛等可以吸收波。由图2.2可知声波随着距离的增加成比例地衰减。经测试，由接收换能器（探头）转换而来的电流信号非常弱，所以需要对接收到的信号进行放大。 超声波探头的选频特性比较好，为了提高系统的信噪比。因此加入了滤波电路。通过上面的信号整形和放大，检波之后通过比较模块进一步整形，从而得到比较完好的方波信号。综上我们得到了接收模块的基本框图如图2.3所示比较MCU处理放大滤波滤波图2.3 接收模块电路图2.4.2接收模块设计与方案论证放大从换能器上转换而来的声波信号比较弱，为了增加信号的驱动能力，必须将所接收到的信号进行放大，放大方法有以下两种：方案一：利用

11、NE5532集成运放搭成二级放大电路，将总体信号放大5000倍，然后将信号接入电压比较器。但在实际实验中，发现两级电路的自激情况很严重，且电路较复杂。方案二：利用最简单的三极管对接收到的信号进行放大，放大倍数大约在50倍左右，由于是单级放大系统受干扰较小，且放大倍数虽小但测到3M距离没有问题，可以很好的满足题目要求。综上，本系统选用第二种方案。比较器方案一：检波电路是采用检波二级管、电容、电阻构成包络检波电路。经过检波之后得到了形如“”的包络信号。方案二：采用LM393专用电压比较器，其优点为阈值电压调节简单，外围电路只有电阻。所以，本次实验选用LM393作为电压比较模块。第3章系统硬件设计3

12、.1系统总体组成根据题目要求，可以将系统分为四个模块，即：发射、接收、处理、显示。发射：由NE555发射频率为40KHz的方波，经过CD4049互补电路推升功率，最后由换能器转换为超声波发送出去。接收：由接收换能器转换而来的电信号，经放大、滤波、比较后给MCU处理。处理：51单片机最小系统板。经接收模块处理后的信号由本模块作出判别并计算出距离。显示：以STC89C52为控制核心，进行距离的液晶显示因此，可以得到系统的组成框图如图3.1所示。STC89C52系统主控模块发射电路接收电路发射器接收器被测物显示图3.1超声波测距系统总体方框图3.2发射模块电路图如图3.2所示。I/OOUT5.1KR

13、210KR30.01uFC20.01uFC1VCC1KR1NE555U1GNDVCCRESET187DISCHG6THOLD5CVOLT43OUT2TRIG用于驱动超声波传感器的40KHz的方波由一片NE555搭成的多谐振荡器生成，受控于控制器的控制信号；40KHz的方波经CD4049调理后，成为振幅18V的方波，提高发射功率。注：电路中，CD4049接的是9V的电源。图3.2 发射电路图3.3接收模块3.3.1放大电路电路图如图3.3所示。Ui100uFC3Uo1KR?220uFC21KR3220uFC1VCC1KR1104R2NPNQ1图3.3 放大测得放大倍数 （3-1）3.3.2比较电

14、路电路图如图3.8所示。在实际测试中发现输入信号尽管经过电容滤波，但仍存在直流偏置，使信号直流信号抬升调节可以使比较门限改变，以解决输入信号里夹带直流偏置的问题。outputinput10KR35.1KR25.1KR1VCCLM3935V+6V- 7OUTPUT B8Vcc4GND3V+2V-1OUTPUT A图3.8 比较电路3.4主控模块该模块的核心为STC89C52本模块要设计和制作的为一51最小实验板，包括最基本的时钟电路、复位电路。第4章系统软件设计4.1系统软件设计介绍4.1.1软件部分本系统的软件设计的最根本思想的是基于超声波反射原理。首先，由单片机控制NE555产生40KHz的

15、CW（Continuous waves）脉冲信号。然后通过外部中断采集电平触发信号，并利用定时器计算出时间，根据2-2式计算距离，之后将数据显示在数码管上。4.2软件框图和流程图4.2.1软件框图系统软件框图如图4.1主机发生40KHz脉冲电平触发信号采样同步显示图4.1软件框图4.2.1程序流程图程序流程图如图4.2所示：初始化子程序启动NE555发射脉冲启动定时器、延时1ms开启外部中断是否发生外部中断？等待显示距离YN是否超时？Y关闭计时器关闭超声波图4.2 程序流程图第5章系统调试5.1测试仪器测试使用的仪器设备如表二所示。表二测试使用仪器设备表序号名称、型号、规格数量1示波器DS50

16、22M12SG1040信号发生器13万用表14三角架15卷尺15.2测试方法与结果在本系统的测试过程中，由于发射超声波、接收并处理回波存在着时间的延迟以与其他不稳定的因素，所以测得的数据与真实之间存在一定的误差，为了减少测量误差，超声波探头在使用之前需要标定。我们进行测试方法为：在实验室取出非常平的实验桌，桌的高度大约一米，通过平整光滑的墙壁来进行数据验证，分别对各个距离段来测试，通过3米的直板尺来一一对各个距离段进行标出之后来测量，从而来验证本系统的精度，这样通过测得的值与实际的值进行补偿。 我们标定的实验数据如表三所示： 表三 第一次校准数据表测试温度T=12.80 单位：m实际值0.20

