基于51单片机超声波测距模块的设计.docx
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基于51单片机超声波测距模块的设计
西南科技大学
毕业设计（论文）
题目名称：
基于51单片机的超声波测距模块设计
年级：
2003级■本科□专科
学生学号：
20035095
学生姓名：
时余春指导教师：
何宏森胡天链
学生单位：
信息工程学院技术职称：
讲师
学生专业：
生物医学工程教师单位：
信息工程学院
西南科技大学教务处制
基于51单片机的超声波测距模块设计
摘要：
本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声波测距模块。
该模块以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。
论文概述了超声检测的发展及基本原理，介绍超声波传感器的原理及特性。
对于测距系统的一些主要参数进行了讨论。
并且在介绍超声测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。
针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。
进一步介绍了单片机AT89C51在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。
最后利用测距系统进行验证。
实验表明，各主要波形及技术指标均达到设计要求。
该系统对室内有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分析了误差产生的原因及如何对系统进行完善。
关键词：
51单片机；超声波；测距
DesignofUltrasonicDistanceMeasurementBasedonAT89C51MCU
Abstract:
Thethesisintroducesakindofsingle-pulse-refectionultrasonicdistancemetersystemmoduleindetailbasedonMicrocontroller.Thesystemcouldmeasurecertaindistancewiththereflectedwaveonconditioninwhichthespeedoftransmittingwaveisfixed.Thispapersummarizesthedevelopmentandfoundationalprincipleofultrasonicdetections.Thenitpresentsthetheoryandcharactersofultrasonicsensor.Atthesametime,itdiscussesanumberofmaintechnicalparameters.Moreover,itproposesthewholestructureofthesystembyintroducingthefunctionofultrasonicdistancemeter.Andthenthetransmissionreceiver,detection,displayschemeofthisdistancemetersystemisdemonstrated.Specially,aftertheapplicationofAT89C51microcontroller,itanalyzesthehardwareandsoftwarerealizationofeachpartinthissystem.Atlasttheresultanderroranalysisoftheexperimentsispresented.Itisprovedbyexperimentsthatthedesignofthesystemisprovidedwithhighaccuracyandreliability.Intheend,thefurthermeasuresofmodificationarepresented.
Keywords:
AT89C51MCU,ultrasonic,distancemeasurer
第1章绪论
1.1课题背景
本设计依托电子技术、嵌入式处理计算技术、机器人技术、传感器技术，并根据当前科学技术发展潮流，引出对用于机器人中的超声波传感器测距模块的研究与设计。
1.1.1机器人感知系统研究现况
近年来，机器人的研究与发展倍受世人关注。
机器人系统广泛融合了机器人学、机电一体化、通讯与计算机技术、图像处理、传感器数据融合、决策与对策、模糊神经网络与智能控制等诸多学科内容，是研究多智能系统理论的良好实验平台。
从某种程度上说，机器人技术是反映国家高科技综合实力的一场“技术战争”。
在简单的自主行走机器人系统中,机器人要实现在未知和不确定环境下行走,必需实时采集环境信息,以实现避障和导航。
这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成。
