超声波测距的简单设计

1、1 一 超声波测距的意义 一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。利用超声波 就可以解决这些问题。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而由于 超声测距是一种非接触检测技术，超声波测量精确度高，成本低，性能稳定备 受青睐。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，使得超声波可以用于距离的 测量中。超声波测距技术正在被广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、农业 用水、环保检测、食品、防汛、水文、空间定位、公路限高等行业中。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， 这些年来，随着超声波技术研究

2、的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、 非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制 造、电子冶金、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、等领域中也占据重 要地位。 国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的 研究。超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中 的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传 输时间的不确定度来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者 结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。 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。测距仪 是一种新型非常

3、重要有用的工具，尚有很大的发展空间。在新世纪新的测距仪 一定将发挥更大的作用。 二 超声波测距离的原理 2.1 超声波 超声波是一种超过人能听到的最高频（2 万赫兹）的声波。在一定距离内传播 具有良好的束射性和方向性。根据波动中质点振动方向于波的传播方向的不同 关系，分为横波、纵波、表面波、板波和兰姆波。本文应有的主要是超声纵波。 2.2.1 超声波传感器 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。利用超 声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把 电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉 冲激励下可将电能转换为机械能，

4、向外发送超声波；反之，当换能器处在接收 状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。 2.2.2 超声波测距原理 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在 发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点 到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。 超声波在空气中的传播速度为 v，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的 时间差t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即：s=vt/2 这就是时间 差距法 由于超声波也是一种声波，其声速 v 与温度有关。在使用时，如果传播介质温 度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变

5、的。否则， 必须进行温度补偿,通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正： 2 v 为超声波在空中的传播速度，0时为 331m/s,25时为 347m/s，其与环 境温度 T（）的关系如式 v=331.4+0.61T 温度 （） -30-20-100102030100 声速 （米/ 秒） 313319325332338344349386 表 1 声速于温度关系表 三 超声波硬件设计 2.1.1 51 系列单片机的功能特点 5l 系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用 40 引脚双列直插封装(DIP)形式， 内部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 个 16b 的定时计数

6、器 TO 和 T1，4 个 8 b 的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。 特别是该系列单片机片内的 Flash 可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其 在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统 中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图 2-1 所示。 5l 系列单片机提供以下功能：4 kB 存储器；256 BRAM；32 条工O 线；2 个 16b 定时计数器；5 个 2 级中断源；1 个全双向的串行口以及时钟电路。 空闲方式：CPU 停止工作，而让 RAM、定时计数器、串行口和中断系统继 续工作。 掉电方式：保存 RAM 的内

7、容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下 一次硬件复位。 3 5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的 片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。 基于单片机 AT89C51 的超声波测距仪整体主要包括显示电路、超声波发射电路、 超声波检测接收电路。 3.1 超声波发射电路 超声波发射电路主要由反向器 74LS04 和超声波发射器 T 构成，单片机 P1.0 端 口处处的 40kHz 的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，用这种推换形式将方 波信号加到超声波换能器的

8、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。上位电阻 R10、R11 一方面可以提高反向 器 74LS04 输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，缩短其自由振荡时间。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。超声波发

9、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。 4 3.2 超声波检测接收电路 超声波检测接收电路主要是由集成电路 CX20106A 组成，它是一款红外线检波 接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波 频率 38kHz 与与测距的超声波频率 40kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检 测接收电路。实验证明用 CX20206A 接收超声波（无信号时输出高电平） ，具 有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适合更改电容 C4 的大小，可以改变电 路的灵敏度和抗干扰能力。 3.3 显示电路 显示电路采用 4 位共阳 LED 数码管，根据 LED 数码管内

10、部发光二极管的连接 方式，数码管结构可以分为共阳极型和共阴极型两种，共阳极型的内部发光二 极管是由阳极连在一起接高电平。 四 软件设计 超声波测距仪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。计算机的程序设计中可以用到 3 种语言：机器语言、 汇编语言、高级语言。C 语言是高级语言中的一种，本文主要是考虑的 C 语言 编程。 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，主程序完成初始化工作、各路超声 波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射， 外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。 5 五 调试 1 将焊接

