超声波测距分析

1、期有2孽徨单片机技术课程设计说明书超声波测距系、部：电气与信息工程学生姓名：凌昇指导教师：万系杰 职称 教师专 业：电气自动化班 级：电气1101完成时间：2013.12.22摘要超声波测距作为一种非接触性的光学测量方法，近年来得到 了广泛应用。 它具有测量方便,不对被测物体产 生损坏等优点。 超 声 波 明 显特 征 是 方 向 性好 ，穿 透 性 强 。尤 其 是 在 光 不 透 过 的 固 体 中 ，它碰 到 杂 质或 分界 面 就 有 显 著 的 反 射 。因此 ，可以 利 用 超 TOC o 1-5 h z 声 波实现对距离的测量。距离是通过测量发射的超声波与接受到 被测物体反射的回

2、波之间的时差来确定 的。采用压电式超声波换 能 器。装 置 包 括 单 片 机 系 统、显示电 路、超声 波 发 射 电 路 和 超声波 检测 接 收 电 路 四 部 分 。系统 的软件 部分则 包 括主 程 序 、定 时子程 序、显 示子 程序 和 外 部 中断服务子 程序。为 了 有 利 于 程 序 结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。完成了超声波测 距仪的软硬件设计，实现了测量结果的显示，经系统调试可看出， LED数码管显示清晰稳定，测量结果稳定可靠，测距仪最大误差 不 超 过 5cm。关键 词 ： 超声 波测距 ； 51 单片 机ABSTRACTUltrasonic Rang

3、ing is a non-contact optical measurement me thod which has been widely applied in recent years.Ithas theadvantages ofmeasuringconvenience, notbe theobject produce damage.Obviousfeaturesof the ultrasoundisdirectional, penetrating. Especially in lightopaquesolid,it met the impuritiesor theinterface wi

4、ll have a significant reflection. Therefore, we can use ultrasound to achieve the measurement of distance. The distance is got by measuring time difference that between emission ultrasonic and the echo of the measured object refl ection received with piezoelectric ultrasonic transducer. The device i

5、ncludes a microcontroller system, display circuit, ult rasonic transmitterandultrasonicdetectionreceivercircuit.The software partofthe system includethe mainprogram,timing subroutine display routines, and external interrupt s erviceroutine.The main program use C language for conducive to the program

6、 structure and easy to calculate the distan ce. Icompletehardware and softwaredesign of theultrasonic range finder, and achieve measured results display. Accordi ng to system debugging, LED digital display clear and measur ing results are stable and reliable and the range finder er roris less than 5

7、cm.Key words: ultrasonic rangefinder； 51MCU目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 绪 论 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 课题设计的研究现状 1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 课题设计的任务和要求 1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 课题设计的任务 1 HYPERLINK l bookmark18 o Curren

8、t Document 课题设计的要求 2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 选题的意义 2 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 超声波测距原理 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 超声波简介 4 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 超声波的声学特性 4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 超声波的发生原理 5 HYPERLINK l bookmark3

9、0 o Current Document 超声波传感器的原理与特性 5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 原理 5 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 特性 7 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 超声波测距仪的测距原理 8 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 单片机最小系统 9 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 超声波发射电路 10 HYPERLINK

10、 l bookmark42 o Current Document 超声波接收电路 11 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 超声波测距仪显示电路 12 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 本章小结 13 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 超声波测距系统软件设计 14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 超声波设计概述 14 HYPERLINK l bookmark52 o Current Documen

11、t 主程序流程图 14 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 电路调试及误差分析 16 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 系统的调试 16 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 系统的误差分析 16 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 声速引起的误差 16 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 单片机的影响 17 HYPERLINK l bookmark64 o

12、 Current Document 其他的误差 17 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 提高测距精度的方法 18 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document . 结束语 19 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 致谢 20 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 参考文献 21 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 附录 221 绪论1.1 课题设计的研究现状当我们的测

