1、华北科技学院毕业设计（论文） 1 目录 设计总说明 . I Introduction . III 绪论 . 1 1 1 系统设计背景 . 1 1 2 国内外研究现状 . 2 超声波测距原理和方案 . 4 . 超声波测距的基本理论 . 4 . . 超声波简介 . 4 . . 超声波与传播介质的关系 . 4 . . 超声波换能器简介 . 6 . 超声波测距系统总体设计 . 6 硬件设计 . 9 . 硬件的选型 . 9 . . 主控单片机的选型 . 9 . . 超声波传感器的选型 . 10 . . 温度传感器的选型 . 12 . 模块电路的设计 . 13 . 电源电路的设计 . 14 . 发射电路的
2、设计 . 15 . 接收电路的设计 . 16 . . 回波接收及滤波放大电路 . 16 . . 时间增益补偿（）电路 . 17 . . 双比较器整形电路 . 19 . 温度补偿电路的设计 . 20 . 显示电路的设计 . 21 . 通讯电路的设计 . 24 软件设计 . 28 基于单片机的高精度超声波测距系统的设计 2 . 主程序 . 28 . . 初始化子程序 . 29 . . 温度测量子程序 . 30 . . 距离计算子程序 . 33 . . 显示子程序 . 34 . . 时间增益补偿程序 . 35 . . 通讯电路子程序 . 36 . 时间峰值检测 . 36 结论 . 38 参考文献 .
3、 41 附录 基于单片机的高精度超声波测距系统原理图 . 42 致谢 . 43 华北科技学院毕业设计（论文） I 设计总说明 目前 ,超 声波测距技术已经广泛的应用于各领域 ,由于其具有非接触式测量的特点 ,在工业领域液位、井深、管道长度以及建筑物测量、倒车雷达、智能机器人的控制系统中都发挥了重要的作用。但以我们当前的技术水平来说，对超声波测距技术的应用是有限的，未来的发展方向应该是朝着高精度、低盲区、拓展功能更丰富以及成本价格更低的方向发展。 和普通 超声波测距系统不同 ,高精度超声波测距系统要求的盲区更小 、精度 更高。为了达到该标准，设计系统需 包含温度补偿电路 ，双比较器整形电路和时间
4、增益补偿电路等信号调理电路。最后，还需加入一些必须的外围电路如显示电路 ，用于显示测量结果，还必须含有通讯接口，方便与上位机进 行通讯且可将测量结果进行上传。另外，该系统进行软件化峰值检测，使 电路 更加简化 ，充分利用了软件资源。 通过对系统的需求分析，硬件电路的设计方案最终得以确定，主要由 AT89C52 单片机 作为主控芯片 。 为了达到高精度的要求， 首先我们需要了解造成测量精度不高的原因，首先，声波在空气中的传递速度会随着温度 而 发生有规律的变化。 用平均速度计算出的距离和实际距离可能会有一定的误 差。 其次，由于超声波 属于波的一种，因此具有波的衍射特性。这会 使得超声波 没有经
5、过 反射 ，即不是由于碰到物体而返回的波， 而是直接 收到发射端由于衍射现象而 改变了传播方向的那部分超声波。这就是会导致 一个测量盲区，在测量近距离时产生错误读取而造成测量失败。因此，只要加入温度补偿电路，由一个温度传感器先 测量环境温度，以实际温度带入计算，就能有效避免第一类误差的产生； 其次，加入双比较器整形电路，就能有效避免第二类误差的产生。 本系统由 AT89C52单 片机控制时间长短的计数以及控制超声波信号的发射、接收。整个电路采用 模块化设计 思想 ， 主要包含显示电路、 超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路等 。 显示电路主要采用 LED 数码管组成，采用动态显示的方式
6、。即 所有数码 管的段选线并联在一起，通过控制位选信号来控制数码管的点亮。 用于超声波信号发射的发射电路 ，主要由非门和超声波探头组成。还有 用于超声波接收的接收电路 ，对回波进行滤波放大，整形，最后送入单片机。其他电路还包括 用于测量环境温度的测温电路 ，主要由一个集成基于单片机的高精度超声波测距系统的设计 II 芯片直接读取环境温度，送入单片机中， 再 通过查询事先做好的温度表，通过这个表即可得到当前测量环境中的实际 声速，代入公式计算距 离 。 程序设计 主要包括：主要程序、温度补偿程序、发射子程序、接收子程序等 组成。 主要程序在系统启动时会进行初始化，接着马上开始测量温度，获取温度值
7、并进行查表后同时启动发射电路且开始计时， 等待回波信号，并进行处理，软件滤波开始工作，对峰值点进行查找并计算出距离。测温子程序主要是根据温度与速度表进行查表的方式来获取当前声速，代入公式进行计算。 具体 实现的流程包括复位 程序、 发送匹配 ROM 命 令、温度转换命令等。测量距离子程序的实现即是时间的测量，这也是该系统的核心部分 。对定时器初始化处理后，计时便开始。综上， 超声波探头的信号经过 AT89C52 单片机的分析和一系列处理，最后实现本高精度超声波测距系统的完整功能 ，也验证了该系统的设计满足实际需求，该课题的研究也具有一定价值 。 值得注意的是， 为了降低该系统的测量的盲区，采用
8、了双比较器整形电路来处理不同的距离的信号（分为 3cm-50cm 的近距离部分和 50cm-400cm 的远距离部分） ，使得精度进一步提高 。 本系统的设计精度较高，可以用于汽车的倒车雷达，也可以用于智能机器人的距离识别系统或者其他距离 3cm-500cm 之内，精度 1cm 的系统。 关键词： 单片机； 高精度；超声波 ； 测距 华北科技学院毕业设计（论文） III Introduction At present, ultrasonic ranging technology has been widely applied in various fields, because of its
9、non-contact measurement, in industrial field level, well depth,pipeline length and the measurement of buildings, reversing radar, intelligent robot control system play an important role. But in our current level of technology, the application of ultrasonic ranging technology is limited, the future d
