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1、基于51单片机的超声波测距系统的设计 单片机系统课程设计报告书题目：基于51单片机的超声波测距系统设计院系名称： 信息工程学院 专业名称： 电子信息工程 班 级： 信息1201B 学 号： 12341301xx 姓 名： x x 指导教师 禹定臣 摘 要超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软

2、件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路，另外还有复位电路和LED控制电路等。我采用以AT89C51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。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、供电、温度测量、显示等模块组成。发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计时器开始计时，超声波被发射后按原路返回,在经过放大带通滤波整形等环节,然后被单片机接收,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正, 结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控

3、制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在LED上。另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等，空气的温度对超声波的速度影响也很大。此外供电电源也会使测量差生很大的误差。再设计的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。关键词 AT89C51 超声波 测距基于单片机的超声测距系统设计 第1章 绪论1.1课题背景及重要意义近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确

4、高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应

5、用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了

6、广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。第2章 超声波测距原理与方法2.1超声波简介超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。2.1.1 超声波的三种形式超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：横波，质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波，质点振动方向与传播方向一致的波；表面波，质点振动介

7、于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。2.1.2 超声波的物理性质(1) 超声波的反射和折射当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播。这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。(2)超声波的衰减超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。(3)超声波的干涉如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。2.1.3 超声

8、波对声场产生的作用(1) 机械作用超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大，有时足以达到破坏介质的程度。(2) 空化作用在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。(3) 热学作用如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热

9、量，这种能量使介质温度升高。 2.2超声波传感器介绍总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：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。他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。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

10、动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波传感器结构如下： 图 2-1超声波传感器外部结构 图 2-2超声波传感器内部结构 2.2.1 超声波测距原理及结构电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。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。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

11、换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为ts，超声波传播速度为vms1表

12、示，则有关系式(2-1)s=vt2 (2-1)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式(2-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。v=3314+0607T (2-2)式中，T为实际温度单位为，v为超声波在介质中的传播速度单位为ms。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质就可制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有:1.压电传感器;2.磁致伸缩传感器;3.静电传感器。流体动力型中包括有气体

13、与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，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传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，妮酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变;相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。

14、所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向

15、成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 图2-3双压电晶片示意图双压电晶片如图2-3所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。图2-4双压电晶片的等效电路图双压电晶片的等效电路如图2-4所示，为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗,并联电阻Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感，为损耗串

16、联电阻。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率o。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆

17、锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波;接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。2.2.2超声波传感器选择超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、表面波探头(接收表面波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波;收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。在超声波测量系统中，频

18、率取得太低，外界的杂音干扰较多;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是4OKHz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40KI和一支接收传感器UCM-R4OKI组成，其特性参数如表2-5所示。表2-5传感器特性参数表型号UCM-T40K1UCM-R40KQ结构开放式开放式使用方式发射接收中心频率频带宽灵敏度声压指向角容量2.2.3超声波测距的原理超声波测距方法主要有三种：1）相位检测法：精度高，但检测范围有限；2）声波幅值检测法：易受反射波的影响；3）渡越时间法：工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：检测从发射

19、传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。设l为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，则有l=ct/2。综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。图 2-6 测距原理由于超声波也是一种声波，其声速c与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米秒。表2-7列出了几种温度下的声速：表2-7 声速与温度的关系表温度（摄氏度）3020100102030100声速（米秒）313319325323338344349386在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速c是基本不变的，计算时取c为340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改

20、变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。在本系统中利用AT89S52中的定时器测量超声波传播时间，利用DS18B20测量环境温度，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可表示为： (2-3)声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：L=1/2(331.4+0.6T)t。 （系统中应用该式进行温度补偿）如果为了进一步提高测量精度，本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的设计：。 （系统中应用该式进行角度补偿）2.2.4发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。减小发射脉冲宽度，

21、可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了 25s(l个40KHz方波脉冲)， 100s(4个40KHz方波脉冲)，200s(8个40KHz方波脉冲)， 800s(32个40KHz方波脉冲)的发射脉冲宽度，作为发射信号后的接收信号。最终采用短距离(2m内)发射 200s(8个40KHz方波脉冲)发射脉冲宽度;长距离(2m外)发射 800s(32个40KHz脉冲方波)的发射脉冲宽度，同时单片机编程避开盲区。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中

22、，并且接收准确响应速度快。第3章 系统硬件设计系统硬件主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成。随着超声波测量技术的不断提高，用超声波测量任何目标物体，都存在着超声波的发射和接收问题。不论超声波传感器的大小、形状、灵敏度有何不同，其工作原理都有是一样的（都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能，即在媒质中产生超声波），要提高超声测量的精度或分辨力，必须从超声波的发射和接收两方面入手，这也是设计超声测量仪器的关键和难点所在。 发射电路采用单片机P1.0端口编程输出40KHz左右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器T0。由于单片机端口输出功率很弱，在此

