超声波测距器的课程设计.docx

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超声波测距器的课程设计

福建电力职业技术学院

课程设计

课程名称：

智能仪器

题目：

超声波测距器的设计

专业班次：

09（三）建筑电气1

姓名：

学号：

（28号）

指导教师：

学期：

2010-2011学年第一学期

日期：

2011.110-2011.1.21

引言I

第一章任务设计1

1.1课题内容1

1.2功能要求1

第二章设计思路2

2.1超声波测距仪的设计思路2

2.2超声波测距原理2

2.2.1超声波测距仪原理框图3

第三章设计原理分析4

3.1系统组成4

3.1.1硬件部分4

3.1.2软件部分4

3.2系统硬件电路设计4

3.2.1单片机测距原理4

3.2.2超声波发射电路4

3.2.3 超声波检测接收电路5

3.2.4 LED显示电路6

3.3主程序流程图6

3.4实现测距程序8

第四章总结14

参考文献II

引言

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。

但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：

研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。

随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。

但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。

因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。

城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。

而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。

控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。

因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。

这就是我设计超声波测距仪的意义。

第一章任务设计

1.1课题内容

超声波测距器的设计。

1.2功能要求

超声波测距是一种非接触测量方法，超声波具有频率高、波长短、指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、不受电磁干扰、回波表现稳定，测量精度高等优点，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实时控制, 所以通常采用超声波测距装置进行距离检测。

该超声波测距仪，要求测量范围在0.08-3.00m，测量精度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。

第二章设计思路

2.1超声波测距仪的设计思路

超声波是指频率高于20KHz的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

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具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

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

测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。

超声波发生器可以分为两类：

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。

本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

2.2超声波测距原理

发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。

由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表2-1超声波波速与温度的关系表：

温度（℃）

-30

-20

-10

100

声速（m／s）

313

319

325

323

338

344

349

386

2.2.1超声波测距仪原理框图

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如图2.2所示。

扫描驱动

LDE显示

单片机

控制器

超声波发送

超声波接收

图2.2超声波测距仪原理框图

第三章设计原理分析

3.1系统组成

3.1.1硬件部分

主要由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组成。

采用AT89S51来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。

单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。

计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

3.1.2软件部分

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等部分。

3.2系统硬件电路设计

3.2.1单片机测距原理

单片机发出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tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、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的可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法，限于实际需要，本电路只采用单路超声波发射接收。

由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

3.2.2超声波发射电路

压电超声波转换器的功能：

利用压电晶体谐振工作。

内部结构上图所示，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，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。

超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

本设计中发射器电路采用集成电路模块不需考虑这些问题，主要是采用4069反相器在换能器两端提供脉冲信号。

其原理图如图3.1所示。

图3.1超声波发射电路图

3.2.3 超声波检测接收电路

集成电路CX20106A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（如图3.2）。

实验证明用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CS的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

此部分电路在集成芯片上。

图3.2超声波检测接收电路图

3.2.4 LED显示电路

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，显示电路如下图3.3所示。

图3.3LED显示电路图

3.3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3-4（a）（b）（c）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。

定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。

主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。

置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。

然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，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仪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。

由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式

（1）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为344m/s则有：

d=（c×t）/2=172T0/10000cm （3-1）

其中，T0为计数器T0的计算值。

测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

为了有利于程序结构化和容易计算出距离。

图3.4主程序流程图

3.4实现测距程序

ORG 0000H

LJMPSTART

ORG 0003H

LJMPPINT0

ORG 000BH

LJMPINTT0

ORG 0013H

RETI

ORG 001BH

LJMPINTT1

ORG 0023H

RETI

ORG 002BH

RETI

;*************************主程序****************************

START:

MOV SP,#4FH

MOV R0,#40H

MOV R7,#0BH

CLEARDISP:

MOV @R0,#00H

INC R0

DJNZR7,CLEARDISP

MOV 20H,#00H

MOV TMOD,21H

MOV TH0,#00H

MOV TL0,00H

MOV TH1,0F2H

MOV TL1,0F2H

MOV P0,0FFH

MOV P1,0FFH

MOV P2,0FFH

MOV P3,0FFH

MOV R4,04H

SETBPX0

SETBET0

SETBEA

SETBTR0

START1:

LCALLDISPLAY

JNB 00H,START1

CLREA

LCALLWORK

SETB EA

CLR00H

SETB TR0

MOV R2,#64H

LOOP:

LCALLDISPLAY

DJNZR2,LOOP

SJMPSTART1

INTT0:

CLR EA

CLR TR0

MOV TH0,#00H

MOV TL0,#00H

SETBET1

SETBEA

SETBTR0

SETBTR1

OUT:

RET

;T1中断，发超声波用：

INTT1:

CPL P1.0

DJNZR4,RETIOUT

CLR TR1

CLR ET1

MOV R4,#04H

SETBEX0

RETIOUT:

RETI

;***********************外中断0，收到回波时进入***********************:

PINT0:

CLRTR0

CLRTR1

CLRET1

CLR EA

CLR EX0

MOV 44H,TL0

MOV 45H,TH0

SETB00H

RETI

;****************************显示程序*******************************：

DISPLAY:

MOVR1,#40H;G

MOVR5,#0F7H;G

PLAY:

MOVA,R5

MOVP0,#0FFH

MOVP2,A

MOVA,@R1

MOVDPTR,#TAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELAY

INCR1

MOVA,R5

JNBACC.0,ENDOUT;G

RRA

MOVR5,A

AJMPPLAY

ENDOUT:

MOVR2,#0FFH

MOVP0,#0FFH

RET

TAB:

DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH

;共阳段码管 "0","1","2","3","4","5","6","7","8","9","不亮","A","-"

;***********************延时程序***********************:

DELAY:

MOV R6,#14H

DL1:

MOV R7,#19H

DL2:

DJNZR7,DL2

DJNZR6,DL1

RET

;*********************距离计算程序********************：

WORK:

PUSH ACC

PUSH PSW

PUSH B

MOV PSW,#18H

MOV R3,45H

MOV R2,44H

MOV R1,00D

MOV R0,17D

LCALLMUL2BY2

MOV R3,#03H

MOV R2,0E8H

LCALLDIV4BY2

MOV 40H,R4

MOV A,40H

JNZ JJ0

MOV 40H,#0AH

JJ0:

MOV A,R0

MOV R4, A

MOV A, R1

MOV R5, A

MOV R3, 00D

MOV R2,#100D

LCALLDIV4BY2

MOV 41H,R4

MOV A,41H

JNZ JJ1

MOV A,40H

SUBB A,#0AH

JNZ JJ1

MOV41H,#0AH

JJ1:

MOVA,R0

MOVR4,A

MOVA,R1

MOVR5,A

MOVR3,#00D

MOVR2,10D

LCALLDIV4BY2

MOV42H,R4

JNZJJ2

MOVA,41H

SUBBA,#0AH

JNZJJ2

MOV42H,#0AH

JJ2:

MOV43H,R0

POPB

POPPSW

POPACC

RET

MUL2BY2:

CLR A

MOV R7,A

MOV R6,A

MOV R5,A

MOV R4,A

MOV 46H,#10H

MULLOOP1:

CLRC

MOVA,R4

RLCA

MOVR4,A

MOVA,R5

RLCA

MOVR5,A

MOVA,R6

RLCA

MOVR6,A

MOVA,R7

RLCA

MOVR7,A

MOVA,R0

RLCA

MOVR0,A

MOVA,R1

RLCA

MOVR1,A

JNCMULLOOP2

MOVA,R4

ADDA,R2

MOVR4,A

MOVA,R5

ADDCA,R3

MOVR5,A

MOVA,R6

ADDCA,#00H

MOVR6,A

MOVA,R7

ADDCA,#00H

MOVR7,A

MULLOOP2:

DJNZ46H,MULLOOP1

RET

DIV4BY2:

MOV46H,#20H

MOVR0,#00H

MOVR1,#00H

DIVLOOP1:

MOVA,R4

RLCA

MOVR4,A

MOVA,R5

RLCA

MOVR5,A

MOVA,R6

RLCA

MOVR6,A

MOVA,R7

RLCA

MOVR7,A

MOVA,R0

RLCA

MOVR0,A

MOVA,R1

RLCA

MOVR1,A

CLRC

MOVA,R0

SUBBA,R3

JCDIVLOOP2

MOVR0,B

MOVR1,A

DIVLOOP2:

CPLC

DJNZ46H,DIVLOOP1

MOVA,R4

RLCA

MOVR4,A

MOVA,R5

RLCA

MOVR5,A

MOVA,R6

RLCA

MOVR6,A

MOVA,R7

RLCA

MOVR7,A

RET

END

第四章总结

由于时间和其它客观上的原因，此次设计没有成功做出实物。

但是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。

单片机采用AT89S51或其兼容系列。

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4个七段共阳数码管组成动态扫描电路。

超声波发射电路主要由反相器4069和超声波发射换能器FSQ构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向

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