视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到应用。
其中超声波传感器以其信息处理简单、速度快、性价比高和硬件实现方便等优势,被广泛地应用到行走机器人感知系统中[1]。
1.1.2传感器技术概况
人类为了从外界环境中获取有用信息，必须借助于自身的感觉器官。
但是，人的感觉器官并不是万能的。
与其它动物一样，为了把生命维持下去，人类只是有选择地捕捉一些重要信息。
为了进一步研究自然现象、制造劳动工具，改善生存环境，只靠这些感觉器官就显得很不够用了。
于是，作为一种替代和延伸工具，采用了能代替或者补充感觉器官功能的各种传感器，传感器是人类五官的延长，所以也被称作“电五官”。
现代计算机的产生和发展，给人类文明带来了巨大的影响。
特别是大规模和超大规模集成电路出现之后，计算机的核心部件有了惊人的发展，同时也要求外部设备与之相配合。
计算机输入的外部硬件主要就是传感器，传感器的发展将使计算机的功能得到充分的利用，同时也将促进计算机的进一步发展，传感器发展不足会极大地限制计算机功能的发挥，就如同一个人具有发达的大脑而欠灵活的五官一样。
有人说，计算机与传感器的协调发展，才能决定技术的将来，这句话是有一定道理的[2]。
1.2课题目的及意义
学习使用单片机的控制功能和用超声波传感器实现测量距离，并且掌握使用Protel99进行电路设计和制图的方法步骤，能将设计出的电路原理图下载到PCB板进行仿真。
理解超声波传感器的超声波发生机制及发射、接受，放大装置和以单片机AT89C51为中心控制单元，实现超声波发射及其遇到障碍物发生反射形成回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，以完成设计目标，熟悉51单片机软件编程及调试环境KeilC51软件。
通过对本课题的研究学习，还将会有以下作用：
1、理解超声波技术、机器人技术的一些基本规律和必要的基本概念。
2、了解超声技术与其他学科的关系与应用，扩大知识面。
3、了解当前科技发展前沿方向，做到个人在时代发展中良好测距。
4、培养抽象思维能力，分析问题和解决问题的能力。
5、掌握做人处事的方法技巧，成为真正的应用性、综合性人才。
1.3课题设计研究范围及成果
本课题研究的超声波传感器模块测距技术是一种非接触式的测量物体间距离的方法，它是基于无目视能力的生物（如蝙蝠等）防御及捕捉猎物生存的原理,利用超声波在空气等媒质中传播,通过遇到障碍物反射回来的时间间隔长短及被反射超声波的强弱判断障碍物性质和位置的方法，它在现在机器人中有着举足轻重的作用。
本课题完成设计了一种以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、小型化数字显示超声波传感器测距模块，其硬件电路和软件程序设计思路清晰，方案简单可行。
第2章超声波传感器模块测距方案分析
2.1超声波与超声波的应用
声学作为物理学的一个分支，它是研究声波的发生、传播、接收、效应的一门科学，声学全部频率为10
Hz～10
Hz,通常把频率为2×10
Hz～10
Hz的声波称为超声波。
表2-1是各种频段的声波及其特点。
人们习惯上常以工程应用为目的,而不是以听觉为目的,把某些可听声的应用亦列入超声技术的研究范围。
因此,在实际应用中,有些超声技术使用的频率可能在16kHz以下,而超声波频率的上限是10
Hz,整个频率范围相当宽,占据声学全部频率范围的1/2以上。
表2-1声波的种类及特点
声波种类
频率/赫兹
特点
次声波
<20
人耳听不到船舶衰减很小，传播距离很远
可闻波
20—2
人耳可以听到
超声波
2
—1
传播频率较高，传播方向性较强，介质振动强度大，在流体中传播可产生空化现象
特声波
1
—1
传播衰减很大波长短，频率大致与微波相对应
1893年Golton发现了超声哨子，此时建立了超声波领域。
超声波具有如下特性：
1、超声波的频率很高,传播的方向性较强；
2、超声波传播过程中,介质质点振动的加速度非常大；
3、在液体介质中,当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象；
超声波的作用机制[3]-[5],目前人们认为超声波有4个基本作用:
①线性的交变振动作用,就是说超声波在媒质中传播时,必然使媒质粒子作交变振动,并引起媒质中的应力或声压的周期性变化,从而引起一系列次级效应；②大振幅振动在媒质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波,在波面处造成很大的压强梯度,因而能产生局部高温高压等一系列特殊效应；③振动的非线性会引起相互靠近的柏努利力和由黏度的周期性变化而引起的直流平均黏滞力,这些直流力可以说明一些定向作用、凝聚作用等力学效应；④空化作用,这是只能在流体媒质中出现的一种重要的基本作用。
在声场中,液体中的气泡可能逐步生成和扩大,然后突然破灭,在这急速的气泡崩溃过程中,气泡内出现高压高温,气泡附近的流体中也形成局部强烈的激波。
因此就可以产生一系列次级效应,如化学效应、声致发光、分散作用和乳化作用等。
