1、 东南大学成贤学院毕业设计报告（论文） 诚 信 承 诺 本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。 学生签名： 日 期： I 超声波测距仪的设计 摘 要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的 AT89S51 单片机的性能和特点，并在分析了超声波测
2、距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以 AT89S51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和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。 关键词 ： 超声波；单片机；测距； AT89S51 II Design of Ultrasonic Range Finder Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagatin
3、g distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , buil
4、ding construction site and some industrial scenes extensively。 This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89S51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wa
5、ve finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89S51 as the core ,this cir
6、cuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , apt to accomplish real-time control ,and can reach industrys practical demand in measuring the precision 。 Key Words:Ultrasonic wave; One-chip computer; Range finding; AT89S51 I
7、II 目录 摘要 . I ABSTRACT . II 第一章绪论 . 1 1.1 课题背景，目的和意义 . 1 1.2 基于单片机的超声波测距系统 . 1 1.3 课题主要内容 . 2 第二章超声波测距原理概述 . 3 2.1 超声波传感器 . 3 2.1.1 超声波发生器 . 3 2.1.2 超声波传感器结构 . 4 2.1.3 压电式超声波发生器原理 . 4 2.2 单片机超声波测距系统构成 . 5 第三章超声波测距系统硬件设计 . 6 3.1 AT89S51 单片机 . 6 3.2 超声波测距单片机系统 . 9 3.3 超声波发射电路设计 . 9 3.4 超声波接收电路设计 . 10 3
8、.5 显示电路设计 . 11 第四章超声波测距系统软件设计 . 14 4.1 程序设计总体分析 . 14 4.2 超声波测距程序流程图 . 14 4.3 超声波测距主程序 . 14 第五章调试及性能测试 . 16 5.1 测试过程 ： . 16 5.1.1 超声波测距仪测量范围测试 . 16 5.1.2 超声波测距仪测量精度测试 . 17 5.1.3 测试结论 . 21 第六章结束语 . 22 致谢 . 23 参考文献 . 24 附录 . 25 附录一：基于 AT89S51 单片机超声波测距系统电原理图 . 25 附录二：基于 AT89S51 单片机超声波测距系统 C 语言原程序 . 26 附
9、录三：基于 AT89S51 单片机超声波测距系统实物焊接图 . 30 东南大学成贤学院毕业设计报告 1 第一章 绪论 1.1 课题背景，目的和意义 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。 超声波是指频率在 20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。它在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内，具有良好的成束性，也就是方向性极好。由于超声波的速度相
10、对于光速要小很多，其 传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制。日常的测距工具在一些特殊的场合是很不方便的，甚至无法进行距离的测量，比如液位、井的深度、管道的长度等等。而超声波作为一个检测的技术，采用的是非接触式的测量，其特点可使测量仪器不受被测介质的影响。此外，该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，而且还降低了能量消耗。因为，利用超声波检测，既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工 业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的
11、原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.2 基于单片机的超声波测距系统 采用单片机作为主控制器，用 LED 数码管作为显示仪器来显示所测的距离。由单片机发射和接受超声波信号，再经过单片机计算输出显示被测距离，即超声波发生器 T 在某一时刻发出一段超声波信号，当超声波遇到障碍物（被测物体）后返回被接收器 R 接受。 测距的原理如图 1-1。 图 1-1 测距的原理 图 1-2 基于单片机的超声波测距系统框图 R T T2 T1 东南大学成贤学院毕业设计报告 2 这样只要计算出发射超声波和接收到超声波之间的时间，就可以计算出超
12、声发射器与反射物体的距离。距离计算公式为： 2/)(2/ tcsd 其中： d 为被测物与测距器的距离 s 为声速的来回路程 c 为声速 t 为声波来回所用的时间 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，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯称之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两种，但是一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器利用压电效应的原理将超声波和电能相互转换，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波，而在收到回波的时候，则将超声振动转换为电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法。
13、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 生源与障碍物之间的距离，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 332.45m/s。单片机使用 12MHZ 晶振，所以此系统的测量精度理论可以达到毫米级。 1.3 课题主要内容 通过上节介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。 通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中
14、的 传播速度为 V，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。 本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，单片机检测到这个负跳变信号后，停止内部计时器记时，读取时间，计算距离 ,测量结果输出给 LED 显示。 东南大学成贤学院毕业设计报告 3 第二章 超声波测距原理概述 超声波是由机械振动产生的 ,可在不同介质中以不同的速度传播。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传
15、播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出 来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高 ;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做
16、到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限 ; 声波幅值检测法易受反射波的影响。 本测距系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为 : 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘， 就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。再由单机计算出距离，送 LED 数 码管显示测量结果。 超声波在空气中
17、的传播速度随温度变化，其对应值如表 2-1，根据计时器记录的时间 t (见图 2-1)，就可以计算出发射点距障碍物的距离 ( s ) ，即 : s = v t / 2 。 表 2-1 声速与温度的关系 温度 ( ) 30 20 10 0 10 20 30 100 声速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 图 2-1 超声波测距时序图 2.1 超声波传感器 2.1.1 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以东南大学成贤学院毕业设计报告 4 分为两大类 : 一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械
18、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。 2.1.2 超声波传感器结构 超声波探头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。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。超声波传感器结构如图 2-2 所示。 压电式超声探头的核心是其外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。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是不同的，使用前必须预先了解
19、它的性能。 图 2-2 超声波传感器结构 图 2-3 16mm 分体超声波收发器 超声波传感器超声波探头 2.1.3 压电式超声波发生器原理 压电型超声波传感器的工作原理：它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图 2-4 所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图 a 所示的已极化的压电陶瓷上施加如图 b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图 c 所示那
20、样，压共振板 压电晶片 电极 东南大学成贤学院毕业设计报告 5 电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。 图 2-4 压电逆效应图 2.2 单片机超声波测距系统构成 单片机 AT89S51 发出短暂的 40kHz 信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间 t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至 LED 数码管进行显示。 限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、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
21、定最小可测距离。 图 2-5 超声波测距系统框图 开始测量 超声波信号 开定时器 关定时器 数据运算 显示器 接收检测 电声换能器 电声换能器 驱动电路 东南大学成贤学院毕业设计报告 6 第三章 超声波测距系统硬件设计 按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。 单片机主控芯片使用 51 系列 AT89S51 单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。 发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。 接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。 图 3-1：系统设计框图 硬件电
22、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接收电路 、供电电路等几 部分。单片机采用 AT89S51，系统晶振 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。 3.1 AT89S51 单片机 AT89S51是美国 ATMEL公司生产的低功耗，高性能 CMOS8位单片机，片内含 4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器 ,器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051指令系统及引脚。它集 Flash程序存储器既可在线编程（ ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8位微处理器于单片芯片中， ATMEL公司的功能强大，低价位 AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 主要性能参数： 与 MCS-51产品指令系统完全兼容 4k字节在系统编程（ ISP） Flash闪速存储器 1000次擦写周期 4.0 5.5V的工作电压范围 全静态工作模式： 0Hz 33MHz 三级程序加密锁 128 8字节内部 RAM 32个可编程 I O口线 2个 16位定时计数器 6个中断源 全双工串行 UART通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 超声波接收模块 超声波发射模块 单片机控制系统 （AT89S51） 显示模块
