单片机的超声波传感器测距仪论文完整版.docx
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单片机的超声波传感器测距仪论文完整版
7系统的分析
7.1超声波测距系统设计的结论与展望
7.2误差产生原因的系统改进方案
8心得
参考文献
1绪论
1.1选题背景及目的
随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。
超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。
本设计的超声波测距仪，可以对不同距离进行测试，并可以进行详尽的误差分析。
对本设计的研究与设计，还能进一步提高自身的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。
超声波传感器模块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模块往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。
超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：
液位、井深和管道长度等场合。
因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。
1.2超声波介绍及其应用领域
当物体振动时会发出声音。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。
人类耳朵能听到的声波频率为20～20K赫兹。
当声波的振动频率大于20K赫兹或小于20赫兹时，人们便听不见了。
因此，把频率高于20K赫兹的声波称为“超声波”。
通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。
超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。
可用于测距，测速，清洗，焊接和碎石等。
在医学，军事，工业以及农业上有明显的作用。
理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理。
应用领域
1．机械行业：
防锈油脂的去除；量具刃具的清洗；机械零部件的除油除锈发动机、化油器及汽车零件的清洗，过滤器及滤网的疏通清洗等等。
2．表面处理行业：
电镀前的除油除锈；离子镀前清洗；磷化处理；清除积炭，氧化皮，抛光膏，金属工件表面活化处理等等。
3．医疗行业：
医疗器械的清洗，消毒，杀菌，实验器皿的清洗等等。
4．仪器仪表行业：
精密零件的高清洁度清洗，装配前清洗等等。
5．机电电子行业：
印刷线路板除松香，焊斑；高压触点，接线柱等机械电子零件的清洗等等。
6．光学行业：
光学器件的除油、除汗和清灰等。
7．半导体行业：
半导体晶片的高清洁度清洗。
8．科教文化：
化学生物等实验器皿的清洗和除垢。
9．钟表首饰：
清除油泥、灰尘、氧化层和抛光膏等。
10．石油化工行业：
金属滤网的清洗疏通、化工容器和交换器的清洗等等。
11．纺织印染行业：
清洗纺织锭子和喷丝板等。
12．其它：
超声清洗：
清除污染物，疏通细小孔洞，如：
清洁印章，古董修复和汽车电喷头疏通等。
超声搅拌：
加快溶解，提高均匀度，加快物理化学反应，防止过腐蚀和加速油水乳化，如：
溶剂染料混合和超声磷化等。
超声凝聚：
加速沉淀，分离，如：
种子浮选和饮料除渣等。
超声杀菌：
杀灭细菌及有机污染物，如：
污水处理和除气等。
超声粉碎：
降低溶质颗粒度，如：
细胞粉碎和化学检测等。
超声封孔：
排除间隙气体，提高整体密度，如：
工件浸漆等。
1.3本设计的主要研究内容
1.3.1超声波测距的原理
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离
（1-1）
式（1-1）中的c为超声波在空气中传播的速度。
限制该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装置的灵敏度。
接收装置对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
超声波的波速c与温度有关，表1-1列出了几种不同温度下的波速。
表1-1声速与温度的关系
温度（℃）
－30
－20
－10
0
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
331
338
344
349
386
可以推导得出，温度和波速大概有c=331.5+0.607T这样的规律，波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。
1.3.2两种测距方案的选择
1）第一种方案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1-1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[1]。
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。
2）第二种方案基于CPLD的超声波测距系统，这种测距系统采用CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）器件，运用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）编写程序，使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。
CPLD器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D触发器、T触发器、RS触发器或JK触发器工作方式或组合逻辑工作方式。
它的这种特性非常适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由MAX来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。
本系统利用CPLD器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在LED上显示出来。
配合使用MAX+plusII开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。
其系统框图如图1-2所示。
图1-2基于CPLD的超声波测距系统框图
超声波发射器向某一方向发射40kHz的超声波，在发射超声波的同时，MAX7128S内的计数器开始计数。
超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来。
超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到CPLD，CPLD立即停止计数。
CPLD所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。
超声波在空气中的传播速度如设定为332m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：
s=332t/2。
CPLD开始计数后，只要传感器收到回波，CPLD就立即停止计数，即只有最先返回的超声波才起作用，也就是说超声波测距仪总是测得离传感器最近的物体的距离[2]。
本系统采用先进的CPLD器件，高性能、低成本地实现了距离的测定。
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。
2AT89C51单片机简介
本课题所设计的超声波测距系统是基于单片机控制的，在介绍电路设计之前，我们先来简单了解一下单片机的工作原理，由于本课题所设计的超声波测距系统是以Atmel公司的8位单片机AT89C51为核心的，所以，在本章先简单的介绍一下AT89C51的一些特性。
2.1单片机基础知识
单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器（Microcontroller）。
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
2.1.1单片机的基本工作原理
单片机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。
因此，单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理。
为此，先从指令程序谈起。
1.单片机的指令系统和程序编制
前面已经介绍，指令是一种可以供机器执行的控制代码，故它又称为指令码（InstructionCode）。
指令码由操作码（OperationCode）和地址码（AddressCode）构成：
操作码用于指示机器执行何种操作；地址码用于指示参加操作的数在哪里。
其格式为：
操作码
地址码
指令码的二进制形式既不便于记忆，又不便于书写，故人们通常采用助记符形式来表示，表2-1所列。
表2-1指令的三种形式
指令的二进制形式
指令的十六进制形式
指令的汇编形式
01110100data1
74data1
MOVA,#data1;A←data1
00100100data2
24data2
ADDA,#data2;A←data1+data2