在流体中进行的超声处理技术,几乎大多数都与空化作用有关。
这些作用导致5种效应见表2-2。
表2-2超声波的五种效应
效应
作用
力学效应
搅拌作用，分散作用，去气作用，成雾作用，凝聚作用，定向作用，冲击破碎作用，疲劳破坏作用等
热学效应
吸收引起的整体加热，边界面处的局部加热，形成激波时波前处的局部加热等
光学效应
引起光衍射、折射、双折射、声致发光等
电学效应
在亚电、压磁材料中产生电场和磁场，引起电子逸出和电化学效应等
化学效应
促进化学反应，促进氧化还原，促进高分子物质的聚合或解聚，引起照相底片的感光，引起生化学发光等
总之超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。
但在1940年以前,只有单晶压电材料,这种超声波技术存在许多缺点,使得超声波未能得到广泛应用。
20世纪40年代，人们发现了压电多晶材料——钛酸钡压电陶瓷。
50年代，美国贾菲等发现了PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统。
70年代，人们又研制出PLZT透明压电陶瓷。
压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。
80年代中期,由于功率超声波设备的普及与应用,超声波的研究应用才迅速展开。
目前超声波已广泛应用于化学、医学、食品工业、工业焊接、废水处理、机器人学和材料的改性等方面[6]。
2.2超声波传感器
本设计用超声波作为检测距离的手段，必须要发射超声波信号和接收超声波回波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上也称为超声波传感器，或者超声波探头，本文一致称为超声波传感器。
2.2.1超声波传感器的原理及结构
超声波传感器是一种将其他形式交变的电信号，转变为所需超声频率范围内的超声波信号或者是把外界声场中的超声波信号，转变为同频率的其他形式的电信号的能量转换器件。
超声波传感器的种类很多，按照实现超声波传感器机电转换的物理效应的不同，可将传感器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。
另外由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式也是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型超声波传感器称为“哨”或“笛”。
目前压电式超声波传感器的理论研究和实际应用最为广泛，本文的超声波传感器测距模块选用的也是压电式超声波传感器。
压电传感器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料发展为前提条件的，1880年居里兄弟发现了晶体的压电效应，但是直到电子管放大器的发明，压电材料的压电效应才真正用于电声转换上来。
在第一次世界大战期间，法国物理学家朗之万于1916年研制成功了第一个实用的压电传感器，并将其应用于潜艇的探测中。
在朗之万发明的传感器中，压电石英晶片被夹在两块厚钢板中，后来这种传感器被广泛应用于超声探测仪中。
直到现在，朗之万型传感器仍在得到广泛的应用，如功率超声和水声中。
同时，由于压电超声波传感器作为高频声源的出现，使得高频声的研究成为现实，而声学的应用也被迅速的扩展，一个重要的声学分支——超声学也迅速发展起来，并得到了越来越多的重视。
常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等。
压电效应原理：
1、逆压电效应
将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。
如电场反向，则形变亦反向。
这一现象称为逆压电效应。
利用逆压电效应能产生超声波。
将适当的交变电信号施加到晶体上，晶体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体耦合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到该弹性介质中。
2、正压电效应
当对某电介质施加应力时，产生的形变将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。
利用正压电效应制成将机械能（即声能）转换成电能，并用来接收超声波的装置，称为接收传感器。
超声波传感器的结构
超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生超声频电压加到超声波传感器的压电陶瓷上时，压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵向振动。
压电组件在超声振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，但是这种振动加速度很大，于是把电磁振荡能量转化为振动能量，这种巨大的超声波能量沿着特定方向传播出来。
