超声波测距仪毕业设计.docx
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超声波测距仪毕业设计
超声波测距仪
摘要
在测试物体间距离试验时，传统的方法是使用米尺手工量，但若测量环境比较恶劣，那就需要一个环境适应性强的测量工具来完成这个测量工作。
超声波测距采用物体间的距离是近代电子工业发展才获得正式应用的工艺，由于超声波测距是一种非接触是检测工艺，不受光线，被测对象颜色等影响，所以其在恶劣环境下也有较强的适应能力。
基于此背景和题目要求，本设计采用MSP430F149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的硬件电路和软件设计方法。
整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序、DS18B20温度补偿子程序等模块组成。
各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。
在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
经实验证明，这套系统软硬件具有设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，精确度高等特点，测量距离最大为2.5m，可以有效地解决物体的短距离测距和避障，显示屏人机界面好。
关键词：
超声波温度补偿度越时间法TOF
Abstract：
Thedistancebetweenobjectsinthetestexperiment,thetraditionalmethodistouseameterhandvolume,butifthemeasurementconditionisbad,itneedsastrongenvironmentaladaptabilitymeasurementtoolstocompletethemeasurementofwork.Ultrasonicdistancemeasurementusingthedistancebetweenobjectsisamodernelectronicindustrydevelopmentwasofficiallyinuseprocess,asaresultofultrasonicdistancemeasurementisanon-contactdetectiontechnologyis,notlight,colorandothereffectsoftheobjecttobemeasured,sointhebadenvironmentalsohasastrongabilitytoadapt.Basedonthisbackgroundandthesubjectrequirements,thisdesignadoptsMSP430F149singlechipasthecore,lowcost,highprecision,miniaturizationdigitaldisplayultrasonicrangefinderhardwarecircuitandsoftwaredesignmethod.Thecircuitadoptsthemodulardesign,bythemainprogram,subroutine,subroutine,launchpresetreceivingsubroutine,showingsubroutine,DS18B20temperaturecompensationsubroutinemodules.Theprobesignalbysinglechipintegratedanalysisandprocessing,toachieveavarietyoffunctionsofultrasonicrangefinder.Basedonthedesignoftheoverallschemeofthesystem,hardwareandsoftwarebytheendofeachfunctionmodule.Provedbyexperiment,thissetofsoftwareandhardwareofthesystemhastheadvantagesofreasonabledesign,stronganti-interferenceability,goodreal-time,highaccuracy,measuringthedistanceto2.5m,caneffectivelysolvetheobject'sshortdistancerangingandobstacleavoidance,displayinterface.
Keywords:
ultrasonic,temperaturecompensation,themethodofTOF
目录
摘要1
1.绪论1
1.1课题设计目的和意义1
1.2超声波测距仪设计原理1
2.系统整体方案设计3
3系统硬件电路设计4
3.1微处理器控制单元4
3.2超声波发射电路设计5
3.3超声波接收电路6
3.4DS18B20温度补偿8
4系统软件的设计10
4.1超声波测距仪的算法设计10
4.2主程序流程图10
5系统测量与分析13
5.1系统测量13
5.2系统分析13
结束语14
谢辞15
参考文献16
附录一：
总电路图17
附录二：
源程序17
1.绪论
1.1课题设计目的和意义
1.1.1设计目的
随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距，激光测距及超声波测距。
前两种方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适用于民用推广。
特别是应用于空气测距，由于空气中波流速较慢，其回波信号中包含的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他方法高。
二十一世纪智能交通系统成为交通运输的重要发展方向，移动机器人的这个领域也在不断的提出新课题，而这些领域也都需要超声波测距，因而其具有广阔的发展前景。
1.1.2设计意义
超声波测距仪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较强的适应能力，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广泛的应用。
1.2超声波测距仪设计原理
1.2.1超声波测距
