基于51单片机的超声波测距仪课程设计报告文档格式.docx

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论文作者签名：

日期：

指导教师签名：

机电信息工程学院

单片机系统课程设计报告

系别：

电子工程系

专业：

通信工程

班级：

设计题目：

超声波测距

学生姓名：

指导教师：

一、设计任务和性能指标

1.1设计任务

设计一个超声波测距器，可应用在汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置测控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。

要求用AltiumDesigner6画出系统的电路原理图（要求以最少组件，实现系统设计所要求的功能），印刷电路板（要求布局合理，线路清晰），绘出程序流程图，并给出程序清单（要求思路清晰，尽量简洁，主程序和子程序分开，使程序有较强的可读性）。

1.2性能指标

1、测量范围10—80cm；

2、测量精度1cm；

3、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；

4、测量范围扩展为10cm—4m，提高测量精度。

二、设计方案

超声波测距仪是利用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 

。

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：

液位、井深、管道长度等场合。

目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。

超声波指向性强,穿透能力强,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。

但由于超声波传感器的成本较高,所以一般运用于专业领域,民用产品中运用较少。

考虑到一般情况下对测距的要求较低,可在一定程度上牺牲其精确度和测距范围,从而降低成本,使其运用范围大大扩展。

超声波测距系统主要由声波发射电路、回波接收电路以及信号采集电路、温度补偿电路等组成。

2.1硬件方案选择

（1）超声波发射电路

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。

超声波发生器内部主要由两个压电晶片和一个共振板组成。

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。

这种压电式超声波传感器是利用内藏的压电晶体的压电效应。

压电晶体在外电场作用下会产生机械变形，或者使压电晶体变形也会产生电压，前者称为逆压电效应，后者称为正压电效应。

利用压电晶体的逆压电效应，电路的高频电压会转换为高频机械振动，以产生超声波，作为超声波发生探头，利用压电晶体的正压电效应可将接收的超声波振动转换成电信号，作为超声波接收探头。

（2）超声波接收电路

超声波接收电路的作用是对接收的超声波信号进行放大，并将放大后的信号处理成系统可以处理的电平信号。

（3）温度补偿电路

超声波是一种声波，其声速c与温度有关。

如果测距精度要求很高时，则应通过温度补偿的方法加以校正。

温度测量可以使用数字温度传感器DS18B20。

（4）超声波测距器的算法设计

超声波测距的原理即超声波发生器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发射回来，就被超声波接收器所接收到。

这样只要计算出从发出超声波信号到返回信号所用的时间，就可以算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离的计算公式为：

其中d为被测物体与测距器的距离，s为声波来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

（5）系统硬件框图如图1所示。

图1系统硬件框图

2.2超声波测距器的软件

系统软件主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成，如图2所示。

图2系统程序结构框图

超声波测距器主程序利用外部中断检测返回超声波信号，一旦接收到返回的超声波信号，立即进入中断程序。

三、系统硬件设计

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STC89C55来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。

单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，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。

图3超声波测距原理框图

3.1单片机系统及显示电路

单片机采用STC89C55。

采用11.0592MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的LCD1602液晶显示电路，用P0做为数据口。

单片机系统及显示电路如图4所示。

图4单片机及显示电路原理图

3.2超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图5所示。

图5超声波发射电路原理图

压电超声波转换器的功能：

利用压电晶体谐振工作。

内部结构图6所示，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，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;

如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。

超声波发射转换器与接收转换器其结构稍有不同。

图6超声波转换原理图

3.3超声波检测接收电路

超声波检测接收电路采用集成电路CX20106A，如图7所示，这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与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。

实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当改变C4的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

图7超声波接收电路图

四、系统软件设计

超声波测距软件设计主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序、温度补偿及显示子程序和距离测量及显示子程序组成。

下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。

4.1超声波测距器的算法设计

下图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器所接受。

这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离计算公式：

其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

程序框图如图8所示。

图8距离计算子程序

声速c与温度有关，如温度变化不大，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时间，即可求得距离。

在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度被偿。

这里可以用DS18B20测量环境温度，根据不同的环境温度确定声速提高测距的稳定性。

为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。

不同温度下的超声波声速表

温度

（摄氏度）

-30

-20

-10

10

20

30

100

声速

（m/s）

313

319

325

323

338

344

349

386

4.2主程序

主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口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，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms（这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。

由于采用11.0592MHz的晶振，机器周期为1us,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）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,以20℃时的声速为344 

m/s为例，则有：

图9主程序框图

d=（C*T0）/2 

=172*T0/10000cm（其中T0为计

数器T0的计数值）

测出距离后结果将以十进制BCD码方式显示,然后再发超声波脉冲重复测量过程。

主程序框图如图9所示。

4.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送5个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。

超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一