超声波传感器及超声波测距文档格式.doc
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距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。
尽管测距有多种方式,比如,激光测距,微波测距,红外线测距和超声波测距等。
但是,超声波测距不失为一种简单可行的方法。
虽然超声波测距电路多种多样,甚至已有专用超声波测距集成电路。
但是,有的电路复杂,技术难度大,有的调试困难,有的元件不易购买。
本文介绍的电路,成本低廉,性能可靠,所用元件易购,并且利用测距原理,结合单片机的数据处理,使测量精度提高,电路实现容易,无须调试,工作稳定可靠。
目录
前言 I
第一章绪论 1
1.1选题背景及研究意义 1
第二章方案论证 2
2.1超声波测距原理 2
2.2系统的工作原理 2
第三章系统硬件电路的设计 4
3.1AT89C52单片机 4
3.2超声波发射电路 5
3.3超声波接收电路 8
第四章系统软件设计 12
4.1超声波接收发射软件设计 12
4.2LCD液晶显示部分软件设计 13
4.3超声波传感器程序..................................................................15
结论 19
参考文献 20
第一章绪论
1.1选题背景及研究意义
1.1.1选题背景
在日常生活中，有各种各样的测距仪。
与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。
而且超声波还有其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点。
超声波测距是一种非接触式测量,广泛应用于倒车防撞雷达、机器人接近觉、海洋测量、物体识别等领域。
1.1.2研究意义
本设计是超声波测距仪装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。
因此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。
在日常生活中起了广泛的作用。
第二章方案论证
2.1超声波测距原理
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
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
超声波测距通常采用度越时间法,即利用s=vt/2计算被测物体的距离。
式中s为收发头与被测物体之间的距离,v为超声波在介质中的传播速度（v=331.41+T/273m/s）,t为超声波的往返时间间隔。
工作原理为:
发射头发出的超声波以速度v在空气中传播,在到达被测物体时被其表面反射返回,由接收头接收,其往返时间为t,由s算出被测物体的距离。
T为环境温度,在量精度要求高的场合必须考虑此影响,但在一般情况下,可舍去此法,由软件进行调整补偿。
由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，附表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。
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，就可以求出距离。
这就是超声波测距原理。
表1温度与声速的关系
温度（℃）
－30
－20
－10
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
333
338
344
349
386
2.2系统的工作原理
系统的工作是由软件和硬件的配合过程。
先由微机使555使能端置1，继而555送出40kHz频率的方波信号经过压电换能器（超声波发射头）将信号发射出去及发射超声波,同时该时刻启动定时器开时计时。
该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。
同时,压电换能器（超声波接收头）将接收的回波及接收超声波,通过信号处理的检波放大，及通过三级放大后再送到比较器进行比较输出比较电压,输出电压经过三极管以后，使之电压与AT89C52的I/O口相匹配最后送至微机处理。
最后进行LCD液晶显示同时配上美妙的音乐。
超声波测距系统设计框图如图2.1所示。
微处理器
AT89C52
LCD液晶显示
温度采集
超声波发射
超声波接收
音乐播放
±
5V电源
图2.1超声波测距系统组成框图
第三章系统硬件电路的设计
硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路和电路音乐回放电路等部分组成。
3.1AT89C52单片机
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。
本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。
如图3.1所示。
Vcc
GND
C3
22UF
R2
1K
R1
200Ω
RESET
晶振
C2
30PF
C1
Vcc
XTAL1
RST
XTLL2
Vss
图3.1单片机的最小电路
3.1.1时钟电路
计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲
是由单片机控制器中的时序电路发出的。
单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。
为了保证各部件间的同步工作。
单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。
要给单片机提供时序要有相
关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。
因此选择了内部时钟方式。
利用蕊片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图1所示，外接晶振时，C1和C2值通常选择为30PF左右。
C1，C2对频率有微调作用。
晶体的频率范围可在1.2～12MHZ之间选择。
在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。
可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机蕊片靠近。
3.1.2复位电路
有图可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与Vcc电源接通。
复位是单片机的初始化操作。
单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
因而，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。
3.2超声波发射电路
发射电路由555构成的多谐振荡器和超声波发射头组成。
3.2.1多谐振荡器
采用555构成多谐振荡器可以实现宽范围占空比的调节!
并且电路设计简单!
占用面积小。
如图3.2所示，由单片机AT89C52的P2.3口发出同步脉冲信号!
该同步脉冲启动多谐振荡器!
使其输出40KHZ的高频电压信号!
经过整形直接加至超声波换能器探头!
根据逆压电效应!
产生振动频率为40KHZ的超声波。
图3.2超声波发射电路
接通电源后，电容C被充电，VC上升，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使VC下降。
当VC下降到1/3VCC时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
当C放电结束时，T截止，VCC将能过R1，R2向电容器充电，VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间为
当VC上升到2/3VCC时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为
由于555内部的比较器的灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压的温度变化的影响很小。
Vc
Vo
2/3vcc
┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄
1/3vcc
图3.3555的工作波形图
从555的工作波形图，可看出占空比是固定不变的。
为了调解的方便，我把R1和R2都换成了电位器，就形成了占空比可调的电位器。
使的超声波的发射电路更加具有高效性。
也能满足波尽可能的减小失真。
从面达到测距更长的效果。
3.2.2超声波传感器
从图3.2超声波的发射电路上看还有一个超声波传感器。
它具有把电信号转化为机械信号，同时又能把机械信号转化为电信号的功能。
在设计中选择了压电式超声波发声器。
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。
超声波发生器内部结构如图3.4所示，它有两个压电晶片和一个共振板。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。
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。
本文所采用的超声波传感器是T/R-40-16（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16表示其外径尺寸，以毫米计）
压电晶片
电极
共振
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