超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。
超声波传感器在测量过程中,声波信号由传感器发出,经液体或固体物体表面反射后折回由同一传感器接收,可以测量声波的整个运行时间,从而实现物位的测量。
测距仪系统所用传感器是。
超声波传感器采用声波反射原理,从而避免传感器直接与介质接触,实现非接触测量物位,这一点对固体散料、粘稠介质,固体、液体混合介质的物位测量非常重要。
其最佳工作频率40kHz,适于中程范围测量,最大量程10m,盲区20cm,脉冲触发模式工作。
此类传感器适应强,可在-40~90℃环境下正常工作,散射角最大15。
为测更精确,鉴于声速受温度影响最大,测距数据处理过程采用了温度补偿。
且各种温度传感器均用于本系统的温度补偿。
1.2.2测距基本原理
测距的原理一般采用度越时间法TOF，也可以称为回波探测法，如图2.1所示。
超声波发射气向某一个方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在介质中传播，途中遇到障碍物就立即返回，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。
根据传声介质的不同，可以分为液介质、气介质和固介质；根据所用探头的接收方式，可分为一发一收双探头式和自发自收单探头式。
如倒车雷达一般是装在车尾的，为自发自收单探头式。
超声波在空气中传播，超声波在20度的空气中的传播速度为340m/s（实际速度为344m/s,这里取整）。
很据计时器及时的显示就能计算出发射点距障碍物的距离。
公式：
由于为自发自收探头式，所以h=0,即d=s=340t/2。
图1.1测距基本原理图
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，则可以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。
表1.1
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速（m／s）
313
319
325
323
338
344
349
386
2.系统整体方案设计
本系统采用MSP430F149单片机作为主控制器，用LCD实现数字显示，当控制键按下，主控器立即激发一个40KHz的脉冲信号，从而激励超声波传感器产生超声波。
接收电路接收到回波信号,经放大、滤波成为宽度小于触发脉冲的正脉冲。
MCU收到此脉冲（上升沿触发）,则停止计数。
超声波测距器的系统原理框图如图2.1所示。
图2.1系统原理框图
3系统硬件电路设计
硬件电路的设计主要包括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。
单片机采用MSP430F149。
采用8MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P1.3端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用P3.2的外中断的0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用LCD12864液晶屏，超声波发送驱动电路采用9012三极管组成的电流放大电路。
用9014组成放大电路作为超声波接收解调芯片，电路调试简单，抗干扰能力强。
3.1微处理器控制单元
3.1.1微处理器的特点
MSP430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机,它采用16位的总线,外设和内存统一编址,寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理,具有丰富的片上外围模块,片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟,支持8M的时钟.且其为FLASH型,可以在线对单片机进行调试和下载,且JTAG口直接和FET（FLASHEMULATIONTOOL）的相连,不须另外的仿真工具,方便实用,而且,可以在超低功耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,测量结果为100mw左右的功耗（电流为14mA左右）,可靠性能好,加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。
MSP430F149有6个8位的P口，其中P1、P2口占两个中断向量，共可以接16个中断源，还可以直接利用P口的输入输出寄存器，直接对外进行通信。
MSP430F149引脚图如图3.1所示。
图3.1MSP430F149引脚图
3.1.2微处理器控制测距
MSP430F149控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽,响应回波时刻并测量、计数发射至往的时间差。
对MCU编程,可对测得数据优化处理使测量误差降到最低限度。
MCU还控制显示电路,通过串行口的控制脉冲输出串行数据送数字显示电路。
计数方式为在MCU发触发脉冲的同时开启T1,收到回波立即关闭T1,这时T1的值为超声波走过的时间（注意2倍）,如图3.2所示。
图3.2发射、接收信号分析
3.2超声波发射电路设计
3.2.1超声波传感器
超声波传感器即超声波换能器，其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）。
一般是用电能和超声能量相互转换。
目前超声波传感器的类型很多，本系统采用的是压电型超声波传感器。
压电型超声波传感器的工作原理:
它是借助压电晶体的谐振来工作的,即陶瓷的压电效应。
其结构原理如图3.3所示。
图3.3压电型超声波传感器结构原理图
有两块压电晶片和一块共振板。
当它的两电极加脉冲信号（触发脉冲）,若其频率等于晶片的固有频率时,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。
超声波传感器用等效电路[1]（如图3（b）所示）来分析共振频率附近的超声波换能器的特性:
换能器的器械能用Qm;电能用Qe表示。
由图3（b）分析可知,Q恰好是电路的串联支路的Q值。
设换能器在空载（Z1=0）和有载（Z1=R1）时的Q值分别为Qm0、Qm,则有
Qm0=L1w0/R0=1/C1w0R0;
Qm=L1w0/（R0+R1）=1/C1w0（R0+R1）;
Qe0=C0w0R0;
Qe=C0w0（R0+R1）.
