1、 毕业设计（论文） 标 题： 超声波测距系统设计 学生姓名： 邓远超 系 部： 电子工程系 专 业： 应用电子技术 班 级： 高电子 0701 班 指导教师： 王维斌 株洲职业技术学院教务处制 目录 摘 要 I 1 绪 论 1 1.1 超声波测距研究意义及发展概况 1 1.2 超声波特性及超声换能器现状 2 2 超声波测距系统的原理及设计方案 5 2.1 超声波发生器及测距原理 5 2.2 方案的设计 6 2.3 超声波的电路设计 8 2.4 超声波发射与接收电路 13 3 软件设计 19 3.1 主流程图 19 3.2 温度读取程序 19 3.3 LCD 显示流程图 20 3.4 外中断服务
2、程序 21 3.5 超声波发射程序 21 结论 23 参考文献 24 附录 1 部分 程序 25 附录 2 总电路图 28 后记 29 I 摘 要 本文介绍了一种基于单片机的超声波测距系统。该系统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，并且描述了系统研制的 理论基础。文章概述了超声检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的原理及特性，并且在介绍超声测距系统的基础上提出了系统的总体构成。 利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且 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
3、暗、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 的超声波测距器 ，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。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。 关键词 ： 超声波 测距 单片机 温度补偿 1 1 绪 论 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，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。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 1.1 超声波
4、测距研究意义及发展概况 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，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。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 下面就介绍一下超声波测距研究意义及发展概况。 (一 ) 超声波测距系统研究的意义 道路交通事故是现代社会的一大公害 ,与之相关的先进安全技术研究日益受到重视。基于智能交通系统的汽车防撞系统是先进安全技术的一项重要内容 ,国内外相继开展了相关的研究 ,但迄今为止在该领域还存在许多尚未解决的问题
5、。探讨和研究一种在高速公路汽车防 撞系统。在正常行驶时 ,该系统不报警 ,当自车与前车之间的距离小于所设定的安全距离并有可能发生碰撞时 ,该系统将发出报警信息 ,提醒驾驶员采取相应的措施 ,以避免碰撞事故的发生。高速公路汽车防撞系统的研究符合国内外汽车智能化的发展趋势 ,该系统的应用可以保证高速运行车辆的安全性 ,提高公路运输效率 ,具有广泛的应用前景和经济前景。 特别是在空气测距中，由于空气中波速较快，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。如今，超声测距技术在国防、汽车工业、公路监测及日常 生活中也无处不在。 (二 )超声波测
6、距系统国内外发展的概况 迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。能够全天候工作的毫米波雷达是最为理想的测距传感器，这己是目前国际上公认的结论。超声测距传感器也可以全天候工作，而且价格低廉、便于安装使用，也是一种较为理想测距传感2 器。因此，倘若不考虑从国外进口价格昂贵的毫米波雷达，那么，超声传感器的作用距离问题，就成了当前开发超声测距系统的瓶颈制约。根据声学理论，超声换能器的机电能量转换效率、超声波传播过程的能量衰减和回波接收电路的处理增益是影响超声传感器作用距离的主 要因素。因此，为扩大超声测距的范围，不能仅仅依赖于大功率超声测距传感器，还必须从以下两个方面采取措施：其一、优化换能
7、器的机械结构、电子线路和机电阻抗匹配参数，以提高换能器的机电能量转换效率；其二、增加滤波电路或采用基于微处理器的自适应噪声抵消器对回波信号进行预处理，增大后续信号处理算法的处理增益，以提高超声测距仪的输出信噪比。只有这样，才可能研制出功耗低、量程大（ 20 40m）而且价格低廉的超声测距系统。 毋庸置疑，超声传感器的研制成功，不仅有益于促进科技进步、加快国内超声测距系统的开发进程，而且具有相当广 阔的市场前景。 1.2 超声波特性及超声换能器现状 具备发送和接收超声波功能的装置，称为超声换能器，习惯上称为超声传感器或超声波探头。下面，简要介绍一下超声波特性和超声换能器现状。 (一 ) 超声波及
8、其特性 超声波具有较好的指向性 频率越高，指向性越强。这在诸如探仿和水下声通讯等应用场合是主要的考虑因素。频率高时，相应地波长将变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟。甚至波长可远小于试样材料的尺这在厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分辨率的探伤 应用中是非常重要的。 超声波用起来很安静 ,这一点在高强度工作场合尤为重要。这些高强度的工作用可闻频率的声波来完成时往往更有效，然而遗憾的是，可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体有害的。超声波的应用被严格地区分为低强度应用和高强度应用两类”。在低强度应用类中，超声波或是用来研究试样材料的特性，或是用来作为控制手段。绝大多
9、数情况是被测材料本身经受不起结构上的持久变形或是经受不起化学特性上的变化，才采用低强度超声波作为测试手段的。许多低强度应用场合中所用的超声波，其频率都很高，典型的工作频率是 在兆赫兹的范围内，而其声功率的范围则较宽，一般可从数微瓦到数十毫瓦。在高强度应用类中，超声波通常是用来改3 变它所通过的物质的性质。高强度应用几乎总是在低频的情况下进行的，通常就把工作频率选在刚好高出可闻声频的上限处，而其声功率则可以从数毫瓦至上千瓦。现代声学已经涵盖了从“ 104 1014” Hz 的频率范围，相当于从大约 3 小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动。振动频率在 16Hz 20kHz 之间