13、距技术日渐趋于成熟，我们对测距的精度要求也日渐严苛，传统的测距技术在某些场合已经不能够满足人们的需要， 如在井道， 水位， 管道等的长度测量方面， 传统的测距方式已然不再适用。 在现代社会中， 我们既要要求测量的准确性， 又要避免人类在危险的环境下作业。 为此我们需要一种可以精确测量的非接触式的测距方式， 于是超声波测距仪应用而生。 由于超声波是一种非接触式的测量方式，它具有不被光、粉尘或电磁波等外界因素干扰的一系列优点，由于自身抗干扰性好、 方向性强、 反射性好等优点越来越多地被人们作为一种测距识别手段1 。它利用超声波测距传感器的发射探头与接收探头工作时的时间差来计算出障碍物的距离， 对被

14、测目标无任何影响， 再者超声波传播速度也在一定范围内与其频率无关。 这些独特的优点都使得超声波测距越来越受到人们的重视，也从 70 年代末期开始在生产领域广泛应用。这也就是超声波常被用于测距的原因， 如测距仪或物们测量仪等等都是通过超声波来实现的。 利用超声波检测距离比较迅速、方便，计算也较简单，易于做到实时检测，并且在精度方面也能够达到工业实用的要求， 因此在工农业生产上也得到了广泛的应用。 超声波测距传感器按其可实现的检测距离可以分为大、 中、 小三种量程， 小量程探测距离小于2m3工作频率60kHz300kHz之间；中量程探测距离约为2m 10m,工作频率在40kHz60kHz之间；大量

15、程探测距离约为20m 50ml工作频率处在16kHz30kHz 之间。在我国的相关技术与发达国家相比也较落后，因此对这种能准确、高效、 实时测量距离的方式的研究在我国尤其重要。 不论在国内还是在国外， 超 声波测距都占有着相当重要的地位，而它的应用也已经越来越广泛，但在国内，它的发展尚处于初期阶段， 利用超声波测距技术还十分有限， 在不久的未来， 超声波测距仪也必将作为重要的测距手段而被社会广泛需要。 而随着计算机的迅速发展，超声波测距仪将更加智能化，精确化。1.2 课题设计的任务和要求1.2.1 课题设计的任务此次课题的研究方向是超声波测距仪的软件设计。软件主要工作流程是：单片机编程产生超声

16、波， 在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后， 接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后将数据输出 P0 口显示。软件系统总体划分为：主程序模块，显示子程序模块，定时子程序模块，外部中断子程序模块。主程序完成数据初始化， 参数设置， 以及各功能模块的调用。 显示部分完成数据在LED数码管的显示。中断服务程序中，提供了定时、计数功能，并且调用相关处理程序。 故总体而言，此次选题的要求可概括为以下几点：. 设计出超声波测距仪的硬件结构电路。. 对设计的电路进行分

17、析能够产生超声波，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。. 以数字的形式显示测量距离。. 对设计的电路进行分析。1.2.2 课题设计的要求通过介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。通过超声波发射器向某一方向发射超声波， 单片机在发射时刻同时开始计时， 超声波在空气中传播， 途中碰到障碍物就立即反射回来， 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V,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收

18、往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。 系统定时发射超声波， 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器， 利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。 当收到超声波的反射波时， 接收电路输出端产生一个负跳变， 在单片机的外部中断源输入口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， 计算距离 , 结果输出给LED显示。利用本测距系统测量，范围应在10cm-200cm内，其最大误差控制在5cmi1.3 选题的意义超声波测距仪是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象着色、大小等的影响，较其它测距仪，它更加而潮湿、高温、粉

19、尘、腐蚀气体等恶劣环境，具有不污染、 高可靠、 长寿命等优点， 且易于维护。 超声波测距技术是一种原理简单、易于实现的非接触测量技术， 被广泛地应用于工业、 医疗、 军事及日常生活等诸多领域。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求， 因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走， 就必须装备测距系统， 以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向） ，因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。而本次研究的就是以AT89S52单片机为核心实现测距，有着非常重要的现实意义。首先， 有利于培养学生的独立科研开发能力。 其次，

