终超声波测距仪论文.docx

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终超声波测距仪论文

课程设计报告

设计题目：

超声波测距仪

学院：

理学院

专业：

光信息科学与技术

班级：

2010级1班

学号：

201030800121201030800117

201030800110

姓名：

叶晓林罗建华简善盈

电子邮件：

764102401@

时间：

2013年11月1日

成绩：

指导老师：

林芳

华南农业大学

理学院应用物理系

课程设计（报告）任务书

学生姓名叶晓林罗建华简善盈指导教师林芳职称授副教

学生学号201030800121201030800117

201030800110

专业光信息科学与技术

题目超声波测距仪

任务与要求

1.根据超声波测距原理，设计电路，电路发射的超声波经过障碍物的反射后，被超声波接收器接收。

利用单片机计算反射的时间差，得出电路与障碍物之间的距离。

2．认识AT89C51系列单片机的基本功能与结构。

3．掌握超声波测距的工作原理。

4．掌握单片机的中断系统及延时程序的编写方法及程序调试的方法。

5．掌握硬件设计及焊接工艺。

6．掌握画图软件protel的设计工艺。

开始日期2013年10月日完成日期2013年11月1日

超声波测距仪的设计方案

一、概述与应用背景

1课题的主要内容

基于AT89C51单片机倒车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的倒车防撞，并将距离显示出来供查看的系统。

该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。

超声测距原理（如图1）:

用单片机发出驱动信号发出超声波的同时，启动单片机的计时器，开始计时，到超声波接收器接收到信号的时候，单片机停止计时，并通过单片机计数器获得两者时间差t,利用公式S=Ct/2计算距离,然后送到显示器显示距离值。

（其中S为汽车与障碍物之间的距离,C为声波在介质中的传播速度）

超声波在相同的传播介质里传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，但其频率越高，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。

2课题背景

随着经济的发展与汽车科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。

同时，随着汽车工业的飞速发展，汽车的产量和保有量都在急剧增加。

但公路发展、交通管理却相对落后，导致了交通事故与日剧增，城市里尤其突出。

智能交通系统ITS是目前世界上交通运输科学技术的前沿技术，它在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通赌塞，改善城市环境等方面的卓越效能，已得到各国政府的广泛关注。

中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。

汽车防撞系统作为ITS发展的一个基础，它的成功与否对整个系统有着很大的作用。

从传统上说，汽车的安全可以分为两个主要研究方向:

一是主动式安全技术，即防止事故的发生，该种方式是目前汽车安全研究的最终目的;二是被动式安全技术，即事故发生后的乘员保护。

目前汽车安全领域被动安全研究较多，主要从安全气囊、ABS（防抱死系统）和悬架等方面着手，以保证驾乘人员的安全。

从经济性和安全性两方面来说，这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行保护，有很大的局限性，因而车辆的主动安全研究尤为重要，引出了本文研究的基于单片机的超声波测距系统。

这个系统是一种能显示距离，供司机及时查看的探测装置。

它安装在汽车上，能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物，显示提示司机及乘员即将发生撞车危险的信号，促使司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。

3课题设计的意义

随着现代社会工业化程的发展，汽车这一交通工具正为越来越多的人所用，但是随之而来的问题也显而易见，那就是随着车辆的增多，交通事故的频繁发生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。

对于公路交通事故的分析表明，80%以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引起的，超过65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。

奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明：

若驾驶员能够提早1S意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。

超声波是一种震动频率高于声波的机械波，它具有频率高，波长短，绕线现象小，特别是方向性好，能够成为射线定向传播等特点。

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。

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够达到工业实时要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要的作用。

显然，此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。

二、工作进度、组内分工与合作情况

10月25日前，完成设计方案；10月25至11月1日，完成电路设计、调试及课程设计报告。

A.罗建华、叶晓林、简善盈：

设计方案报告书、方案改进

B.叶晓林：

电路焊接、编程及成品调试

C.罗建华、简善盈：

辅助完成硬件焊接工作，协调前后工作，并完成“课程设计报告”。

三、使用主要电子元件及个数

单片机AT89C51一个、3位数码管一个、超声波发射接收模块一个、5V电源、电容、电阻

4、实验电路图

1.系统的总体设计

图2系统总框图

系统总框图如上图2所示，本系统采用AT89C51单片机作为主控器，使用3位数码管作为系统显示屏，单片机发出40kHz脉冲驱动超声波发射，使用定时器进行计时和控制，在本系统中，超声波的发射电路和接收电路，我们使用了模块。