10、irection of development should be towards high precision, low area, develop the function more abundant and lower cost price direction. And ordinary ultrasonic ranging system is different, high-precision ultrasonic ranging system requirements of the blind area is smaller, higher accuracy. In order to
11、 achieve the standard, the design system contains the temperature compensation circuit, the Dual Comparator plastic circuit and the time gain compensation circuit and other signal conditioning circuits. Finally, it is necessary to add some necessary peripheral circuits such as display circuit, used
12、to display the measurement results must also contain communication interface, convenient and PC communication and can be used to upload the measurement results. In addition, the system of the peak detection software, make the circuit more simplified, fully utilize the software resources. Through the
13、 analysis of the system needs, the hardware circuit design scheme is finally determined, and the main control chip is the main chip of AT89C52. In order to achieve the high accuracy, we need to understand the cause of the low accuracy of the measurement. Firstly, the transmission speed of the acoust
14、ic wave in the air will change with the temperature.The distance and the actual distance calculated by the average velocity may have some error. The second is because the ultrasonic belongs to one kind of wave, so the diffraction characteristic of wave is of the wave. This will make the ultrasonic w
15、ave not reflected, that is not due to the wave of the object returned, but directly received the emitter due to diffraction phenomenon and changed the direction of the transmission of that part of the ultrasonic. This is the result of a blind measurement of the blind, in the measurement of the error
16、 caused by the error read while the measurement failed. Therefore, as long as adding temperature 基于单片机的高精度超声波测距系统的设计 IV compensation circuit, by a temperature sensor to measure temperature, the actual temperature into the calculation, can effectively avoid the error of the first kind; Secondly, addi
17、ng dual comparator circuit, can effectively avoid the second type of error. The system is controlled by the AT89C52 microcontroller count as well as the transmitter and receiver of ultrasonic wave.The whole circuit uses the idea of modular design, including the display circuit, ultrasonic circuit, u