20、有利于学生进一步理解所学的专业知识，将自身所学与实践相结合，实现自身能力的锻炼与提高。第三，更重要是培养团队合作意识， 通过与搭档的共同努力， 基于对超声波测距仪软硬件的了解，设计出一个简单，精度高，误差小的测距装置。此题是分为两人一起来做的， 目的在于使学生学会在团队中摆正自己的位置， 根据自己的能力分担工作；培养同组内的合作意识及学习别人的长处， 既能当好主角， 也甘于当好配角， 能脚踏实地的做好本职工作。2超声波测距原理2.1超声波简介声波是一种能在气体、固体、及液体中传播的机械波，由于振动频率的不同 可分为：(1)次声波：振动频率低于16Hz的机械波。(2)可闻波：振动频率在1620k

21、Hz之间，这个频率范围内的声波可以为人 类的耳朵所听到。(3)超声波：振动频率高于20kHz的机械波。描述声波的物理量有两点：(1)声压：介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强介质中有 声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压。随着介质中各点声振 动的周期性变化，声压也在作周期性变化，声压的单位是Pa (N/m2)。(2)声强：声强又称为声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于声波传播 方向的单位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向就是能量传播的方向 声强的单位是W/m22.1.1超声波的声学特性描述声波的声学特性的物理量有三点：(1)声速：声波在介质中的传播速度取决于介质

22、的密度和弹性性质。除水 以外，大部分液体中的声速随温度的升高而减小， 而水中的声速则随温度的升高 而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。其声速C也与温度有关，表2-1列出了几种不同温度下的声速。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。表2-1声速与温度关系表战温度(t)3020100-10-20-30声速(m s)349344338331325319313(2)声阻抗特性：声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，具有效值等于 传声介质的密度P与声速c之积，记作Z= p c。声波在两种介质的界面上反射 能量与透射能量的变化 取

23、决于这两种介质的声阻抗特性。两种介质的声阻抗 特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比， 接近于1:80000,所以当声波垂直入射在空气与金属的界面上时，几乎是百分之 百地被反射。温度的变化对声阻抗特性值有显著的影响，实际中应予以注意。（ 3）声的吸收：传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一，固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。 例如： 均匀介质对超声波的吸 收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。2.1.2 超声波的发生原理通常正常人耳朵的听力的声波范围是20Hz20kHz,超声波是指振动频率在20kHz 以上的声波。因为它的

24、振动次数甚高，超出了人类的听觉上限，人们把这种听不见的声波叫做超声波。 超声波和可闻声在本质上其实是一致的， 它们的共同点都是机械振动波， 是一种纵波， 在弹性介质内传播。 它们在本质上是一种能量的传播形式， 其不同点是超声波频率较可闻波频率高， 波长也短， 在一定范围内可沿直线传播， 且具有良好的束射性和方向性。 超声波为直线传播方式， 频率越高， 绕射能力越弱， 但反射能力越强， 为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产生超声波， 根据

25、使用目的的不同来选用其振荡电路。 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。 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，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

26、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。2.2 超声波传感器的原理与特性2.2.1 原理用超声波作为检测手段，应能发射超声波和接收超声波。可将超声波与电量做转换的装置称为超声波传感器。 习惯上称为超声波换能器或超声波探头。 常用的超声波传感器有两种， 即压电式超声波传感器（ 或称压电式超声波探头） 和磁致伸缩式超声波传感器。（ 1）压电式超声波传感器压电式超声波传感器主要由超声波发射器（ 或称发射探头） 和超声波接收器（ 或称接收探头）两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英，压电陶瓷等）的压电效 应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机

27、械振动产生超声波， 以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号 时，以此作为超声波的接收器。由一个在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器也可合成为一体, 压电元件作为发射和接收”兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元 件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超 声波，并将反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种 压电式传感器。（2）磁滞式超声波传感器磁滞式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组成。 超声波的发射原理是：把铁磁 材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是：当超声波 作用在磁致

28、材料上时，使磁滞材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理， 使线圈产生相应的感应电势输出。本项目所用的压电式超声波发生器。 压电式超声波换能器是利用压电晶体的 谐振来工作的 。超声波换能器内部结构如图2-1所示，它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换能器了。 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。MM