其关键技术就是使超声波声束变细，除待测物体外，不受其它构造物的影响。
超声波传感器是产生超声波必需的能量转换装置，它能把超声波电磁振荡的能量转换为声波。
相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反，芯片的数目成偶数，以使前后金属盖板或壳体与同一极性的电极相连，否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈，会导致结构不必要的增大。
两芯片之间，芯片与金属盖板之间通常夹以薄黄铜片，作为焊接电极引线用，芯片，电极铜片用强力胶粘合。
在压电组件的中央部分用结合轴和圆锥状谐振子连成一体，圆锥状谐振子的边缘部分装有圆环状弹性橡胶减振器，使之与外壳固定，起声阻匹配作用。
在电—声变换部分的前面的超声波束整形板，使对应圆锥状谐振子的振动模式设置几个开口。
使超声波波束指向尖锐，吸声片吸收多余反射声波[20]。
通过上述超声波传感器结构，配以适当的收发电路，可以使超声能量定向传输，并按预期接收反射波，实现超声遥控、测距、防盗等检测功能。
本系统设计中所用超声波传感器内部结构如图2-1所示。
图2-1超声波传感器结构
2.2.2超声波传感器的分类
超声波传感器根据应用范围的不同可以分为以下四类：
1、通用性超声波传感器
超声波传感器的带宽一般为几kHz，并具有选频特性。
通用型超声波传感器的频带窄，但是灵敏度较高，抗干扰性强。
但是通用型接收传感器与发送传感器是分开使用的，测量中必须成对儿使。
在多通道通信使用时器件比较多，使用不方便，此时采用宽频带传感器较为方便。
因为宽频带传感器发送和接收是以各探头的传感器输出开路时，其输出电压较高，但是阻抗也高，易受噪声的影响，通常要接入一个几k到几百k的电阻。
2、宽带型超声波传感器
宽带型超声波传感器在工作带宽内具有二个谐振频率，即具有二个谐振点。
所以，一个传感器可以兼作发送传感器和接收传感器。
宽带传感器具有两个谐振频率，其频率特性就相当于两种产感器的结合。
因此，在很宽频带范围内具有较高的灵敏度。
3、密封性超声波传感器
密封型超声波传感器对环境的适应性强，可应用于汽车后方检测物体的装置以及待时计算器等。
4、高频性超声波传感器
上述各类型传感器的中心频率只有十kHz，但是中心频率高于100kHz的传感器近年来也有销售。
2.2.3超声波发射器
超声波发射器的基本性能如表2-3所示。
表2-3超声波发射器
工作原理
传感器名
变换元件
效应
机理
发射元件
典型材料
反电压
高频电致形变，微波谐振腔中置入压电棒，使之振荡
压电型发射器，压电型微波声波发射器
压电型晶体板
压电型晶体膜
压电晶体棒
石英、铌酸锂、硫酸锂、罗歇尔盐、硫酸镉、氧化锌
电致伸缩
在极化电致伸缩材料上加以高频电压起振
电致伸缩发生器
高分子电致伸缩膜无机电致伸缩板、无机电致伸缩膜
PVDF钛酸钡
钛酸锆酸铅（PZT）PZT
动电
将动圈与振动板固定，放入恒磁场中，加交流电使之振动
动圈发射器
振动板与动圈
硬铝
电磁
在磁性振荡所处的激励线圈中加入交流电、使交流磁场引起振动板振动
电磁型发射器
软磁性薄板
坡莫合金
磁致伸缩
偏置磁场上加交流磁场使磁致伸缩板变形振动、在静磁场偏置下通过微波的强磁性共振产生超声波
磁致伸缩发射器
磁致伸缩薄板
磁致伸缩铁氧体
镍、阿尔费罗
超声波发射器的作用是形成与被检测相作用的超声波束，他的特性包括共振频率、方向性、电声变换效率、稳定性等。
按照所使用领域的不同，超声波束可以是强方向性的、扇状的、无方向的形状，还有些发射器附带有调整层，以便发射波与媒质的音内阻抗相匹配。
超声波发射器的驱动机构包括，反压电效应、电致伸缩效应、动电效应、电磁效应、磁致伸缩效应等它恰好是上述超声波接收的相反作用，所以从结构上来看，发射与接收呈一一对应关系。
2.2.4超声波接收器
表2-4给出了超声波接收器的基本性能，如表2-4所示，接收原理基于伴随声波而产生的电容、压电、反压电、动电、电磁、反磁致伸缩声光效应等。
优点是与空气的声阻抗匹配良好，频带宽。
压电型主要用石英晶体或氧化锌材料。
电致伸缩型微音器的接受器用反电压效应大的电介质板作为接收器。
结构上由采用PVDF膜作为受音体，也有采用钛酸、锆酸铅系列陶瓷以板状或圆桶型受音体的结构形式。
在压电膜上制作梳状电极，可以构成检测超高频段的声表面波的传感器。
动圈式微音器的结构为在磁场中防止带有受音板的可动线圈或导体带，当它们因超声波而运动时，产生感应电动势，由于受音体惯性大，因而只适用于低频。
电磁效应型接收器的结构是将磁性受音板作为磁路的一部分，在磁路中设置拾音线圈。
当超声波传来时，受音板发生位移，使磁路磁场发生变化，在拾音线圈中产生电动势。
基于反磁致伸缩效应的超声波接收器构造主要有用磁致性伸缩材料构成的线圈状结构，适用于低频。
还有用磁致伸缩材料涂敷在物体表面上镶成的结构，适用于高频，前者检测感应电流；后者检测置于静磁场空腔谐振器内，因超声波导致磁阻致伸缩效应引起的微波磁场。