18、ltrasonic receiving circuit, temperature compensation circuit, etc. The display circuit is mainly composed of LED digital tube, and the dynamic display is adopted.That is, all the digital control of the section of the line in parallel, through the control of the selected signal to control the light
19、of the digital tube. Secondly, transmit circuit for ultrasonic signal which is transmitted by the main gate, and the ultrasonic probe. There are also used for ultrasonic receiving circuit, the echo filtering amplification, shaping, and finally into the microcontroller. Other circuit also includes a
20、temperature measurement circuit for measuring the temperature of the environment, mainly by a chip directly read environmental temperature, into the microcontroller, then through query well in advance of the thermometer, current measurement environment in the actual sound velocity through this table
21、 can be, substituted into the formula for calculating the distance. The program design mainly includes: the main program, the temperature compe nsation procedure, the launch subroutine, the receiving subroutine and so on. Main program at system boot time will be initialized, then immediately began t
22、o temperature measurement, to obtain the temperature value and look-up table and start transmitting circuit and the beginning of time, waiting for the echo signal, and processing and filtering software began to work the peak search and calculate the distance. Temperature measurement child program is
23、 mainly according to the temperature and speed table look-up table to obtain the current velocity and substituted into the formula were calculated. The process of the realization includes the reset procedure, the sending matched ROM commands, the temperature conversion command, etc. The realization
24、of the measurement distance subroutine is the measurement of time, which is the core of the system.After the timer initialization, the time will start. In summary, ultrasonic probe signal through AT89C52 analysis and a series of processing and finally realize the full functionality of the high preci
25、sion ultrasonic ranging system, also shows that the design of the system to meet the 华北科技学院毕业设计（论文） V actual demand, this topic research has a certain value. Worthy of note is that in order to reduce the blind spot of the measurement of the system, the dual comparator circuit to deal with different
26、distance signal (remote part of 3cm-50cm close part and 50cm-400cm), making precision further improved. The system has higher design precision, can be used in the reverse radar of the car, and can also be used in the intelligent robot distance identification system or other distance 3cm-500cm, the p