29、图2超声波发生器内部结构超声波测距原理为：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340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离（S）,即：S=340t/2这就是所谓的时间差测距法也有称为渡越时间法TOF（time of flight ）,见图2-2。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以具有发 送和接收声波 的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有 专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器

30、用作接收超声波； 兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率（中心频率）有23kHz、40kHz、75kHz、200kH乙400kHz 等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。超声淞测距示意图2.2.2特性现以MA40S2根收器和MA40S2SS：送器为例说明超声波传感器的各种特性，表2-2示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为40kHz,这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率， 而接收时各自使用并联谐振频率。表-2超声波传感器iLU0S2R S的将性种类特性MA40S2R 接收X1A40

31、S2S 发送标称频率40kHz灵敏度-74dB 壮100JB以上而见6kHz yJi(-fiOdB)kHz：以上（9响电容1600pFIGOOpF绝缪电阻10。MQ以上温度特性-601c范围内灵敢度变化在10dB以内超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措 施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化 使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频 率调整和阻抗匹配。MA40S2R/S专感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低， 为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。图2-3表示传感器方向性

32、的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测 灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。4-OMA4054S接收超声波发送超声波图2-3传感器的方向性超声波测距仪的测距原理超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。其 中，相位检测法精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射介质的影响。 因此，当前超声波测距一般使用渡越时间法。本系统的特点是采用AT89S52单片 机作为控制器，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，用动态扫描法实现测距的LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器产生， 超声波测距系统组成框图见图2-4。障碍物国A4超声波测距系统

33、原理图如图2-5所示，超声波测距系统是由控制电路、超声波接收电路、超声波发 射电路、显示电路及电源电路几部分组成的。超声波传感器的电源常由外部供电， 一般为直流电压，电压为+5V左右，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传 感器工作。下面将分别介绍控制电路也即单片机最小系统、发射电路、接收电路、及显示电路S 2-5超声波测距系统的构成单片机最小系统其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。单片机最小系统主要由 AT89S52单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。在外部振荡电路中， 单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MH晶振和两个33pF电容构成的振 荡电路两侧，为电路提

34、供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RST管脚一方 面由VCCg 22 F的电容与按键并联在接个1K的电阻至地，实现按键复位。复 位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。而且单片机最小系统也是本次课题设 计的控制中心，由它负责超声波的发出与接收，计算并处理测量结果，最后将结 果通过P0 口显示出来。可以说它是整个设计的核心所在，好比大脑之于人类的 重要性。如图2-6即为单片机最小系统。C2 - Hb ”p .C3TF.痛.12M -人1ST Al TFO .3/ALj pnOCTrCalPU.r/Wi1P2.DJASR2.1 ,A9PSENP2.3W.t1ALESP22EA,J.biW 3I

35、.JA 4Fl JLIH 2Fl .1/1ri /PJ.jfJINIJKI WPo. J JH11Fl .4rJ-4/lQri sKM J11ri Jga4十rjJglVMiP .7U1.ALE 3。-VJ土,44二15 E HtT弓，ZLfLsKI 工珀IB * 35或2Z jd图2-6单片机最小系统超声波发射电路超声波发射电路如图2-7所示，AT89C52!过外部弓I脚P1.0输出脉冲宽度 为25 a s ,40kHz的20个脉冲用通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传 感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比，为了使测距范 围足够远，可对振荡信号进行功率放大后再加在超声

36、波传感器上。发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。 驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一审其频率与探头中心频 率一致且能量足够大的脉冲即可。 发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。 本设 计中采用的是由单片机发出40kHz的方波，单片机P1.0输出的40kHz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。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端， 可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。 加

37、上拉电阻一方面可以提高反向器 74HC04t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，缩短其自由振荡的时间。该测距电路的40kHz方波由单片机编程产生，方波的周期为 1/40ms,即25仙s,半周期为12.5 ps0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。超声波接收电路超声波接收器接收反射的超声波转换为 40KHz毫伏级的电压信号,需要经过 放大、处理、用于触发单片机中断INT0。一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同信号大小变化较大，需要放大倍数大约为100到5000倍，另一方面传感器输出阻抗较大，这就需要高输入阻抗的多级放大电路， 这就

