51单片机超声波测距详细设计.docx

51单片机超声波测距详细设计.docx

《51单片机超声波测距详细设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《51单片机超声波测距详细设计.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

51单片机超声波测距详细设计

密级：

超声波距离探测器的设计

Designofultrasonicdistancederector

学院：

42442423434324

专业班级：

测控技术423

学号：

￥@#￥#@￥@4

学生姓名：

###

指导教师：

###（副教授）

2009年6月

毕业论文指导教师审阅意见

评语：

指导教师：

年月日

题目：

超声波距离探测器的设计

毕业论文评阅教师审阅意见

评语：

指导教师：

年月日

题目：

超声波距离探测器的设计

毕业论文答辩成绩评定

专业毕业论文第答辩委员会于

年月日审定了班级学生的毕业论文。

毕业论文题目：

毕业论文说明书共页，设计图纸张。

毕业论文答辩委员会意见：

成绩：

专业毕业论文答辩委员会

主任委员

中文摘要

本论文比较详细介绍了一种基于单片机的超声测距设计系统，可以用于智能停车场作为车位是否有车的传感器。

该系统是以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。

本系统的安装和使用较方便，价格便宜，并可与无线测控系统配合使用，有非常广阔的应用前景。

本文的超声波测距仪主要是依据智能停车场来设计，但也可以稍加改动用于其他用途。

超声测距仪的设计原理是以得到更好的系统性能为目的的。

为达到不同的测距范围，单片机可以根据软件来设置远近两种发射模式，即近距离测量时使用8个脉冲串，远距离测量时使用32个脉冲串来增强回波信号，根据回波信号特点来得到了最佳接收机的组成。

论文简单讲述了超声波检测的发展和原理，介绍超声传感器的工作原理及特性，并对于影响测距系统的一些主要参数进行了说明。

在介绍超声测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。

针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。

介绍了AT89S51单片机在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。

最后测距仪进行验证。

各主要技术指标均达到设计要求。

该测距仪对室内停车场有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分析了误差产生的原因及如何对系统进行完善提出了一些改进建议。

关键词:

超声波;智能停车;超声传感器;超声测距;单片机

ABSTRACT

ThethesisintroducesakindofultrasonicdistancemeterSystemindetailbasedonmicrocontroller.Itcanbeusedassmartcarparkingsensors.Thesystemcouldmeasurecertaindistancewiththetimebetweentransmitwaveandreflectedwaveonconditioninwhichthespeedoftransmittingwaveisfixed.Itiseasytobeinstalledandapplied,lowinpriceandcapableofbeingusedincombinationwithtelemeteringtelecontrolsystemandhasextensiveapplicationprospects.

Thisultrasonicrangefinderinthearticleismainlydesignedbasedonthesmartparking,butitmayalsobemodifiedforotherpurposes.Theschemeofeachpartisdesignedtoacquirebetterperformanceoftheultrasonicrangefinder.Inordertomeetthedifferentdistancerange,itarrangestwotransmittingmodesinaccordencewithsoftwareinmieroeontroller:

highgainreflcetedwavetofarmodewiththirtytwoPulses,whilelowgainreflcetedwavetonearmodewitheightpulses.Wegetoptimumreceiverthatisbasedonthecharactersofthereceivingwaves.

Thispapersummarizesthedevelopmentandfoundationalprincipleofultrasonicdetection.Thenitpresentstheworkingmechanizationandcharaetersofultrasonicsensor.Atthesametime,,itproposesthewholestructureofthesystembyintroducingthefunctionofultrasonicdistancethenthetransmission,receive,detection,displaysehemeofthisdistancemetersystemisbroughtout.SpecialaftertheapplicationofAT89S51microcontroller,itanalyzesthehardwareandsoftwarerealizationofeachpartinthissystem.

Finallythemaintechnicalindexesmeetthedesignrequirements.Itisprovedbyexperimentsthatthedesignoftheultrasonicrangefinderprovidedwithhighaceuracyandreliabilityinthesmartparkingstationinside.Intheend,thefurthermeasuresofmodificationarepresented.

KeyWords:

Ultrasonicwave;smartcarparking;Ultrasonicsensor;Ultrasonicdistancemeasurementsystem;Signalchipcomputer.

