基于单片机的超声波测距仪的设计与实现可行性研究报告.docx

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基于单片机的超声波测距仪的设计与实现可行性研究报告

基于单片机的超声波测距仪的设计与实现可行性研究报告

摘要：

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。

超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。

正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。

随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

本设计利用超声波在空气中的传播速度以及在发射器、障碍物和接收器之间传播的时间计算出障碍物的距离，通过一个四位的七段数码管显示出来。

系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。

硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和复位电路等。

硬件电路以AT89S52单片机为核心，并具有低成本、微型化等特点。

软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

硬件电路和软件程序的有序配合，完善了整个超声波测距系统。

关键词：

AT89S52，超声波，测距仪，硬件，软件

1绪论

1.1课题背景，目的和意义

超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。

但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。

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。

而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。

超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。

因为它是非接触式的，所以它就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，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。

本文结合超声波精确测距的需要，进行了系统的硬件和软件设计，分析了影响超声测距精确度的多种因素，来有效提高测距系统的精度。

1.2现阶段本课题相关研究现状

F.GALton在1876年进行了气哨实验，代表着人类第一次产生的高频声波。

而我国于1956年开始超声的大规模研究。

迄今，我国对超声已经广泛地在的各个领域得到发展和应用，特别要提出的是，其中一些项目能够与国际水平相接近。

超声波测距与定位技术是关于声学以及仪器科学的综合性大学科，由超声波换能器、超声波发射和接收电路、控制电路等组成了利用超声波来测量距离值。

目前在各个领域中都得到了使用，并取得了很好的成果。

R.Kuc.提出了三维的仿生声纳系统，系统可以利用超声波自动的寻找被测目标物体。

它共有五个超声传感器构成这个系统最主要的感知装置。

发射超声波的换能器安装在十字架交叉点，有四个换能器用来接收超声波共分别安装在十字架的边缘位置上。

这样，被测目标的距离与方位能够依据空间几何关系就能算出。

G.Bucci和C.Landi提出了一种对于输入超声波信号的功率谱算法，该算法利用了信号进行傅里叶变换后功率谱密度中所包含的信号特征确定回波的前沿，更加精确的确定渡越时间。

F.Devand，G.Hayward和J.Soraghan受蝙蝠在夜空中捕食启发，提出了一种具有独特优点的自适应超声成像聚焦系统，对超声成像中图象畸变的消除有重要价值，提高超声图像的分辨率通过使用重叠的频率调制信号。

此使用了不同频率的超声波。

基本理论基础是使用时间和频率信息并且通过改进的算法来解决频域中的合成干涉图，因此该超声成像系统在三维空间有高分辨率的特点。

国内一些学者也作了相关研究。

同济大学设计了基于伪随机码的时延两步相关估计法。

该方法采用PRBS（伪随机二进制信号序列）作为发送信号，通过求互相关函数确定传播时间，由此达到非常高的抗干扰能力。

引入PRBS还节约了用于计算互相关函数通常所必需的乘法。

此外还设想并实现了一个两步相关法以减少处理时间。

借助于数学分析阐述了PRBS的生成，特点和参数选择。

这些思路在测量装置上得以实现。

通过用模拟的噪声信号进行的测试结果表明，测量装置具有很强的抗干扰能力。

哈尔滨工业大学分为两次进行粗测距和精测距。

粗测距先大概估测测距范围，具体的操作是先发送一串超声波，回波信号在控制器计算分析处理。

根据处理的结果设定尽可能合理的鉴幅阂值。

精测距是在此基础之上控制器发送另一串超声波，按照在粗测距中设定的阂值，精测距中的回波前沿被捕捉，实现精确测距目的。

目前，超声技术和扩频通信技术的结合在某些方面已经得到了应用。

西北工业大学应用扩频原理设计了一种液位测量系统，可控声源被使用在其中。

从国内外研究状况可以看出，影响超声波检测精度的因素是测量的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度。

国内外的研究成果使得超声波检测的精度得到了提高，这些处理方法都得到了很好的效果。

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的。

如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

1.3方案论证

方案一：

CPLD实现

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。

是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。

其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

由于此方法过于复杂，所以对于本课题不适合。

方案二：

模拟电路实现

结合模拟电路的一些放大特性等来实现，其精确性比较高，在一些电路中较常用，深的广大用户的喜爱，功耗小，质量高，使用方便，但价格较贵，对本次设计不易，而且可靠性差，比较复杂，控制不方便，所以此方法对于本课题不适合。