超声波换能器的工作效率为
η=R1/（R1+R0）.
本系统所用超声波传感器。
3.2.2超声波发射电路
本系统由按键控制信号的触发。
当按键按下时，主控芯片MSP4301F149的P1.3口发射出40Khz的脉冲信号，从而激发超声波换能器发射超声波，但因其电流较小，且电压不大，没有足够的功率推动超声波换能器发射超声波，所以采用9012三极管连接的放大电路，将P1.3口的信号进行电压和电流的放大，从而已足够的功率发出超声波。
图3.3超声波发射
3.3超声波接收电路
超声波接收电路的设计原先计划采用cx20106a作为接收芯片，因为它可以锁定固定的40Khz信号，但通过实际搭接电路进行测试，发现干扰信号较多，而且当发射头发射的信号不稳定时很难锁定信号，是接收效果不佳。
通过翻阅资料我采用如图3.4电路。
工作过程是：
当超声波发射头发出信号时，由接收头接收，因为接收到的信号很小，所以首先必须进行放大，9014组成的放大电路不仅能够放大电流，同时能将幅度放大，由于外界环境中干扰信号较多，所以采用104进行滤波，只有高频信号能通过，，多级104能够提高电路的抗干扰能力，，最后一级9014组成的电路实际是一个开关电路，当没有接收到信号时，9014不能导通，P3.2为高电平，当接收到的信号经过放大推动后级9014导通时，P3.2接的0.7v左右的导通电压，此时为低电平，当单片机判断此端口为低电平时，立刻进入中断，进行运算处理。
D4的作用是判断是否接收到信号，接收到是亮，否则暗。
图3.4超声波接收
3.3.1LCD12864资源介绍
LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
LCD12864接口使用说明：
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3.0+5V
电源正
3
V0
-
对比度（亮度）调整
4
RS（CS）
H/L
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W（SID）
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
H/L
使能信号
7
DB0
H/L
三态数据线
8
DB1
H/L
三态数据线
9
DB2
H/L
三态数据线
10
DB3
H/L
三态数据线
11
DB4
H/L
三态数据线
12
DB5
H/L
三态数据线
13
DB6
H/L
三态数据线
14
DB7
H/L
三态数据线
15
PSB
H/L
H：
8位或4位并口方式，L：
串口方式（见注释1）
16
NC
-
空脚
17
/RESET
H/L
复位端，低电平有效（见注释2）
18
VOUT
-
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端（+5V）（见注释3）
20
K
VSS
背光源负端（见注释3）
*注释1：
如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将PSB接固定高电平以将模块上的J8和“VCC”用焊锡短接。
*注释2：
模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。
*注释3：
如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。
3.4DS18B20温度补偿
本系统采用DS18B20作为温度补偿电路的主要芯片。
DS18B20是DALLAS（达拉斯）公司生产的一款超小体积、超低硬件开销，抗干扰能力强、精度高、附加功能强的温度传感器。
DS18B20内部主要由4部分组成：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警除法器TH和TL、配置寄存器。
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看做是DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。
ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20温度传感器的优点：
（1）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
（2）测量温度范围宽，测量精度高。
DS18B20的测量范围为-55℃-125℃，在-10℃-85℃范围内，精度为±0.5℃。
（3）在使用中不需要任何外围元件。
（4）持多点组网功能。
多个DS18B20可以并联在唯一的单线上，实现多点测温。
（5）供电方式灵活。
DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源，因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更简单，可靠性更高。
（6）测量参数可配置。
DS18B20的测量分辨率可通过程序设定为9-12位。
（7）负压特性。
电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
（8）掉电保护功能。
DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