第一章绪论

介绍

社会在进步，随着经济生活的发展，随着人们生活水平的提高，在当今社会，车辆已经逐渐成为了人们日常生活中至关重要的一部分，我们知道我们越来越离不开汽车了，以车代步已经成为生活的一部分。

关于汽车的各种新技术也层出不穷，但是放眼望去，绝大多数的厂家和研究机构的研究方向过多的集中在了设备本来已经相当高级的车上。

而在平日的生活当中我经常会遇到这样的问题，如来到一个大型的停车场，要来购物或者有非常着急的事情，但是却往往找不到要停车的位置。

然而现在通常在有的有显示空车位停车场当中又不能智能引导汽车走到空着的车位。

在这种特殊的情况下，有通常会发生各种各样棘手问题而束手无策，譬如：

有很多车会堵在停车场门口处，又譬如浪费了很长时间找到车位又被其他车辆所占据，会导致打架的事情，直接导致家用车货车的搁浅，引起极大的不便。

再如长时间驾驶后在没有需要的停车位置的情况下停车休息，由于极度疲劳导致的贵重钱物丢失现象以及大型长途货车在停车场门口马路很窄的情况下由于很多待于停车的车辆堵车引起的倒车不便等等。

针对这些具体而实际的问题提出解决方案，节约资源时间，所以我们做一个智能车辆引导系统更具有现实意义。

随着计算机技术、自动化技术发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要。

例如，传统的如钢卷尺接触式测量仪器在测量一定距离时，这种仪器对高于3m的顶板安设困难，且测量不准确;对于横向变形量的测量，若安设于两侧之间，则妨碍人、车来往，如果不固定安设装，则测量精度很低，难以监测微小变形。

在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别，尤其在在工件运输过程中进行识别，则问题更为复杂与困难，因此人们急切需要各种非接触式的测距仪。

我们目前的非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达，红外线等。

但激光和雷达测距仪造价偏高，红外线测量距离又太短，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:

1.对于设计停车场来说，超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离，很合适;

2.针对停车场停车当中有的车有天窗，是玻璃或其他透明物质制的。

超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（如玻璃、抛光体）;

3.停车场应该是日夜工作的，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;

4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制[1]。

因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。

在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用[2]。

智能车辆引导系统是近年来随着汽车在生活中的普及而发展起来的一个研究热点。

有效的车辆探测装置对智能车辆引导系统的后续设计起着至关重要的作用。

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变同频率的其他形式的能的器件。

超声检测的原理主要是利用超声波作为载体，即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质木身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。

我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。

超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化[6]。

五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。

如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。

五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。

随后，上海同济大学研制出CTS一10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg，该仪器性能稳定，波形清晰。

但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。

直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS一10型仪器。

1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。

从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。

随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。

如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg。

七十年代，英国CKg重的PLJNDIT便携式超声仪。

1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。

该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5Kg。

同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。

从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广一应用无损检测技术奠定了良好的基础。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。

进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。

随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声仪研制呈现一派繁荣景象。

其中，煤炭科学研究院研制的Z000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。

其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单.，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。

与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。

过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。

高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基木情况一样，才可充分发挥其特有功能。

仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。

综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平

目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体力型。

电声型主要有：

1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。

流体动型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”[3]。

电子测距仪～5.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

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，公式L=（△t/2）*C简单易算，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。

超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合[4]。

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[5]。

所以就顺其自然的选择用超声波探测仪来进行探测停车位是否有车了。

。

1.2题设计内容及预期的目标

本文在理论方面对超声测距实际方案做了深入设计，在此基础上，开发出以Atmel89S51单片机为核心，采用4OKHZ压电超声传感器的超声测距仪。

在设计的时候，我利用超声波测距仪来测定停车位是否有车，并加以改进，就是在电路中，我不要求显示，但可以显示。

在软件上，独特的采用了每次开机时进行初始化，将第一次的测量距离放入单片机内的某个单元。

在以后的测量中，始终以初始化后存于内存中的数据为标准来进行比较，判断车位是否有车。

若相差较大则有车，否则无车。

本设计电路具有电路简单，集成度高，体积小，功耗低;测量精度及灵敏度高，测量距离广（-4cm到4m）;并且价格低廉，开发周期短，调试方便等优点，适合非接触测距的广泛应用。