27、recision 1cm system. Keywords: single chip microcomputer, high accuracy, ultrasonic, rangin华北科技学院毕业设计（论文） 第 1 页 共 43 页 绪论 超声 波测距系统 作为一种经典的非接触式测量 技术，包含了电子，材料，物理等学科的知识理论，其应用领域也十分的广泛。 超声波作为声波的一种，有着和声波同样的性质 ：它的产生来源于振动，另外， 在不同 物体中的传的 速度也 是不一样的 。超声波测距传感器在粉尘多，光线暗或有其他电磁干扰的情况下，性能几乎不受影响，所以，现代社会中，许多地方都可以用到。例如：
28、建筑施工测量，智能机器人，汽车倒车雷达，油箱液位测量等。 1 1 系统设计背景 在 过去许多科学家的 研究 基础之上，我们已经知道用许多种不同的方法来测距，不再局限于传统的简单的接触式测量器具，我们今天的电子技术正以飞一般的速度向前 推动 着 大量非接触式测距仪的发展。近几十年以来，关于非接触式测量系统的研究包含以下几类：激光 ，微波，红外线及超声波。这其中，激光的测量精度较高，但其有个很大的缺点，就是极易受到周围环境的影响，而且激光测距系统后期的检测和维护成本较高，所以会产生较高的费用，很难推广到日常生活和工作中去，一般用于高端专业领域，如军事类。而对于微波雷达测距来说，电路部分的制作成本就
29、非常之高，也只用于专业领域， 如军事和工业类。红外线测距虽然造价便宜，但其不能达到高精度，且方向性不好。另外，红外 线 传播速度为 3 108米 /秒， 速度 之快 ，相较于超声波在 普通情况下 的速度来说 ，红外线是超声波的八十多万倍 。因此，利用超声波测距能大大增加时间（同样的距离下），使得测量更容易，误差更小。 超声波测距系统的优势在于： (1)可以用于空气中，液面下和固体内等传播介质中测量，应用灵活； (2)不易受光影响，在黑暗及烟雾环境下都可使用，不易受电磁场影响，使人可以远离这些恶劣工作环境； (3)制作 起来不复杂 ， 该成品预计价格不贵，而且体积不大 ， 还非常容易 集成； 由
30、于超声波测距系统具有以上这些特点而被广泛的应用。随着现代电子技术的发展，超声波测距技术在汽车制作，国防安全，工业制造及日常生活中都随处可见。目前的系统主要采用单片机微核心，结合温度补偿电路等模块 组成，由于计时的精确度和电路的基于单片机的高精度超声波测距系统的设计 第 2 页 共 43 页 影响，现有超声波的测量区间大致在 0.2 米到 20米之内，误差为毫米级，存在几十厘米的盲区。综上，超声波测距系统 应用广泛，为了满足未来技术参数的精度需求，我们需要在 高精度方向做出深入研究，解决这个技术难题以面对更加高的市场需求 ,因此这项技 术的研究将有重大的意义。 1 2 国内外研究现状 首先，从国
31、外来看，最先的研究记录是 18 世纪 70 年代的 科学家高尔顿 所做的气哨实验，这是我们人们有史以来的第一次通过实验产生的高频声波，后来的 30 年内，超声波的概念仍旧很少有人知道，再加上那时 的技术 方面 的 达不到要求 ，对超声波的研究产生了难以逾越的鸿沟 。直到第一次世界大战爆发，期间关于超声波的研究渐渐地被人们所看重。一个叫做 朗之万 的 德国 科学家用了晶体传感器对超声波进行发射和接收，这项研究是在水下进行的，且只能接频率相对较低的超声波。这项研究可以用来进行水下通讯，另外，也可 用于检测水下物体，如水下潜艇，用于军事领域。 而后，超声波的应用领域的研究也在逐渐扩大，到了 1928
32、 年， Sokolve 首先提出了关于超声波探伤的研究，即利用超声波的特性来检查金属器件是否存在裂痕或者缺损。又过了两年，另外一个科学家 穆尔豪瑟 获取了一个德国专利，这个专利是针对超声波检查方法的，这让我们又看到超声波的研究进了一步。 1935 年， Sokolve 发表了一篇论文，详细的介绍了他的研究结果。就是在液体的实验槽 里进行穿透测试，并记录了穿过实验物的超声能量。 因为在液体之中实验会很容易得观察到波纹。德国的贝格曼在他的书超声波中，比较完整的介绍了大量的超声波的资料。这是早期的比较系统的资料之一，一直被奉为经典。 关于探伤仪的研究，最早出现于 Firsetone 和 Sprole
33、 的论文中。这是超声波的应用最广的一面。根据此研究基础，衍生出大量超声波仪器，目前，超声波在无损检测中发挥出无与伦比的作用。 从国内来看，目前超声波在测试方面的研究成果比较多。如国内的测试研 究所就在超声波测距方向做出了较为系统的研究并发表了诸多相关论著。这些论著详细的说明了超声波测距的原理 。还留下诸多 相关实验的数据 结论， 如，超声波的传播速度（即声速）的影响因素有哪些，波的特性在传播过程中对测距系统的影响分析。详细可见于国家测试研究所超声波原理及实践技术，作者李冒山。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 43 页 厦 大的 同 峰 教授 提出了一种 针对 高精度测距的 改进
34、方法。根据他的 结论 ，测距之所以有误差，是由于对回波的脉冲检验方式有问题。他根据实验，验证了回波的包络方程，给出了软硬件的设计方案。 在智能机器人研究领域，超声波测距也有不可缺少的作用。一个高精度的超声波测距系统不仅能准确的引导机器人的行动，而且还能 迅速的反馈周围的环境 状况，为机器人完成各种复杂工作提供必要的辅助。 我国的超声波测距技术已经趋于成熟，但与发达国家相比，在精度方面还是差一大截，我们想要进入现代化的建设中去，就要提高速度和效率，而这些都是建立在高科技水平，高质量的仪器之上的，所以我们还需加强研究，使得精度达到 未来的需求，从而为工业的发展做出贡献。 通过长时间的研究和发展，超声波测距不仅仅是单一的技术了。而且不断加入各个其他的领域 的知识，结合了人类智慧的结晶。渐渐形成一个深入、实用、值得探讨的专业的研究方向。 通过查询相关资料了解到，我们国家使用的大多数高精度测距系统均来源于进口，这在很大程度上对我国的经济和现代化的发展产生巨大的阻力，因此，我们需要增加在超声波测距系统的研究经费，使我国的测距装置不仅能满足自己本国的需要，还能出口到国外。