23、电路上加功率放大电路使测量距离满足要求，驱动超声传感器UCM-40T1发射超声波距离足够远。由于从接收传感器探头UCM40T传来的超声波回波很微弱（几十个mV级），又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑。这里使用CX 20106A集成电路对接收探头接受到的信号进行放大、滤波，信号经过P2.7端口送入单片机中进行处理。为节省硬件考虑，显示电路采用动态扫描显示。通过单片机编程将内部计数得到的时间数据，转换为距离信息，通过三位LED数码管显示。3.1 发射电路设计超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT4016T能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的

24、方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT4016T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图3-1所示。图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。图3-1 超声波发射电路框图3.1.1发

25、射电路设计方案一、发射电路输出波形分析1.发射波形的重复性为获得高分辨力，发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性;此外，所发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动，以便接收时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。为避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰。由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波，其“波形”应与晶片振动规律相同。发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波形的重复性。通常发射电路按发射方式分为:单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。间断地激发

26、换能器晶片振动。此方法测试距离太近;本系统采用间断多脉冲发射，系统自动识别被测距离远近，设置发射脉冲个数。2.发射波形电压及功率传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失;另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为20Vp-p，以及单片机正常工作输出最大电压5V，传感器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近，所以考虑电压的同时应该考虑如何提高其功率，才能使得发射电路更合理。3.2 接收电路设计接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后，因谐振而形成逐步加强的机械振动。因压电效应晶片两面出现交变的等量异

27、号电荷，电荷量很少，只能提供微小交变的电压信号，而不能提供电流信号。所以需要一个前置放大电路将这一微小交变电压信号充分放大，同时考虑可能出现干扰信号，放大有用信号的同时加入滤波电路，驱动后面的比较器输出电位跳变，作为确定接收到的时刻。前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利于后续电路的设计。图3-3前置放大电路图电路如图3-3所示，考虑到超声换能器的输出电阻比较大(一般数百兆欧姆以上)，因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗(Input Impedance);同时，换能器的输出电压很小(数十毫伏)，这就要求前置放大电路有很高的精度、很小的输入

28、偏置电压 (Input Offset Voltage)。前置放大电路是由一个高精度、高输入阻抗放大器TL082及电阻R、和R构成，组成反向比例放大电路，这样可以减小地线噪声的影响。由电路的基本知识，可列出:I （3-2)I (3-3)根据放大器理想化的两个重要概念:1.集成运放两个输入端之间的净输入电压U通常接近于零，即U=U-UO，若把它理想化，则有U=0，但不是短路，故常称为虚短。2.集成运放两输入端几乎不取用电流，即净输入电流I0，如把它理想化，则有，但不是断开，故常称为虚断。故可知本电路中:U，且I所以有 (3-4)上式表明，输出电压与输入电压成比例运算关系，式中的负号表示与反相。电路

29、的电压放大倍数为: (3-5)利用反相比例放大器可实现对交直流输入信号的放大，且电路结构简单，只需要调节和阻值即可实现调节电压放大倍数。图中运放的同相输入端接有电阻，参数选择时应使两输入端外接直流通路等效电阻平衡，即，静态时使输入级偏置电流平衡并让输入级的偏置电流在运算放大器的两个输入端的外接电阻上产生相等的压降，以便消除放大器的偏置电流及漂移对输出端的影响，故又称为平衡电阻。根据本设计系统需要，接收传感器输出电压很小(数十毫伏)，故分别取;，即放大电路将输入信号放大200倍。3.3单片机显示电路设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅

30、在于显示器的结构类型不同而己。最简单的显示器可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD于显示的距离范围在4米之内，选用3位LED示，表示距离的XXXcm数值。液晶屏。综合课题的实际要求由数码管，通过单片机编程实现显示，表示距离的XXXcm数值。LED数码管显示与单片机接口通常涉及以下几个问题:1.LED数码管显示用共阴极管还是共阳极管2.由数码转换为笔划信息借软件译码还是硬件译码3.显示扫描采用动态扫描还是静态扫描问题1采用共阴极数码管还是共阳极数码管没有太明显的优缺点。如图3-4（a）所示数码管，每个数码管内部，由8个发光二

31、极管组成，其中七个组成8字形的七段笔划，分别编号为a、b、c、d、e、f、g，还有一个为小数点，标为DP。当发光二极管导通时，相应的一段笔划或点就发亮，控制不同二极管导通就能显示出不同符号。发光二极管的阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图3-4（b）所示；发光二极管的阳极连在一起的称为共阳，如图3-4（c）所示。两种数码管仅在单片机编程时数码对应的笔划信息码不同。 图3-4 数码管结构图问题2软件译码是将各数码的笔划信息构成一个表格预储于内存，以后根据要显示的每一数码执行一段查表程序，查得相应笔划信息再送数码管显示;硬件译码则采用CD4511、74LS46、74LS47、74LS48、74LS49等BCD码七段锁存、译码、驱动芯片直接译出笔划信息。问题3动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段ah同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态