1.3论文内容简介

在本论文的第一章当中，着重介绍课题的设计的相关意义目的目标等；在接下来的第二章中，论文有详细的介绍了超声波测距仪的原理综述及传感器的参数选择；在第三章又描述了超声波测距仪的总体硬件设计，和各部分电路的组成，最后简单介绍一下AT89C51单片机；第四章，介绍超声波测距仪的软件设计。

第5章，对本文进行总结，并对课题如果能进行下一步的设计的展望，总结缺陷。

第二章超声测距系统设计

波和超声波传感器

超声波

一、超声波及超声波波形的介绍

在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，我们生活的世界充满了各种可听的声信号。

声学是最早发展的学科之一。

我国两千多年前的先秦时期，在乐律和乐器的研究方面，对声学的发展作出了重要的贡献。

在国外，19世纪，声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。

然而超声波人们发现的就相对晚一点了。

由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。

我们知道以前在物理课中学过，人们可听到的声音频率为20HZ-20KHz，即为可听声波，超出频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，频率高于人类听觉上限频率（约20KHz）的声波，称为超声波，或称超声。

声波的速度越高，越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。

由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同。

一般有以下几种:

质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。

它能在固体、液体和气体中传播。

质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。

它只能在固体中传播。

质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波。

表面波只在固体地表面传播。

二、反射与折射

当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质的波称为反射波;另一部分则透过分界面，在另一介质能继续传播的波称为折射波，如图2-1所示。

图2-1波的反射与折射原理图

其反射与折射满足如下规律:

入射角α的正弦与反射角α’的正弦之比，等于波束之比。

当入射波和反射波的波形一样时，波速一样，入射角α即等于反射角α’。

入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波中介质的波速v，与折射波中介质的波速v2之比，即

（2-l）

当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声速在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，反射声强IR与入射声强I0之比，称为反射系数，反射系数R的大小为

（2-2）

式中:

IR为反射声强;I0为射声强;Z1为第一介质的声阻抗;Z2为第二介质的声阻抗。

在声波垂直入射时，α=β=0，上式可化简为:

（2-3）

若声波从水中传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为Z1=1.44*106，Z2=4*102，，代入上式则得R=0.999。

这说明当声波从液体或固体传播到气体，或相反得情况下，由于两种介质得声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。

三、声波的衰减

声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小，因此对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。

另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。

衰减的大小用衰减系数α表示，其单位为dB/m，通常用10-3dB/mm表示。

在一般探测频率上，材料的衰减系数在一到几百之间，如水及其他衰减材料a为（1-4）*l03dB/mm。

假如α为1dB/mm，则声波穿透lmm距离时，衰减为10%;穿透20mm距离时，衰减为90%[5]。

超声波传感器结构

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制成超声波传感器。

它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。

目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。

电声型主要有:

1.压电传感器;2.磁致伸缩传感器;3.静电传感器。

流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。

探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。

压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。

属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。

其具有下列的特性:

把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变;相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。

所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。

因此，用这种材料可以制成超声传感器。

传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。

当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。

前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。

超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。

这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。

在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。

也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。

如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号[7]。

图2-2双压电晶片示意图

双压电晶片如图2-2所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动

图2-3双压电晶片的等效电路

双压电晶片的等效电路如图2一3所示，C0为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗并联电阻0”和Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为损耗串联电阻。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率儿。

发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。

这样，超声传感器才有较高的灵敏度。

当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

图2-4超声波传感器结构

超声波传感器的结构如图2-4所示，它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。

在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。

双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。

这两处的支点就成为振子振动的节点。

金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波;接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。

超声波传感器的主要参数介绍及选择

一、主要参数

中心频率，即压电晶片的谐振频率。

当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。

中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。

常见超声波传感器的中心频率有有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。

灵敏度的单位是分贝（dB），数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。

指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。

一般为几度至几十度。

工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。

以石英晶片为例，当温度达到+290℃时灵敏度可降低6%。

一旦达到居里温度点（-573℃），就完全丧失压电性能。

供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在-20℃一+70℃温度范围内可以长期工作。

治疗用的超声波传感器温度较高，必须采取冷却降温措施[9]。

二、超声传感器的选择

超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头（接收纵波）、斜探头（接收横波）、表面波探头（接收表面波）、收发一体式探头、收发分体式双探头等。

超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。

一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发