38、会引入两 个问题：高输入阻抗容易接收干扰信号，同时多级放大电路容易自激振荡。 参考 各种资料最后选用了 SONg司的专用集成前置放大器 CX20106达到了比较好的 效果。CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型 电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能， 可以保证在超声波传感器 接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载。具带通滤波器中心频率可由芯片脚 5的外接电阻调节。功能可 描述为：在接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其输出脚7脚输出低电平。芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。如图 2-8所示

39、：检靓暮及 前置放大修“放大克藕蒂梅被卷比较器 整形 常后比较二iJ |出 Cl |C2 CND 阮 C3 OUT V。ETSET 红外信号增拄楼剿端 地带通浊波取分端信号噌潦墙 精人瑞调节端器词箓策看出第图2-8内部结构框图超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。超声波接收器包括超声波接收探头、CX20106M理两部分，如图2-9。超声波探头必须采用与 发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效 果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，经过 CX20106A 处理后产生负跳变，引起单片机的外部中断。图2-9接收部分电路图超声波测距仪显

40、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LEDD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，刚好与共阴极接法向反。LED数码管具有亮度大，响应速度快等优点。LED显本器有静态显小和动态显小两种。本设计中米用动态显小 方式，以实时显示距离变化。电路图如图2-10所示。本设计采用单片机直接驱动 LED的方法，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，由单片机

41、直接驱动LED显示，电流较小，LED虽然有显示但是比较暗，因此用了 74HC57睐对电流进行 放大可解决这个问题。图2-10显示电路图本章小结本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性， 超声波发送器就是利用 压电逆效应的原理产生超声波的。超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分、显示电路以及电源部分构 成。超声波的测距原理，它包括对单片机的最小系统、超声波发射电路、超声波 接收电路及显示电路的介绍。3 超声波测距系统软件设计3.1 超声波设计概述本系统采用模块化设计，由主程序、定时子程序、显示子程序及外部中断服务子程序组成。 超声波测距的原理为超声波发生器T 在某一时刻发出一个超声波信号

42、，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间 T12 ， 就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：d = s/2 =（ c*t ） /2（ 3-1 ）其中， d 为被测物与测距仪的距离， s 为声波的来回的路程， c 为声速， t 为声波来回所用的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。 当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0 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

43、时间差，计算距离。当系统进入超声波接收中断程序后，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。测出的结果将以十进制BCM方式送LED显示，然后再发超声波脉冲 重复前面的测量过程。3.2 主程序流程图单片机编程产生超声波， 在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时， 接收到回波后， 接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号， 响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序， 停止计时， 读取时间差， 计算距离，

44、 然后通过软件译码， 将数据输出 P0 口显示。主程序的流程图如图 3-1 所示：主程序首先是对系统环境初始化， 设置定时器T0 工作模式为 16 位定时计数器模式，T1为定时器T2模式，开中断IE,再设置超声波个数。再开 T0,调用 显示程序。由于采用的是12 MHz的晶 振，计数器每计一个数就是1s,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）按式3-2 计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20时的声速为 340 m/s 则有：d = （ c*t ） /2 = 340*T0/2（ 3-2 ）其中， 0T 为计数器 T0 的计算值。测出距离后

45、结果将以十进制 BC则方式送往LED显示，然后再发超声波脉冲 重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离， 主程序采用C语言编 写。开始图3-1系统流程图4 电路调试及误差分析4.1 系统的调试硬件电路制作完成并调试好后， 便可使用合适的软件编程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10200cmi测距仪最大误差不超过5cmi下面介绍 本系统所采用的编程调试软件的使用及程序下载。Keil软件是目前最流行开发 MCS-51系列单片机的软件，K