声光效应构成的超声波传感器有利于光纤的波导部分的形变敏感构成的结构，也有利于利用对弹性体表面或内部弹性波束的衍射品格作用形成的结构。
表2-4超声波接收器
工作原理
传感器件
传感部分
典型材料
效应
机理
电容
对声波敏感的电容量变化引起电容变化
电容式微音器
涂敷金属受压膜
聚酯
压电
声压使压电晶体上产生电压
压电型波接收器
压电型结晶板
压电型结晶薄膜
石英晶体、铌酸锂、硫酸锂、罗歇尔盐、硫化镉、氧化锌
反电致伸缩
声压使电致伸缩材料上产生电压
电致伸缩型微音器
高分子电致伸缩膜，无机电致伸缩板、无机电致伸缩膜
PVDF+PZT粉钛
酸锆酸，铅铌酸，钛酸，钡PZT系
动电
超声波驱动固定在动圈上的振动板，切割磁力线产生电动势
动圈式微音器
受音板+动圈
硬铝
电磁
磁性同路中磁板因为超声波振动，产生感应电动势
电磁型受波器
受压磁性板
坡莫合金
反磁致伸缩
受压磁致伸缩板的形变引起磁场变化，产生感应电流
磁致伸缩受波器
受压磁致伸缩板
磁致伸缩薄膜
金属∶镍、阿尔费罗
磁：
Ni-Cu铁氧体
Ni，坡莫合金
2.3系统主要参数考虑
2.3.1传感器的指向角θ
传感器的指向角是声束半功率角的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测距的分辨率。
对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径r有关。
见公式（2-1）
sin
=1.615（2-1）
选f
=40kHz时，
=8.5mm。
当f
选定后，指向角θ近似于传感器半径成反比。
指向角θ愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。
鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低本次设计成本，在不降低空间分辨率的情况下，选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm，故
=75
2.3.2声速
由公式（2-3）可以看出，声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。
传播介质中声速的传播速度随温度杂质含量，和介质压力的变化而变化。
声速随温度变化公式为
（2-2）
式中，T是温度。
由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。
在常温下，声音在空气中的传播速度可依据公式2-2计算出为340mm/ms。
2.3.3测量盲区
在传感器以脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。
此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。
不同的检测仪器阻塞程度不一样。
根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。
由于发射脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离成为盲区[18]，其具体分析如下：
当发射超声波时，发射信号虽然只维持一段极短时间，但是停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振（由于机械惯性作用）。
因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平V
；另外，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使在离探头较近的表面发射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。
当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。
在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。
为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定阈值V
，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接收放大器由输入信号。
2.4超声波传感器模块设计原理
超声波测距的常用方法有渡越时间法、频差法、幅值法等。
其中，渡越时间法因其原理简单，实现方便，而被广泛采用。
利用超声波传感器采取渡越时间法测量距离的基本原理是：
超声波测距模块单片机控制器通过发送一定频率的脉冲信号，激励超声波发射器产生超声波，超声波通过介质到达物体表面，形成反射波，反射波再经介质传播返回到接收器，由接收器把声波信号转换成电信号，由控制器测出超声波从发射声波到接收所需的时间，再根据超声波在介质中的传播速度用距离公式计算出
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