基于单片机的超声波测距仪设计与实现.docx

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基于单片机的超声波测距仪设计与实现

引言

1．设计目的：

随着科技的进步，人们对测量的方法和测量的精度的要求也越来越高。

在日常生活中，工业活动和农业生产中，经常会遇到难以用常规办法进行测量的情况。

超声波指向性强、易于定向发射、强度好控制、能量消耗缓慢、传播距离较远、不受恶劣天气和光线影响，根据他的这些优点所设计的测量仪可实现比较迅速、方便的测量。

它设计比较方便，计算处理也较简单，易于做到实时控，测量时与被测物体无自接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。

超声波测量仪可用在不便于人工测量的地方，为生活中工作中，提供不可想象的便利。

如汽车倒车、建筑施工工地以与一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度等的实时测量场合。

超声波测距仪是非接触式测量仪。

得益于它的非接触式，它能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。

比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。

目前基于超声波测距的精度需求和盲区减小的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体气孔大小的检测和机械部损伤的检测等。

本设计结合超声波测距原理，传感器原理等，进行了系统的硬件和软件设计。

本设计为以MCS-51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。

本设计主要应用于短距离测量,设计的最终目的为:

测距围为0~10米；相对误差为＜±5%。

工作环境为-10℃~+55℃。

雨、雪、雾、黑夜均不受影响。

2．国外测距仪介绍：

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。

国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理。

在传统原理中也渗透了电子技术与微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。

从国外测距仪表发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术普遍应用。

普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助测试（CAT）,数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）与表面贴装技术等。

呈现出

（1）智能化测距仪;

（2）非接触测量方式的测距仪;（3）新原理的小型测距。

国的早期的测距仪也是基于机械原理的，但是随着世界的电子技术的发展，国位移测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量更高。

主要测距方法有：

（1）人工检尺

利用皮尺测量距离，这是至今仍然在全世界广泛使用的最简单方法，人工测量的精度一般，存在人为因素误差。

（2）雷达测距仪

连续式微波测距仪这几年逐步推向市场。

它通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在发射点，向需要被测物面发射频率调制的微波信号。

当接收到回波信号时，由于来回传播时间延迟，发射频率己改变了。

将两者信号混合处理，所得信号差频正比于发射点到被测物面之间的距离。

（3）激光测距仪

激光测距仪的测量原理是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。

（4）γ射线测距仪

该技术是基于γ射线对不同物质产生不同衰减的理论。

γ射线测距特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题，因为测量件没有任何部件与被测介质相接处。

（5）超声波测距仪

超声波测距仪是非接触测距仪中发展最快的一种。

该技术基于超声波在空气中的传播速度与遇到被测物体表面产生反射的原理。

3．超声波的特点

超声波是声波大家族中的一员。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质与结构（用作治疗）。

在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。

超声波有以下几个特点：

1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。

（用于医学）

1系统设计原理与总体设计

1.1系统设计原理

1.1.1测距原理

距离公式：

距离（S）=时间（T）×速度（V）。

在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。

利用超声波测时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。

相位检测法虽然精度高，但检测围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。

本超声波测距仪采用渡越时间检测法。

超声波测量原理图如图1-1。

S

图1-1超声波测距原理图

在超声波发射器两端输入40KHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面；由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。

传播的时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。

如图2.1所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为V=344m/s（20℃时），依据公式S=（1/ 2）V×T，得距离S。

渡越时间测量法:

1.直接计时法

每隔一定时间发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时刻开始单片机定时器计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻，停止单片机TO计时。

单片机定时器所计时间，即为传播渡越时间。

2.相位法

测距仪由震荡电路发出一定频率变化的正弦波，由超声波换能器转换成声波。

发出的声波到达被测面，经被测面反射，超声波换能器接收端获得声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全一样的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。

假设震荡电路波形往返一个Φ角，则声波在被测的距离上往返一次需要的时间t为t=Φ/ω。

该方法是一种相位测量方法，但是由于相位测量存在以2n为周期的多值解，从而造成解的不确定性。

为了消除这种不确定性，再引入通常的包络检测来消除这种不确定性，从而实现高精度测距。

发射二个频率不同的声波，测定与这二个并发声对应的回波信号的相位，根据所测相位进行测距的一种高精度的超声波测距方法。

同时使用二个回波的相位以与包络信息，排除了以2n为周期的相位上的不确定性。

因此可以得到较高的测量精度。

从相位检测角度来看。

测量二个不同频率信号的相位和包络相对比较简单快速。

1.2传感器工作原理

1.2.1传感器的类型与设计要求

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:

机械方式和电气方式产生超声波发生器。

实质上，超声波发生器即是超声波换能器，或者超声探头，它将其它形式的能量转换成超声波的能量（发射换能器来完成）和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量（接收换能器来完成）。

一般是使电能和超声能量相互转换。

我们常用的是电气方式，电气方式类型包括:

压电型、磁致伸缩型和电动型等，机械式方式有:

气流旋笛、液哨、加尔统笛等。

各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不一样。

目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，碳酸钡压电瓷、碳酸铅压电瓷复合晶体等。

晶片的大小，如直径和厚度也各不一样，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要设计要求；

（1）工作频率：

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度：

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度：

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

1.2.2设计所用传感器工作原理

本设计所采用的超声波传感器为压电型。

此类型的传感器一般采用双压电瓷品片制成。

这种超声传感器需用的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。

它是借助压电晶体的谐振来工作的，即瓷的压电效应。

当电压作用于压电瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。

另一方面，当振动压电瓷时，就会产生电荷。

利用这一原理，当给由两片压电瓷或一片压电瓷和一个金属片构成的振动器（双压电晶片元件），施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。

相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。

基于以上作用，便可以将压电瓷用作超声波传感器。

传感器的部有一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。

该复合式振动器是谐振器以与由一个金属片和一个压电瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。

谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。

超声波传感器有两块压电瓷晶片和一块共振板。

当在两电极加交变脉冲信号（触发脉冲）时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。

相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。

通过对此信号的分析处理，可实现各种检侧。

压电瓷晶片有固有谐振频率，即中心频率，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;接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。

这样，超声波发射器才有较高发射效率，接收器才有较好接收灵敏度。

当所用压电材料不变时，改变压电瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地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。

用于超声传感器的中心频率一般为40KH。

1.3系统总体设计

1.3.1总体设计思路

超声波测距仪是根据“回波测距”的原理设计的。

除超声波的发射器发射超声波，超声波接受器接收回波。

测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时刻差，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。

超声波测距仪的总体设计思路如图1-1所示。

方案论证

硬件系统设计

软件系统设计

系统仿真测试

脱机运行

完成开发

硬件制作

软件制作

总体调试

硬件调试

软件调试

图1-1总体设计思路

1.3.2系统组成

整个方案的中心为单片机8051，由单片机8051作为控制中心，控制超声波的发射，接收以与数据的处理和显示。

本系统的具体组成框图如图1-2。

单片机

电源

LED显示

发波传感器

收波传感器

超声波信号

供电

供电

供电

数据

显示

图1-2系统的基本组成

1.3.3工作过程

启动超声波测距仪测距时，工作过程如下：

1.由单片机发出40KHz的脉冲串；

2.脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波；

3.单片机在发送脉冲的时刻开始计时；

4.超声波遇到障碍物后的回波被