超声波测距实验报告

超声波测距实验报告电子综合实验课程报告课题名称:超声测距仪专业:生物医学工程班级:，，级生物医学,，班姓名:敖一鹭刘晓莎尹曼邹燕一引言随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其他方法相比，如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差;二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义。为了今后能够为社会做出更多有益的发明发现，超声测距课程设计应运而生。二课题要求以单片机AT89C51为中心控制单元，配以超声波发射、接收装置，实现超声波发射及接收其遇到障碍物发生反射形成的回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，设计出一套基于单片机的脉冲反射式超声波测距系统，利用单片机进行操作控制，用数码管作输出显示，设计发射、接收、检测、显示硬件电路和测距系统软件。三基本要求1能实现测距操作；2能清晰稳定地显示测量结果，具有测量完成提示；3能正确实现单次测量；4测量范围在0.5——2m;5测量精确度2cm。四提高要求6能实现单次测量和连续测量两种测量方式；7测量结果能够用语音播报；8测量范围在0.24——3.5m;9测量精确度1cm。五方案论证我们知道，由于超声波指向行强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常被用于距离的测量。利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。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;另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;他们所产生超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各布相同。目前在近距离测量方面较为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的因素，本例决定采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超生波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器系统设计框架如图所示LED显示超声波接收单片机控制器超声波发送扫描驱动六系统硬件电路的设计主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对超声波模组进行控制，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。1.显示电路单片机采用89C51。采用12MHZ高精度的晶振，以获得较稳定地时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHZ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。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码用电阻来驱动，位码用PNP三极管驱动。单片机系统及显示电路如图单片机的,，，，，口对应着数码管的,，；，，，，，，的段选位，分别对这八个端口编程进行驱动显示。三极管从左到右分别接在单片机的,，，，，，，，，，，的各个端口，通过编程控制其位选，在测量中用以显示测得的距离大小。，，，，，，，，，，，各个端口接

了三个开关，用以区分在测量中的单次和多次连续测量，以便实现更多的功能。接在,，，，，和,，，，，上的晶振用来对射极电感的稳频，使发出的超声频率稳定以及接收稳定测量结果的稳定。在安全范围内，可以实现距离的准确测量和显示，当超出安全范围则以蜂鸣器响起以示警报。2.超声波发射电路b;_H警报。2.超声波发射电路b;_HH」发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的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。两个1K的电阻一方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力，另一方面可以曾庆超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。3.超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，CX20106A红外线遥控接收前置放大电路，多适用于电视机。内部电路由前置放大器，自动偏置电平控制电路(ABLC)、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。CX20106A是CX20106的改进型，二者之间的主要差别在于电参数略有不同。CX20106A也同样适用于超声波测试，主要频率在38KHZ~41KHZ，在超声波应用中通常选取40KHZ。当CX20106A接收到40KHz(发射频率和解制必须一致)信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入用于计算时间差。在实际调试的时候只关心芯片的7脚在收到信号是是否有一个下降沿产生。在本电路的调试中，如果一直发射超声波，在7脚将会有周期的低电平产生。不会像通常认为的那样，即一直发射信号时，7脚一直为低电平。这是刚用CX20106时的一个常见错误。只要通过单片机来来计算发射信号时到收到信号是产生下降沿这段时间的长度，再通过数学计算，转化为距离，然后在显示器上显示。实验证明用它接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适合更改和超声波换能器并联的电容的大小可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。电路图如下所示：

4.报警系统报警模块的功报警系统的功能能是，当传感器与障碍物的距离不小于设定值时，绿色指示灯闪亮;反之，红色指示灯闪亮，蜂鸣器发声，提示人员注意安全距离。5复位功能为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V?5%，即4.75,5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。I■ ■ |>r日、，10k11inI._11 [6换能器压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板驱动产生超声波，这是它是一个超声波发生器;反之，如果两电极间没有外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，使机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器和接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清。七系统程序的设计超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接收中断程序及显示子程序组成。本设计中采用C语言来编程。超声波测距器的算法设计图3.6示意了超声波测距的原理，既超声波发生器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后反射回来，就会被超声波接收器R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，就可算出超声波发生器于反射物体的距离。该距离的计算公式如下：d=s/2(vXt)/2其中：d为被测物于测距器的距离;s为声波的来回路程;v为声速;t为声波来回所用的时间。超声波也是一种声波，其声速v于温度有关。表3.1列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变的。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。表为不同温度下超声波声速表温度/?,30,20,100102030100声波/(m.s)313319325323338344349386主函数主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口P0和P2清0;然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传到接收器引起的直射波，需要延时约0.1ms(这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因)后才可打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，计数，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0器每计一个数就是1us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器之间的距离。设计时取20?时的声速为344m/s，则有(vXt)/2=(172T/10000)cm(3—2)d=其中:T为计数器T0的计数值。测出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约为0.5s