方案三:

数字电路实现

通过数字电路的一些编码和解码特性来设计，但它的精确度不高，容易出现一些不良因数，识字电路虽然集成大于模拟电路但是控制还是不很方便。

所以不适合本设计的要求。

方案四：

单片机实现

MCS-51系列单片机的推广应用进一步促进我国工业技术的改超以及其他的领域的技术更新，自动化，小型智能化方向迈进并且51系列为人们熟悉，市场占有高，开发系统多，单片机应用的重要意义还在于、它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和方法。

原来必须由模拟电路，数字电路实现的大部分功能，现在已通过单片机由软件方法来实现了，因此超声波测距仪采用单片机为核心进行设计。

方案的比较：

方案一的设计复杂，不易检查错误；方案二的设计不易控制；方案三的设计电路烦琐；所以单片机的以其电路简单，方便，成本低等的优点，便于我们使用。

本设计使用单片机实现。

1.4本设计相关说明

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，其中硬件部分主要由超声波发射和接收系统、信号控制和处理系统以及信号的输出和显示系统三个部分组成。

采用AT89S52来实现对各个子模块的控制。

单片机计数器乘以机器周期就是超声波所经历的时间，再用时间乘以声速除以二就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将距离在数码管上予以显示。

软件部分主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。

具体的硬件、软件设计细节，将在本文第二章、第三章和第四章中详细阐述。

1.5基于单片机的超声波测距系统

基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为38kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。

超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。

这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个低电平，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给数码管显示。

利用单片机计时准确，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。

许多超声波测距系统都采用单片机控制的方法。

最常用的超声测距的方法是回声探测法，本设计就使用这种方法。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。

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面的距离S，即：

S=340t/2。

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的。

如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

这就是超声波测距仪的基本原理。

如下图所示：

图1-1超声波的测距原理

超声波传播的距离为:

（1.1）

式中:

v—超声波在介质中的传播速度;

t—超声波从发射到接收所需要的时间.

其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数（例如在温度

时,V=349.2m/s）;（1.2）所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H

1.6硬件的设计

硬件电路的设计主要包括单片机系统及超声波发射与接收电路、单片机控制与处理电路以及输出与显示电路三部分构成。

图1-2为硬件结构框图。

图1-2硬件结构图

1.7论文结构的设计

仅通过以上介绍可能不能详细的阐述本设计的功能和设计思想，下面将从超声波测距仪的发射与接收、信号的控制和处理、信号的输出与显示以及程序等几个部分详细讲解。

其中将附带系统框图或程序框图，从功能到结构详细介绍。

1.8本章小结

本章概要介绍超声波测距系统的软硬件的基本结构，超声波测距系统的前景和功用，对采用的方案进行了论证。

通过介绍知道以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。

2超声波测距仪的发射与接收系统

单片机给超声波发射系统提供驱动信号，发射系统产生38KHZ的超声波，此时单片机处于计数状态，当超声波遇到障碍物时返回，超声波接收器接收到回波，同时接收系统将给单片机一个低电平信号中断计数。

从而计算出超声波传输的时间，通过单片机的处理计算出障碍物的距离并反馈给显示电路显示。

如图2-1所示。

图2-1发射与接收结构框图

2.1发射系统

发射电路主要由超声波发射器、74LS04反向放大器和一些必要的电路构成，单片机产生的脉冲信号通过74LS04反向放大驱动超声波发射器发射38KHZ的超声波。

如图2-2所示。

图2-2发射系统结构框图

2.1.1超声波发射器

图2-3发射器实物

发射器的作用是形成与被检测对象相作用的超声波束，它的特性包括共振频率、方向性、电声变换效率、稳定性等。

按照应用领域的不同，超声波束可以是强方向性的、扇状的、无方向的形状，还有些发射器附带有调整层，以便发射器与媒质的音内阻抗相匹配。

超声波发射器的驱动机构包括，反压电效应、电致伸缩效应、动电效应、电磁效应、磁致伸缩效应等，它恰好是上述超声波接收的相反作用，所以从结构上看，发射与接收呈一一对应的关系。

2.1.2六位反