2显示电路设计

本课题显示电路选用数码管，数码管具有低电耗、寿命长、易于维护的特点，同时精度比较高，称量快，精确可靠，编程容易，操作简单。

其连接电路如下图3所示：

图3显示电路

3系统主控制单片机电路

该系统主电路原理图如下图4所示，单片机采用89C51系列，单片机使用外部时钟源，外接12MHZ的晶振，由P1．0口直接输出40KHZ的驱动信号给超声波发射接口。

超声波接收器接收到回波后，经放大滤波后，由单片机接收进行计

算处理，并送出显示，显示电路采用简单实用的3位数码管。

图4

四、程序流程图

否

是

五、作品演示

如下图所示，其中图5是最小距离的测量结果，由于没有皮尺，还没测出最远的距离，如图6，图7都是随便测量的一个距离。

图5

图6

图7

在本电路中，只有接上5v电源，打开开关，将发射探头对准物体就可以工作，结构简单，使用方便，具有很大的应用前景。

7、设计方案中的不足及改进

本系统的不足之处是，在设计超声波测距仪时，还没有充分考虑了环境温度对超声波传播速度的影响。

由于超声波属于声波范围，其波速c与温度有关，由前人经验得出超声波的波速与温度的关系，如表1所示。

将测量的速度数据与温度数据进行一阶拟合得出：

c=331.6+0.6107xT

（2）

式中T——当地温度。

所以要改进，则在测距时，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定其时的波速c。

波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离H，这样能较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。

还有，为了使车后行人知道汽车在倒车，及时进行避让，可设计了“倒车，请注意！

”的语音警告功能，同时有放光提示，提醒行人注意。

由于时间的关系，我们都没能做出上述功能，如果加上了上述功能，则该系统会具有较高的适应能力和准确度，具有较好的应用前景。

八、实验总结

在该实验的设计中，本来我们是不使用模块的，在超声波发射电路中用9012来放大信号，驱动发射探头发射超声波，而超声波接收电路则由CX20106A组成。

它是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。

而且用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

但由于一直测试都没有结果出来，最后一天，我们改用了模块来完成本系统的设计。

由于此次设计没有做出温度补偿和声音提醒功能，这有待于改进。

但我们理论上在讨论改进问题时已经做出了讨论，对设计有一个很好的理论基础。

设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，以数字的形式显示测量距离。

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。

此次设计采用反射波方式。

超声波测距仪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。

其中超声波发射接收部分使用模块，单片机则采用AT89C51系列，采用12MHz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P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的3位共阴LED数码管。

九、参考文献

（1）《单片机原理及接口技术》，北京航空天大学出版社，2006.12。

附录：

程序清单

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPINSER

ORG0030H

;产生40KHz脉冲驱动超声波发射器

MAIN:

SETBEX0

SETBIT0

SETBEA

MOVP3,#0FFH

;设定定时器初值，计时开始

L1:

MOVTMOD,#10H

MOVTL1,#00H

MOVTH1,#00H

SETBTR1

;发送40KHz脉冲，等待回波信号

L3:

ACALLDELAY03

CPLP0.0

JBP3.2,L3

;进入中断，计算距离

INSER:

CLREX0

CLRTR0

MOVA,TH1

MOVB,#23

DIVAB

MOVR1,A

MOVA,#10

MULAB

MOVR2,B

MOVB,#10

MULAB

MOVR3,B

MOVA,TL1

MOVB,#59

DIVAB

ADDCA,R3

MOVR3,A;厘米存R3

MOVA,R2

ADDCA,#00

MOVR2,A;分米存R2

MOVA,R1

ADDCA,#00

MOVR1,A;米存R1

;结果显示

MOVDPTR,#TAB

LOOP:

MOVP2,#0FEH;位控字，先点亮最右边

MOVA,R1;取显示数据

MOVCA,@A+DPTR;取出字形码

ORLA,#80H

MOVP0,A;送出显示

ACALLDELAY02

MOVP2,#0FDH

MOVA,R2;取显示数据

MOVCA,@A+DPTR;取出字形码

MOVP0,A;送出显示

ACALLDELAY02

MOVP2,#0FBH

MOVA,R3;取显示数据

MOVCA,@A+DPTR;取出字形码

MOVP0,A;送出显示

SETBEX0

SETBTR0

RETI

TAB:

DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H

DELAY02:

MOVR7,#02H

DL:

MOVR6,#0FFH

DL1:

DJNZR6,DL1

DJNZR7,DL

RET

DELAY03:

MOVR5,#0DH

DL2:

DJNZR5,DL2

RET

END