46、eil提供了包括C编译器、 宏汇编、 连接器、 库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境( uVision )将这些部份组合在一起，掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机来说是十分必要的，如果你使用C语言编程， 那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用 C语言而仅用汇编语言编程，其 方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。使用 Keil 工具时你的项目开发流程和其它软件开发项目的流程极其相似：1 创建一个项目从器件库中选择目标器件配置工具设置2用C语言或汇编语言创建源程序用项目管理器生成你的应用修改源程序中的错误测试连接应用下载程序到

47、单片机4.2 系统的误差分析4.2.1 声速引起的误差声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。图 4-1为测量的温度- 声速图。图4-1空气中温度-声速图(4-2)由图4-1可见，当温度8从040c变化时，将会产生7%勺声速变化，因此， 为了提高测量准确度，计算时必须根据温度进行声速修正。 工业测量中

48、，一般用 公式计算超声波在空气中的传播速度，即：c = 331 + 0.69单片机的影响根据超声波测距公式，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距 离传播的时间误差引起的。不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时器， 都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。相对而言，单片机的时间分辨率还是不太高，如晶振频率为12MHz寸，时间分辨率为1ps。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勺误差。使用的12MH岛体作时钟基准 的89C52单片机定时器能方便的计数到1 2的精度，因此系统采用 AT8

49、9C52S 时器既能保证时间误差在1mm勺测量范围内。其他的误差如：超声波对目标的入射角的影响；超声波的发散导致结果偏小;空空寻寻O4.3 提高测距精度的方法上节分析了超声波测距系统误差产生的一些原因， 如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下：.合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。超声测距的工作频率选择40kHz较为合适；发射脉宽一般应大于填充波周期 的10倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1m,脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度， 速度快， 脉冲发射周期可选短些。. 提高计时精度，减少时间量化误差。如采用芯片计时器，计时器的计数频

50、率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小， 例如： 单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一， 当 晶振频率6MHz时，计数频率为0.5MHz,此时在空气中的测距时间量化误差为 0.68mm当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz此时测距时间量化误差为 0.34mm若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率， 时间量化误差更小。5. 结束语本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。 给出了硬件 和软件的设计方案。 超声波传感器是本系统的核心器件， 本论文详细地介绍了超声波传感器的原 理、 结构和超声波测距仪的测距原理。 只有深入地了解超声波传感器

51、的工作原理， 才能更好的设计测距电路。 单片机是本系统的控制部分， 采用 Atmel 公司生产的 AT89S52片。驱动超声波传感器的40kHz的方波信号，就是由单片机编程产生 的。本系统的发射电路采用74HC04反向器，通过它对单片机产生的方波信号进 行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用的是CX20106A通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形， 最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。 本系统 的LED显示部分采用的是动态显示方式。单片机内部采用C语言编程，方波信号 的产生、 时间差的读取、 距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速

52、度快、控制简单方便制作简单，成本低廉等优点。测距范围从10cm到200cn1测量精度在土 5cm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合， 都有很重要的作用。 但由于经验不足， 电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。总体来说，在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益匪浅。了解了超声波传感器的原理， 学会了放大电路的分析、 设计， 也掌握了单片机的开发 过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、焊板、调试、改进等整个过程， 有了更深入的理解和掌握。 这些对我今后的学习和工作都会有很大帮 助。致谢首先， 我要感谢我的专业老师在毕业设计中对我给予的悉心指导

53、和严格要求，同时也感谢本校的一些老师在课题设计期间所给予我得帮助。 在我课题设计期间，各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀， 没有您们这样的帮助和关怀， 我不会这么顺利的完成课题设计， 借此机会， 向您们表示由衷的感激。接着，我要感谢和我一起做课题设计的同学。在课题设计的短短的时间，你们给我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助，在此也真诚的谢谢你们。同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友， 正是在这样一个团结友爱， 相互促进的环境中，在和他们的相互帮助和启发中，才有我今天的小小收获。还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的朋友，在此无法一一列举，在此也一并表示衷心地感谢！参考文献路 锦 正 , 王 建 勤 , 杨 绍 国 等 . 超 声 波 测 距 仪 的 设 计 传 感 器 技 术 J,2002,21(8):29.郑志聪 . 超声波测距技术J. 研究与探索,2008