17、00.5000.8001.0001.200测量值10.2330.5180.8231.0281.234测量值20.2300.5180.8260.0371.231测量值30.2330.5150.8291.0261.234测量值40.2300.5180.8201.0281.234测量值50.2300.5210.8261.0291.231测量值60.2330.5180.8261.0261.231测量值70.2300.5150.8261.0261.231测量值80.2330.5000.8291.0291.231测量平均值0.2320.5150.8260.9041.232实际值1.5001.8002.00

18、02.5003.000测量值11.5331.8212.0302.5313.031测量值21.5301.8242.0272.5373.024测量值31.5301.8212.0302.5363.036测量值41.5301.8272.0272.5273.041测量值51.5311.8232.0272.5413.047测量值61.5331.8212.0302.5363.027测量值71.5361.8272.0302.5393.030测量值81.5331.8212.0272.5363.025测量平均值1.5321.8232.0292.5353.033以实际距离为横坐标，测量距离的平均值为纵坐标得出如图5

19、.1所示的校准曲线：图5.1 第一次校准曲线注：由于受环境影响，系统的读数会不稳定，因此表一和表二所记录的数据均为在系统比较稳定的情况下读得的数值。通过多次校准，从图5.1可以看到，曲线基本成一45o直线，这样能很好地满足需要的精度。5.3测试误差分析：对于表三，可以算出该系统的平均误差实际值0.200 0.500 0.800 1.000 1.200 测量平均值0.202 0.489 0.792 0.999 1.200 相对误差1.18750000%2.12500000%0.96875000%0.10000000%0.02083333%实际值1.400 1.500 2.000 3.000 测量

20、平均值1.407 1.503 2.012 2.999 相对误差0.48214286%0.20833333%0.60625000%0.02083333%由此可以算出平均相对误差：（5-1）当然上面的相对误差只是一个在非常理想的条件下计算的。误差原因分析：1)因为超声波在空气中传播会随着距离的增大逐渐衰减，所以测得的距离不一定是第一个回波反射回来的；2)超声波传播速度的变化影响着测距的精度，温度会对传播速度产生影响，进而影响精度。3)超声波波束的集中度对测距精度会产生明显影响，另外现场环境等因素也会对测量结果产生影响。4）由于标定条件与测试环境的限制，所以在精度上不能标定出与实际值完全一样的标定。

21、5.4调试遇到问题与解决方法问题一：经过三极管放大的正弦信号输入到LM393电压比较器，输出正确的话应该是方波，但用示波器测输出时却没有信号。解决办法：经检查，电路不存在焊接问题，在输入加进一个由信号发生器输出的同幅度方波，比较器的输出有正确的方波，再测放大信号，去除交流耦合，才发现此信号存在2V左右的直流，所以调高门限，直至输出方波，此问题解决。问题二：将程序下载后，显示最大为0.50米。解决办法：软件方面的问题，就其原因还是思路问题，改变测量开关时间，在将其显示的时间配合好，正常在实验室可以测量到天棚的距离（3米左右）。问题三：显示不稳定。解决办法：由于程序执行显示需要一定的时间，而系统又

22、要实时测量，二者的配合很不好控制，在程序上将时间控制好，显示问题得以解决。第章结论经过测试，本系统在电源供电的情况下能够实现自动测距、实时显示的功能，在3米距离，测量速度快、准确、精度高。但作品不足的地方是，由于受测量环境以与标定工具的限制，测量距离未能达到很远的指标，而系统测量距离拉长的一个很重要的就是自动增益控制模块的成败，鉴于所学知识和实验时间的限制，没能够做到更加完美。本超声波系统在测量近距离时，显示很稳定且迅速、实时，但在测量远距离时显示不稳定，所以显示和测量的程序配合还有待提高。通过总结，我还得出一重要结论，如果超声波的硬件系统如果再继续完善，那么程序写起来将更加顺手，结果也会更好

23、。所以，在今后的学习和实践过程中，不断加强理论基础，总结丰富实验经验将是我努力的目标。参考文献：1红. 模拟电子技术. ，工程大学，2001年2万臣. 模拟电子技术基础设计 仿真 编程与实践. ，工程大学，2003年3健领. 51系列单片机开发宝典. ，电子工业，2007年4毅刚等. 新编MCS-51单片机应用设计. ，工业大学，2003年附录：附录一：主要元器件清单序号型号数量1STC89C5212NE55513LM39314CD4049159013167段数码管37超声波探头1对附录二：程序清单#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit du=P26;sbit we=P27;sbit an1=P34;sbit go=P17;sbit p32=P32 ;sbit deng=P10;sbit beep=P23;uchar a,b,c,e,f;uint n=0,m1=0,d=0,m2=0,m3=0,x=0,n1=0,n2=0,k=0;void delay(uint x)for(a=x;a&