基于at89s51单片机的超声波测距系统Word格式文档下载.docx
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4.Directionshardwareelectriccircuitandsoftwaredebugprocess.
Keywords:
MCU;
Automobile;
Ultrasonic;
Distance-measurement
目录
Abstract1
第1章绪论3
1.1课题背景，目的和意义
1.2国内外研究现状简述
1.3超声波测距的应用
1.4于单片机的超声波测距系统3
1.5题主要内容4
第2章超声波测距原理概述5
2.1超声波传感器6
2.1.1超声波发生器6
2.1.2压电式超声波发生器原理6
2.2单片机超声波测距系统构成
2.3超声波测距的原理
第3章设计方案
3.1方案选择的论证和选择
3.2AT89S51单片机8
3.3超声波测距系统构成11
3.3.1超声波测距单片机系统12
3.3.2超声波发射、接收电路12
3.3.3显示电路14
3.3.4供电电路14
3.3.5报警输出电路15
第4章系统软件设计16
4.1主程序设计16
4.3超声波测距程序流程图20
4.4超声波测距程子序流程图21
第5章调试，性能及误差分析21
5.1调试步骤21
5.2性能分析22
5.3误差分析
第6章设计心得
参考文献22
致谢
附录一：
基于AT89S51单片机超声波测距系统电原理图24
附录二基于AT89S51单片机超声波测距系统PCB图25
附录三基于AT89S51单片机超声波测距系统焊接组装图26
附录四基于AT89S51单片机超声波测距系统C语言原程序27
附录五元件清单41
第1章绪论
1.1课题背景，目的和意义
传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。
信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。
比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。
利用单片机控制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，并且测量精度较高。
随着社会的不断发展，尤其是近几年来，汽车已逐渐成为人们不可或缺的交通工具。
然而，由于汽车的普及，因汽车所萌生的一系列问题正渐渐凸显出来。
倒车，是每位驾驶员都必须掌握的技能，如同前行一样需要小心谨慎，每年都有倒车引起事故的报道，轻则对自己的车和他人的财物造成损伤，重则可能危及人的性命，尤其是对儿童危害较大，他们体型较小，仅从后视镜来获取视野指导倒车仍有可能会对让们造成伤害。
现如今后视镜已越来越不能满足人们安全倒车的需求了。
因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。
安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。
为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。
本系统介绍了一种基于51单片机的超声波测距倒车系统的硬件和软件设计，该系统可以精确测得车尾与障碍物的距离，指导司机安全倒车。
1.2国内外研究现状简述：
超声波是指频率在20kHz～106kHz的机械波,波速一般为1500m/s,波长为0.01cm～10cm。
超声波的波长远大于分子尺寸,说明超声波本身不能直接对分子起作用,而是通过周围环境的物理作用影响分子,所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。
超声波既是一种波动形式,又是一种能量形式,在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。
超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。
随着科学技术的发展,相关技术领域相互渗透,使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。
超声波作为一种特殊的能量输入方式,所具有的高效能在材料化学中起到光、电、热方法所无法达到的作用。
仅从超声波在液体中释放的巨大能量来说就是其他方法所望尘莫及的,更不用说超声波定量控制的效果了。
近年来,随着超声波技术的日益发展与成熟,其在新材料合成、化学反应、传递过程的强化以及废水处理等领域都得到了广泛的应用。
在材料合成中,尤其是纳米材料的制备中,超声波技术有着极大的潜力。
通过超声波方法制备纳米材料,达到了目前我们采用激光、紫外线照射和热电作用所无法实现的目标,具有很好的前景。
20年前出现的倒车雷达，严格而言，不属于雷达（无线电波）的产品。
以最早出现的类似装置来讲，它是利用红外线的发射与接收的原理而做出的“倒车雷达”。
最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。
但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接受器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪或泥尘覆盖，系统就会失效。
最近在欧美又出现了一种电磁感应倒车雷达。
在一线路套上一环型的感应圈（此线圈贴在后保险杠的内侧，车外表完全看不出有此装置），以感应车后物体的有无。
此种装置价格中等，并且完全隐密，算是一种好产品，但可惜的是，安装困难（必须卸下保险杠贴在内侧），而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。
换言之，如有任何物品贴在后保险杠，当车一旦停止再启动后，此装置并不会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。
因此，实用性也相当有限。
日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。
据海外媒体报道，戴姆勒——克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车（尤指卡车）使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收集的信息交由一控制器加工处理，形成一虚拟景象。
之后再借助演算法的辅助来判断所发生状况是否需要利用刹车。
未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，目前定为3745欧元，其过高的成本限制了它应用的普遍性。
在底特律国际车展上，通用公司的Precept概念车装了Donnelly公司生产的以摄像机为基础的后视镜系统。
该系统用一个内后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。
摄像机也可在倒车时使用，当车后近处有障碍物时，就及时让驾驶员知晓。
迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。
通常的倒车雷达主要由感应器、主机、显示设备等三部分组成。
感应器发出和接受超声波信号，并将接收到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。
感应器装在后保险杠上，以角45°
辐射，检查目标，能探索到那些低于保险杠而司机从后窗又难以看见的障碍物并报警，如花坛，蹲在车后玩耍的儿童等：
显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车据后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示司机停车。
根据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式等种。
转帖式感应器后有一层胶，可直接粘在后保险杠上：
钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去：
悬挂式感应器主要用于载货车。
根据显示设备种类不同，倒车雷达又可以分为数字式、颜色式和蜂鸣式等三种。
数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接用数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。
经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。
因为，大力研究开发倒车雷达等主动式汽车辅助安全装置，将减少驾驶员的负担和判断错误，对于交通安全起到重要作用。
显然，此类产品的研发具有极大的现实意义和广阔的应用前景。
1.超声波流量计：
测量水的流速，这是因为超声波是一种机械波，依靠介质才能传播，其传播方向受介质运动影响，因此，水可以改变传播方向。
进而可以做出超声波流量计，可应以自来水、工业用水、农业用水等进行测量。
还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。
2.超声波测距仪：
用以测量液位、井深、管道长度、建筑测量、厚度测量、倒车距离测量等。
3.报警器：
盲人探路器、防盗报警等
4.定位系统：
用以探测超声波发射源位置，在生活中有重要意义，如人说话、呼吸的时候不光产生声波，同样也会产生部分超声波，呼出的气体分子与空气分子碰撞就产生超声波。
气管漏气，轮胎漏气，阀门泄漏、阀门气蚀、齿轮运行、电晕放电等都会产生超声波。
通过接收器看以看出哪里有漏洞。
而本设计主要用于倒车距离的测量，从而指引司机安全倒车。
1.4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40kHz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。
其系统框图如图2-1所示。
图1-1基于单片机的超声波测距系统框图
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负跳变，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LED显示。
利用单片机准确计时，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这种设计方法。
1.5题主要内容