100000001111110
80FE
SJMP$;停机
指令的集合或指令的全体称为“指令系统”（InstructionSystem）。
微处理器类型不同，它的指令系统也不一样。
所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求排列起来的有序指令的集合。
程序的编制称为“程序设计”。
通常，设计人员采用指令的汇编符（即助记符）形式编程，这种程序设计称为“汇编语言程序设计”。
显然，设计人员如果不熟悉机器的指令系统是无法编出优质高效的程序的。
2.单片机执行程序的过程
为了弄清单片机的工作原理，现以如下的Y=5+10求和程序来说明单片机的工作过程。
7405HMOVA，#05H；A←05H
240AHADDA，#0AH；A←5+10
80FEHSJMP$；停机
该程序由三条指令组成，每条指令均为双字节指令（即第一字节为操作码，第二字节为地址码）。
第一条指令的含义是把05H传送到累加器A中；第二条指令是加法指令，它把累加器A中的5和立即数10相加，结果保留到累加器A中；第三条是停机指令，机器执行后处于动态停机状态。
2.3单片机AT89C51的特性
AT89C系列单片机是Atmel公司生产的一款标准型单片机。
其中数字9表示内含Flash存储器，C表示CMOS工艺。
其管脚图如图2-2所示。
图2-2AT89C51单片机管脚图
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1．主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
100写/擦循环
数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2．管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（定时器∕计数器0外部输入）
P3.5T1（定时器∕计数器1外部输入）
P3.6/WR（片外数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3．振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石英晶体振荡器和陶瓷振荡器均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
振荡器特性:
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
陶瓷谐振器类似于石英晶体，是种压电器件，可以把电能转换为机械能，也可以把机械能转换为电能。
当外加的交流电场的频率和谐振器的谐振频率发生共振时，电能和机械能的转换会发生在谐振器的谐振频率上，具有对激励信号频率，十分敏感的突出特点，由于需与各种IC搭配应用，所以谐振器的起动振荡与谐振是根据不同的IC搭配而设计的。
德利特陶瓷谐振器规格齐全，温度范围在-20°C至+80°C，符合工业电气的要求，起动容易、谐振稳定的特性，并因温度及老化的变化量小之特性，受到无线通讯市场的好评。
陶瓷谐振器和石英谐振器的区别就在于精度和温度稳定度上，石英晶振较陶瓷晶振精度高，温度稳定性好。
石英晶振的精度可以达到小数点后六位数，单位用ppm（百万份之一）来表示，比如你用的4M，11.0592M的石英晶振的误差一般是小于+/-30ppm的，也就是它的精度在一百万份之30之间。
而陶瓷谐振器的精度只能满足到小数点后三位，用kHz来表示，比如4MHz的陶瓷谐振器它的精度一般做+/-750kHz。
从技术参数上来说，石英谐振器可以代替陶瓷谐振器，但是陶瓷谐振器不一定能代替石英谐振器，陶瓷谐振器多在电视遥控器上，玩具产品等对精度要求不高的产品中，而在仪器仪表，通信通讯等消费类电子产品中要求精度要的地方就需要石英谐振器。
同样的频率点它们的价格和封装（插件和贴片）有很大关系，同是DIP或同是SMD的封装时，陶瓷谐振器比石英谐振器低的多。
相同频点比较，如果石英谐振器最低的价格是0.4元，那陶瓷的可以是0.04元，它们相差很多。
晶振的主要参数有标称频率、负载电容、频率精度、频率稳定度等。
不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。
如常用普通晶振标称频率有：
48KHz、500KHz、503.5KHz、1MHz～40.50MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000MHz以上，本设计采用12MHz的标称频率。
4．芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3超声波传感器
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。
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。
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，便产生超声波。
反之，如果两极间未外加电压，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。
在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面的知识。
在本章里，将介绍超声波传感器的原理和特性，检测方式以及超声波传感系统的构成。
3.1超声波传感器的原理及特性
3.1.1超声波传感器的原理
人们可以听到的声音频率为20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。
另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。
一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就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为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。
超声波传感器的谐振频率（中心频率）有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。
谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。
超声波传感器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3-1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3-1压电逆效应
超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。
在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。
双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。
这两处的支点就成为振子振动的节点。
金属板的中心有圆锥形振子。
发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。
采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子（谐振频率为40kHz）上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz频率的超声波。
超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。
超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。
若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。
3.1.2超声波传感器的特性
超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的SZW-S40-12M发射型超声波传感器为例进行说明。
A频率特性
图3-2超声波传感器频率特性
图3-2是超声波发射传感器的频率特性曲线。
其中，
＝40KHz为超声波发射传感器的中心频率，在
处，超声波发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在
处所产生的超声波声压能级最高。
而在
两侧，声压能级迅速衰减。
因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率
的交流电压来激励。
另外，超声波接收传感器的频率特性与超声波发射传感器的频率特性类似。
曲线在
处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在
处接收灵敏度最高。
因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。
超声波接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个
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