第3章 超声波测距器的设计资料.docx
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第3章超声波测距器的设计资料
第3章超声波测距器的设计
3.1功能要求
由于超声波具有指向性强、能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点，超声波被经常用于距离的测量。
利用超声波测量距离设计较方便，计算处理较简单，而且在测量精度上也能达到日常使用的要求。
本项目设计的超声波测距器可应用于汽车倒车、建筑施工工地及一些工业现场的位置监控，也可用于诸如液位、井深、管道长度、物体厚度等的测量。
测量范围为0.10~4.00m，测量精度为1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰、稳定地显示测量结果。
设计的主要功能：
在检测范围内，与障碍物的远近，用五盏LED灯显示说明。
当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理，然后控制蜂鸣器和LED报警，用5个发光二极管来显示距离长短的趋势。
（1）当被测距离大于等于100cm时，5个灯全亮，且不发声。
（2）当被测距离小于100cm时，离障碍物的距离是否越来越近或越来越远，来改变蜂鸣器发声越来越快或越来越慢。
当被测距离大于等于75cm小于100cm，亮4个灯；
（3）当被测距离大于等于50cm小于75cm，亮3个灯；
（4）当被测距离大于等于30cm小于50cm，亮2个灯；
（5）当被测距离小于30cm，亮1个灯，蜂鸣器急促报警。
3.2主要器件介绍
超声波传感器
1、超声波的特性
人类能听到的声音频率范围为：
20Hz-20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下频率的声音称为低频声波，20kHz以上频率的声音称为超声波。
当声音的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就会觉察不出周围声音的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20kHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。
它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。
超声波的主要基本特性：
（1）波长
波的传播速度是用频率乘以波长来表示。
电磁波的传播速度是3×108m/s，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s（20℃时）。
在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。
正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。
（2）反射
要探测某个物体是否存在，超声波就能够在该物体上得到反射。
由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100％的超声波，因此我们可以很容易地发现这些物体。
由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因此很难利用超声波探测到它们。
同时，由于不规则反射，通常可能很难探测到凹凸表面以及斜坡表面的物体，这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所，并且测试物体必须反射超声波。
（3）温度效应
声波传播的速度“c”可以用下列公式表示。
c=331.5+0.607t（m/s）式中，t=温度（℃）也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。
因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的，尤其冬季室内外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用18B20作温度补偿来减小温度变化所带来的测量误差，考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要是用于测距功能，对测量精度要求不高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。
（4）衰减
传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。
超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。
（5）灵敏度特性
灵敏度是表示声音接收级的单位，使用下列公式予以表示。
灵敏度=20logE/P（dB）式中,“E”为所产生的电压（Vrms），“P”为输入声压（μbar），超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围。
当频率在40kHz时传感器所对应的灵敏度最高。
2、超声波传感器
完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声波探头。
超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多用作探测方面。
它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。
超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。
由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。
医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。
主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大，灵敏度高。
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能就可制成超声波传感器。
另外，超声波在空气中的传播速度较慢，为340m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简便。
我们选用压电式超声波传感器。
它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷，是利用压电材料的压电效应来进行工作的。
逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器大体可以分为两大类：
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。
超声波发生器内部结构如图3.1所示，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，这时它就成为超声波接收器了。
图3.1超声波传感器结构
3.3硬件电路设计
硬件电路主要分超声波发射接收器、单片机控制电路、显示电路和报警电路四部分。
超声波测距器用STC89C52单片机作为核心控制单元,当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理，然后控制蜂鸣器和LED报警。
设计框图如图3.2所示。
图3.2系统设计方框图
3.3.1超声波模块
超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。
模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
基本工作原理：
采用IO口TRIG触发测距，给至少10μs的高电平信号;模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。
实物如图3.3所示。
其中VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四支线。
图3.3超声波模块实物图
超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下：
IO口触发，给TRIG口至少10us的高电平，启动测量；模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*340）/2，单位为m.程序中测试功能主要由两个函数完成。
3.3.2单片机系统及显示电路
单片机与显示系统电路原理图如图3.4所示。
图中VCC为5V的工作电源，5个发光二极管（D1~D5）显示被测距离长短的趋势。
当大于等于100cm，5个发光二极管全亮，且不发声。
距离小于100cm时开始报警，离障碍物的距离越近报警声越急促。
当被测距离大于等于75cm小于100cm时，4个发光二极管亮；当被测距离大于等于50cm小于75cm，3个发光二极管亮；当被测距离大于等于30cm小于50cm时，2个发光二极管亮；当被测距离小于30cm，1个发光二极管亮，蜂鸣器急促报警。
图3.4单片机与显示系统电路原理图
3.3.3声音报警电路
用一个蜂鸣器和三极管8550、电阻接到单片机的P2.3引脚上，构成声音报警电路，其中三极管的放大作用就是：
集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：
集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。
如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。
如果集电极电流Ic是流过一个电阻R（蜂鸣器相当于电阻R）的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。
我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。
如图3.5示为声音报警电路：
图3.5声音报警电路图
3.4系统的程序设计
3.4.1测距分析
最常用的超声测距的方法是回声探测法，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。
由于超声波也是一种声波，其声速v与空气温度有关，一般来说，温度每升高1℃，声速增加0.6m/s。
表3.1列出了几种温度下的声速关系：
表3.1超声波波速与温度的关系表
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
323
338
344
349
386
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。
如图3.6所示：
t
超声波发射障碍物
S
H
θ
超声波接收
图3.6超声波的测距原理
[3-1]
[3-2]
式中:
L---两探头之间中心距离的一半.
又知道超声波传播的距离为:
[3-3]
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.
将[3-2]、[3-3]代入[3-1]中得：
[3-4]
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T=30度时,V=349m/s）;当需要测量的距离H远远大于L时,则[4-4]变为:
[3-5]
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.
超声波在空气中的传播速度一般为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H，即：
H=340t/2。
3.4.2主程序
主程序流程图如图3.7所示。
首先设计上电时让蜂鸣器叫一声，目的是提示已开机。
等待1ms后执行任务。
随后是对系统环境初始化：
设置单片机IO口P0、P1、P2、P3为高电平；设置EA=1，开启总中断；设置TMOD=0x11，使定时器0和定时器1工作方式为方式1；设置TR0=1和TR1=1，允许定时器0和定时器1定时计数；设置ET0=0，关闭定时器0的中断；设置ET1=1，开启定时器1的中断。
设置完毕后，发射超声波信号，待检测到超声波信号时，执行测距报警。
图3.7主程序流程图
3.4.3超声波测距程序
单片机发送端c_send（P3.2口）向TRIG（触发信号输入）发送10μs的高电平触发，这时发射超声波，也关闭了定时器0并且把定时器0清零，保证定时器0准确计数，由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1μs。
然后单片机发送端c_recive（P3.3口）等待,待检测到EHCO（回响信号输出）为高电平时，开启定时器0定时计数，读取高电平持续时间，并比较是否大于40ms，如果大于40ms，就关闭定时器0，反之，就计算出距离，再关闭定时器0。
超声波发射探测流程如图3.8所示：
图3.8超声波发射探测流程图
3.4.4报警程序
报警工作流程如图3.9所示：
图3.9报警程序流程图