11、完成的硬件与设计的硬件电路图重新对照一下，检查是否有多焊、漏 焊以及错焊等情况。2 用万能表检测硬件电路是否有断接、短接等情况，同时 重点检查一下高、低电平的连接有没有错误。3 检查通电后电路运行是否正常。 4 编译程序检查元件能否正常工作。5 在一定距离内超声波测距仪的测量精度 与测量范围进行调试运行。 结论 在编写论文的过程中我查阅了相关的资料以三年所学为基础编写了此文。我 也了解到目前超声波测距方面发展迅速是未来的新型产业；我国在超声波运用 方面还有待发展，在论文的编写过程中使我的所学知识更加系统化，激发了我 的兴趣，使我感觉收获颇多。我相信在以后的工作中可以通过所学完成任务， 但是由于

12、我的水平有限，文中有很多不足之处，望老师多多指正。 6 参考文献 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993 时德刚，刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制,2002.10 胡萍. 超声波测距仪的研制计算机与现代，2003.10 致谢 在论文的编写过程中我遇到了许多的困难，在此我要感谢我的指导老师在 百忙之中对我进行指导帮助我解决了很多关键问题。感谢与我同组完成“超声 波测距”的同学们，如果不是我们的分工研究、团结合作我根本无法完成此次 论文的编写设计。我还要感谢学院和老师在几年中对我的指导和教育。感谢家 人朋友对我的支持。同时向答辩委员会审阅我论文的各位专家领导表示衷

13、心感 谢。 程序清单 #INCLUDE #DEFINE K1 P3_4 #DEFINE CSBOUT P3_5 /超声波发送 #DEFINE CSBINT P3_7 /超声波接收 #DEFINE CSBC=0.034 #DEFINE BG P3_3 UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/显示标识 UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/0 9 段码 UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ

14、1,SJ2,SJ3,MQS,SX1; BIT CL; VOID CSBCJ(); VOID DELAY(J); /延时函数 7 VOID SCANLED(); /显示函数 VOID TIMETOBUFFER(); /显示转换函数 VOID KEYSCAN(); VOID K1CL(); VOID K2CL(); VOID K3CL(); VOID K4CL(); VOID OFFMSD(); VOID MAIN() /主函数 EA=1; /开中断 TMOD=0X11; /设定时器 0 为计数，设定时器 1 定时 ET0=1; /定时器 0 中断允许 ET1=1; /定时器 1 中断允许 TH0

15、=0X00; TL0=0X00; TH1=0X9E; TL1=0X57; CSBDS=0; CSBINT=1; CSBOUT=1; CL=0; PTO=0XFF; JPJS=0; SJ1=45; SJ2=200; SJ3=400; K4CL(); TR1=1; 8 WHILE(1) KEYSCAN(); IF(JPJSSJ3) BUFFER2=0X76; BUFFER1=0X76; BUFFER0=0X76; ELSE IF(SSJ1) BUFFER2=0X40; BUFFER1=0X40; BUFFER0=0X40; ELSE TIMETOBUFFER(); ELSE TIMETOBUFFE

16、R(); /将值转换成 LED 段码 OFFMSD(); SCANLED(); /显示函数 IF(SSJ2) BG=0; BG=1; VOID SCANLED() /显示功能模块 9 DIGIT=0X04; FOR( I=0; I=1; /循环右移 1 位 VOID TIMETOBUFFER() /转换段码功能模块 XM0=S/100; XM1=(S-100*XM0)/10; XM2=S-100*XM0-10*XM1; BUFFER2=CONVERTXM2; BUFFER1=CONVERTXM1; BUFFER0=CONVERTXM0; VOID DELAY(I) WHILE(-I); VOI

17、D TIMER1INT (VOID) INTERRUPT 3 USING 2 TH1=0X9E; 10 TL1=0X57; CSBDS+; IF(CSBDS=40) CSBDS=0; CL=1; VOID CSBCJ() IF(CL=1) TR1=0; TH0=0X00; TL0=0X00; I=10; WHILE(I-) CSBOUT=!CSBOUT; TR0=1; I=MQS; /盲区 WHILE(I-) I=0; WHILE(CSBINT) I+; IF(I=2450) /上限值 11 CSBINT=0; TR0=0; TH1=0X9E; TL1=0X57; T=TH0; T=T*256+TL0; S=T*CSBC/2; TR1=1; CL=0; VOID KEYSCAN() /健盘处理函数 XX=0; IF(K1!=1) / 判断开关是否按下 DELAY(400); /延时去抖动 IF(K1!=1) / 判断开关是否按下 WHILE(!K1) DELAY(30); XX+; IF(XX2000) JPJS+; IF(JPJS4) JPJS=0; 12 XX=0; SWITCH(JPJS) CASE 1: K1CL();BREAK; CASE 2: K2CL();BREAK; CASE 3: K3CL(