10、的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于 16Hz 的机械波，称为次声波；高于 20kHz 的机械波，称为超声波，而高于 100 MHz 的机械波，则称之为特超声波。 由于人耳听域有限，所以在自然界中似乎超声不存在，其实超声是广泛存在的。人耳听到的声音只是自然界声音的一部分，即可听声部分，而即使是可听声部分的声音，有时仍然含有超声成分，只是人耳听不到。 比如：自然界中许多动物发出的声音中就含有超声成分，蝙蝠是最出名的。它可以利用超声进行探测洞穴、捕获 昆虫，人类从 18 世纪就开始研究它，一直延续至今，并利用仿生学的原理制造出雷达等探测工具。在我国，解放前超声的研究是个空白。解放后不久，出现了很
11、少量的超声学研究。大规模的超声研究开始于 1965 年。到目前，我国在超生学的各个领域都开展了研究和应用。有不少的项目和成果达到了国际水平。 同其它声波一样，超声波的传播速度取决于介质密度和介质的弹性常数。在大气条件下，超声波在相同传播介质中的传播速度是一样的，而且，在相当大的频率范围内，声速是固定不变的。空气中的声波传播速度 c 可近似地表示为： C 331.4 16.273 16.273T 331.4+0.6T(m/s) (1.1) 其中 T 是空气介质的温度（ 0 C ）。因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。
12、在理想介质中，描述简谐声波向 x 正方向传播的质点位移运动可表示为： S(t)=A(x)cos( t+kx)=A0 eax cos( t+kx) (1.2) 式中， s (t）表示质点的位移； A0 是振动初始条件决定的常数； ， t 分别表示角频率和时间； x 为声波的传播距离（也称为射程）； k = / c 称为波数； a 为衰减系数。由此可见，在传播过程中声波的振幅 A (x)将随距离 x 的增加而呈指数形式衰减。衰减系数与声波频率及传播介质的关系为： 4 2e fA (1.3) 其中， A0 为介质常数，在空气中， A0 2 1110 ( 12 ms ), f 是声波的振动频率。例如，
13、当超声波的振动频率为 25kHz 时， 1/ 80m 。其物理意义是：超声波在空气介质中传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗，在声波的传播距离等于 1/ 时，声波振幅将衰减到初始值的 1/e 倍。显然，声波频率愈高，声能被吸收衰减愈大，声波的传播距离愈小；反之 ，声波频率愈低，声能的吸收衰减愈小，声波的传播距离就愈大。声波的另一种重要的性质是：波的频率越高，波束越窄，声波定向传播（或称为直线传播）和反射能力越强，其能量远远大于振幅相同的低频声波。 超声波的特性除了与其谐振频率有关，还与发射换能器的辐射面积有关。换能器的辐射面积越大，超声波的波束角就越小。因此，在设计大作用距离超声测距
14、传感器时，必须选用恰当的换能器工作频率和换能器辐射面积。 (二 ) 超声换能器现状 换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。通常所说的换能器一般都是指的电 声换能器。用来发射声波的换能器叫发射换能器。换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。用来接受声波的换能器叫接收器。换能器处在接受状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。按照实现机电转换的物理效应的不同，可将换能器分成：电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电磁致伸缩式等。 5 2 超声波测距
15、系统的原理及设计方案 2.1 超声波发生器及测距原理 超声波发生器的可分几大类，本节 介绍压电式发生器的原理和超声波测距的原理。 (一 )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。 (二 )压电式超声波发生器原理 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
16、如 图 2-1 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 2-1 超声波传感器结构 (三 )超声波测距原理 在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比。超声 测距大致有以下方法： 6 (1)取输出脉冲的平均值电压，该电压 (电压的幅值基
17、本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离 。 (2)测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t。因此，被测距离为 S=1/2vt。 本测量电路采用第二种方案。 由于超声波也是一种声波，其声速 C与温度有关，附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 温度与声速变化 2.2 方案的设计 我们做的是基于单片机的超声波测距仪。用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再用液晶显示屏进行数据的显示。因为声音的速度会随着温度的变化而改变，所以，我们增加了温控装置，即
18、通过温度传感器（ 18B20），把当前的温度信息传给单片机，再通过一定的算法，得到当前的声音速度。操作者可以通过几个简单的按键完 成测量方式的选择（实时监测、手动测量）。 由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，在由 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 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的距离 (s)，即： 2/CTD （ 2.2） 其中， D 为换能器与障碍物之间的距离， C 为波声传播
19、速度， T为超声波发射 到返回的时间间距。原理框图如下： 温度（ o C） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速（米 /秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 7 图 2-2 总原理框图 本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用 AT89C52单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路和数字电路构成超声波发射、接收模块。由键盘， LED 显示构成人机对话通道，以及温度传感器来构成由单片机最小系统来控制的超声波测距仪，其结构框图如下： 图 2-3总结 构框图 单片机最小系统 发射、接收电路 信号保持 电路 温度传感器 按键、LCD 显示 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