定时器1设TH1=（65536-2000）/256，TL1=（65536-2000）%256，即设置为2ms中断一次，中断150次为一个周期，即300ms，就是一个周期执行一次超声波发射探测流程，为了使超声波模块能测的得距离更加准确。
然后来比较超声波探头离障碍物的距离是否大于等于100cm：
（1）小于100cm时，通过定时器1的中断计的次数来比较离障碍物的距离，是否越来越近或越来越远，来改变蜂鸣器发声越来越快或越来越近；
大于等于75cm小于100cm，亮4个灯，P1=0xf0；
大于等于50cm小于75cm，亮3个灯，P1=0xf8；
大于等于30cm小于50cm，亮2个灯，P1=0xfc；
小于30cm，亮1个灯，P1=0xfe，并且急促报警。
（2）大于等于100cm时，beep=1，P1=0xe0，蜂鸣器不发声，亮5个灯。
3.4.5系统的参考程序
#include//调用单片机头文件
#defineucharunsignedchar//无符号字符型宏定义变量范围0~255
#defineuintunsignedint//无符号整型宏定义变量范围0~65535
#include
sbitc_send=P3^2;//超声波发射
sbitc_recive=P3^3;//超声波接收
sbitbeep=P2^3;//蜂鸣器IO口定义
bitflag_300ms;
longdistance;//距离
uintset_d;//距离
ucharflag_csb_juli;//超声波超出量程
uintflag_time0;//用来保存定时器0的时间
/***************5个LED指示灯****************/
sbitled1=P1^0;
sbitled2=P1^1;
sbitled3=P1^2;
sbitled4=P1^3;
sbitled5=P1^4;
/***********************1ms延时函数*****************************/
voiddelay_1ms（uintq）
{
uinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<120;j++）;
}
/******************小延时函数*****************/
voiddelay（）
{
_nop_（）;//执行一条_nop_（）指令就是1us
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
}
/*********************超声波测距程序*****************************/
voidsend_wave（）
{
c_send=1;//10us的高电平触发
delay（）;
c_send=0;
TH0=0;//给定时器0清零
TL0=0;
TR0=0;//关定时器0定时
while（!
c_recive）;//当c_recive为零时等待
TR0=1;
while（c_recive）//当c_recive为1计数并等待
{
flag_time0=TH0*256+TL0;
if（（flag_time0>40000））//当超声波超过测量范围时，
{
TR0=0;
flag_csb_juli=2;
break;
}
else
{
flag_csb_juli=1;
}
}
if（flag_csb_juli==1）
{
TR0=0;//关定时器0定时
distance=flag_time0;//读出定时器0的时间
distance*=0.017;//距离=速度*时间；0.017cm/uS=（34000cm/1000000uS）/2
}
}
/*********************定时器0、定时器1初始化******************/
voidtime_init（）
{
EA=1;//开总中断
TMOD=0X11;//定时器0、定时器1工作方式1
ET0=0;//关定时器0中断
TR0=1;//允许定时器0定时
ET1=1;//开定时器1中断
TR1=1;//允许定时器1定时
}
/****************报警函数***************/
voidclock_l（）//下限报警函数距离超近声音超快
{
staticucharvalue,value1;
if（distance<=100）
{
value++;//消除实际距离在设定距离左右变化时的干扰
if（value>=2）
{
value1++;
if（value1>=distance*2）//这里是控制报警声越来越快
{
value1=0;
beep=~beep;//蜂鸣器报警
}
}
}
else
{
value=0;
beep=1;
}
}
/***************主函数*****************/
voidmain（）//主函数
{
beep=0;//beep代表P3.2口，接蜂鸣器。
beep=0目的是开机叫一声
delay_1ms（150）;//延时
P0=P1=P2=P3=0xff;//初始化单片机IO口为高电平
send_wave（）;//测距离函数
time_init（）;//定时器初始化程序
send_wave（）;//测距离函数
send_wave（）;//测距离函数
while
（1）
{
if（flag_300ms==1）
{
flag_300ms=0;
send_wave（）;//测距离函数
if（beep==1）
send_wave（）;//测距离函数
if（distance<30）
P1=0xfe;//1个灯亮
elseif（distance<50）
P1=0xfc;//2个灯亮
elseif（distance<75）
P1=0xf8;//3个灯亮
elseif（distance<100）
P1=0xf0;//4个灯亮
else
P1=0xe0;//5个灯亮全亮
}
}
}
/*********************定时器1中断服务程序************************/
voidtime1_int（）interrupt3
{
staticucharvalue;//定时2ms中断一次
TH1=0xf8;
TL1=0x30;//2ms
value++;
clock_l（）;//下限报警函数距离超近声音超快
if（value>=150）
{
value=0;
flag_300ms=1;
}
}
3.5功能扩展
本设计给出了一个简单的超声波测距系统。
设计者可以对该设计进行功能扩展。
设计一个带显示距离的汽车倒车雷达系统，通过LCD液晶显示距离或影像。
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