通过上节介绍我们知道，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。
本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。
通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，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V，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。
本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。
系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能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负跳变，单片机检测到这个负跳变信号后，停止内部计时器记时，读取时间，计算距离,测量结果输出给LED显示。
赞同
利用本测距系统测量范围应在40cm～699cm，其误差1cm。
第2章超声波测距原理概述
超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。
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，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。
超声测距是一种非接触式的检测方式。
与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。
对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。
因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;
而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
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。
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、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，但检测范围有限;
声波幅值检测法易受反射波的影响。
本测距系统采用超声波渡越时间检测法。
其原理为:
检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。
渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，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。
再由单机计算出距离，送LED数码管显示测量结果。
超声波在相同的传播媒体里（大气条件）传播速度相同,即在相当大的频率范围内声速不随频率变化,波动的传播方向与振动方向一致,是纵向振动的弹性机械波,它是借助于传播介质的分子运动而传播的,波动方程描述方法与电磁波是类似的。
式中,A（x）为振幅,A0为常数,ω为圆频率,t为时间,x为传播距离,k=2π/λ为波数,λ为波长,α为衰减系数。
衰减系数α与声波所在介质及频率的关系为
α=af2（3）
式中,a为介质常数,f为振动频率。
在空气里,a=2×
10-13s2/cm,当振动的声波频率f=40kHz（超声波）代入式（3）可得a=3.2×
10-4cm-1,即1/α=31m;
若f=30kHz,则1/α=56m。
它的物理意义是:
声波在空气媒质里传播,因空气分子运动摩擦等原因,能量被吸收损耗。
在（1/α）长度上,平面声波的振幅衰减为原来的e分之一,由此可以看出,频率越高,衰减得越厉害,传播的距离也越短。
考虑实际工程测量要求,在设计超声波测距仪时,选用频率f=40kHz的超声波,波长为34000/40000=0.85cm。
超声波发射器向某一方向发射超声波，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，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表2-1。
表2-1声速与温度的关系
温度（℃）
－30
－20
－10
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
323
338
344
349
386
根据计时器记录的时间
，发射点距障碍物的距离
，如图2-1所示
图2-1超声波测距原理
图2中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用
表示，由图可得：
（1）
（2）
将式
（2）带入式
（1）得：
（3）
在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：
（4）
式中：
为超声波的传播速度，
为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。
将式（4）带入式（3）可得：
（5）
当被测距离H远远大于M时，式（5）变为：
（6）
这就是所谓的时间差测距法。
首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离[2]。
由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。
经分析和大量实验表明，频率为40
左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。
图2-2超声波测距时序图
2.1超声波传感器
2.1.1超声波传感器的概念和分类
超声波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为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。
电声型主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。
流体动力型包括有气体和液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器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把超声波传感器称为探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。
压电传感器属于超声波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、铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。
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。
在压电陶瓷上加上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
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，便会产生超声波。
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。
一般常用的超声波传感器有两种：
专用型和兼用型。
专用型是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；
兼用型就是发送器和接收器是一体的传感器，既可以发送超声波，又可以接收超声波。
本设计选用的超声波传感器是专用型，其型号为TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示传感器工作的中心频率为40
16表示传感器的外径为16
，T和R分别表示发射器和接收器[1]。
2.1.2压电式超声波发生器原理
压电型超声波传感器的工作原理：
它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。
所谓压电逆效应如图2-2所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。
若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。
由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。
若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
图2-2压电逆效应图
本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。
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。
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，就成为超声波接收器。
在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。
超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
2.1.3单片机超声波测距系统构成
单片机AT89S51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；
反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。
限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：
超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
图2-3超声波测距系统框图
第3章设计方案
设计方案一：
采用CPLD来控制的超声波测距仪
采用CPLD来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircui
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