DS18B20引脚图如图3.7所示。
1.GND：
地
2.DQ：
数字输入/输出
3.Vdq：
可选的+5v电源
图3.7DS18B20引脚图
4系统软件的设计
超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。
我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，而且语言简单易，所以采用C语言编程。
4.1超声波测距仪的算法设计
超声波测距的原理为超声波发生器T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反射回来，就被超声波接收器R所接收到。
由于超声波传播速度很快，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波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。
接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端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，根据公式D=S/2=（V×t）/2cm计算距离。
其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，v为声速，t为声波来回所用的时间。
距离的计算公式：
4.2主程序流程图
软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图4.1和4.2所示。
主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。
图4.1
图4.2
5系统测量与分析
5.1系统测量
系统测量时采用对比的方式进行测试，用液晶显示屏上显示的值与实际距离的值进行对比,为了使显示的数据更具有说服力。
测试现场温度为20度，测量数据如下：
5cm
6cm
10cm
1.5m
2m
2.1m
显示距离
实际距离
误差
5.2系统分析
通过以上测量数据可知，测量误差小于1cm，测量距离大于2m，测量盲区约为5cm。
引入测量误差的原因主要有:
（1）发射与脉冲计数必须同步开门，接收回波与停止计数必须同时进行（处理时间忽略）。
前者很容易做到，后者由于时间太短，很难完全准确地做到，这样就导致了误差的产生；
（2）衰减导致的误差，由于超声波在传播途中受空气热对流扰动、尘埃吸收的影响，回波幅度随传播距离成指数规律衰减，使得远距离回波很难检测。
结束语
通过几周的努力，基于单片机的超声波测距仪设计的毕业设计终于在我的努力下完成了。
设计能够成功的完成是与余老师细心的指导和帮助分不开的，在此表示忠心的感谢。
在这次毕业设计过程中。
通过资料的查阅，制定方案等一系列过程，极大的丰富了我的专业知识，使我的理论与实际动手能力又有了一个很大的提高，特别是在单片机编程方面又学到了不少新的东西。
毕业设计使我有机会把自己平时理论学习能够运用到实际中去，理论与实践相结合使我对自己的毕业设更加得心应手，在设计过程中同样也发现自己在各方面还存在不少问题，值得一说的就是自己有时候做事还是比较急躁，记得程序做好以后，我就马上迫不及待装机进行测试，但结果大失所望，显示、输出什么都没有。
测试单片机，ALE无信号，竟然连EA都没有接，迫使单片机无法正常工作。
当然，经过自己修复后一切正常。
经过这次也使我真正的认识单片机管脚的重要性，也从此得到了一个教训，做事一定有条理，不能急躁的去干，否则造成大返工，吃亏终就是自己。
毕业设计对我来说，是三年来所学的所有知识的一个非常全面的综合性应用，涉及的理论知识面也很广，需要了解各方面的知识，是理论与实践相结合的最好体现，也是对我们大学三年生活的一种肯定，所以我们大家都是用心去把它做到最好，毕业论文的编写经过了很长的时间，也发现了很多问题，但是在发现问题并解决问题的同时，不仅巩固了自己的知识，更加锻炼了自己的动手能力。
谢辞
首先，我要感谢我的导师余平生老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严格要求，同时也感谢本校的一些老师在毕业设计期间所给予我得帮助。
在我毕业论文写作期间，各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀，没有您们这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计，借此机会，向您们表示由衷的感激。
同时还要感谢系实验室在毕业设计期间提供给我们优越的实验条件。
接着，我要感谢我的同班同学。
在毕业设计的这段时间里，你们给我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助还有工作上的支持，在此也真诚的谢谢你们。
同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，在和他们的相互帮助和启发中，才有我今天的小小收获。
最后我要深深地感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺
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