1、 本科生毕业设计（论文） 题 目： 超声波测距系统的设计与应用 姓 名： 龚 国 亮 学 号： 010700731 学 院： 电气工程与自动化学院 专 业： 电气工程与自动化（自动化 方向 ） 年 级： 2007 级 指导教师： （签名） 2011 年 6 月 2 日I 超声波测距系统的设计与应用 中文摘要 超声波测距仪，因为其检测迅速、方便、计算简单、易于实时控制等特点，可以应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，如：液位、井深、管道长度等场合。目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。为能提高系统测量精度和系统稳定性，在硬件上应尽可能少的采用分立元件，主要采用集成芯片设计，从而提高了
2、系统计时的准确性。 在本次设计中采用压电式超声波换能器，主要是利用超声波的特点和优势 ,使用STC89C52 单片机作为控制器，将超声波测距系统和单片机结合于一体 ,完成了超声波测距系统的软硬件设计。在整个超声波测距 系统硬件电路模块中主要的电路设计有 HC-SR04 超声波测距模块，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。应用程序的开发使用 C 语言对 STC89C52 单片机进行控制，以空气中超声波的传播速度为确定的条件，利用超声波反射对距离测定，通过实物验证这一设计方案的可行性。设计超声波测距系统的测量精度为3mm，盲区 2cm，可清晰稳定地显示测量结果。论文扼要介绍了 STC89C52
3、RC 单片机的性能和特点，以及 HC-SR04 超声波测距模块的性能参数。论文围绕应用单片对超声波测距系统设计进行说明，重点阐述了超声波测距系统的应用与 设计，对实验结果使用 LCD 显示屏显示，方便对参数的控制和调整。 关键词 STC89C52RC 单片机， HC-SR04 测距模块， 超声 波 测距 II Design and Application of Ultrasonic Ranging System Abstract Ultrasonic rangefinder, because the test fast, convenient and simple calculation, e
4、asy to real-time control characteristics that can be applied to reverse radar, construction site and some industrial field, such as: Level measurement, Well depth measuring, pipe length measurement and so on. At present the precision of ultrasonic system is needs more and more. To improve the system
5、 measuring precision and stability of the system, hardware should as far as possible in the less by division element, mainly adopts integrated chip design, so as to improve the accuracy of the system time. In this design using the piezoelectric ultrasonic transducer, mainly using ultrasonic features
6、 and advantages, make ultrasonic ranging system and single-chip microcomputer combined in one , the use of AT89C52 single chip computer as controller, completed the ultrasonic ranging system hardware and software design. Throughout the ultrasonic ranging system hardware circuit module main circuit d
7、esign have HC-SR04 ultrasonic ranging module, modules including ultrasonic transmitters and receivers and control circuit. Application development of AT89C52 single chip computer using C language, to control in the air to determine the propagation speed of ultrasonic, using ultrasonic reflecting the
8、 conditions of distance measurement, by physical test the design scheme is feasible. The ultrasonic ranging system design measuring accuracy of 3mm, blind 2cm, can be clear, stable display measured results. Paper introduces briefly the characteristics and properties of STC89C52RC microcontroller, an
9、d HC - SR04 ultrasonic ranging module performance parameters. Papers on a single chip around application that ultrasonic ranging system design, expounds the application of ultrasonic ranging system with design, the results of the experiment, convenient use LCD screen shows the control of parameters
10、adjustment. Keywords: STC89C52SCM experiment box， HC-SR04 Ranging module， Ultrasonic ranging III 目 录 第 1 章 引言 . 1 1.1 课题研究的背景、概况 . 1 1.2 超声波测距仪的现状与发展趋势 . 1 1.3 毕业设计（论文）的主要任务和内容 . 2 第 2 章 超声波测距的设计思路 . 3 2.1 超声波测距原理 . 3 2.2 系统整体方案论证 . 4 2.3 单片机测距原理及实现 . 5 2.4 超声波传感器的基本原理 . 5 第 3 章 总体方案设计 . 6 3.1 超声波测距
11、系统总体方案设计 . 6 3.2 系统主要参数 考虑 . 7 3.2.1 超声波测距仪的工作频率 . 7 3.2.2 超声波声速 . 8 3.2.3 发射脉冲宽度 . 8 3.3 单片机系统及基本电路 . 8 3.3.1 STC89C52RC 单片机功能介绍 . 8 3.3.2 HC-SR04 超声波测距模块介绍 . 10 3.4 液晶显示器 . 11 3.5 单片机的基本连接电路 . 12 3.6 时钟电路 . 12 第 4 章 系统软硬件设计 . 14 4.1 系统硬件电路设计 . 14 4.2 系统软件设计 . 16 4.3 软硬件调试 . 17 第 5 章 系统误差分析及改进 . 18
12、 5.1 误差产生原因分析 . 18 5.1.1 温度对超声波声速的影响 . 18 5.1.2 回波检测对时间测量的影响 . 19 5.1.3 超声传感器脉冲电压对测量范围和精度的影响 . 19 5.2 系统改进方案 . 19 总 结 . 21 参考文献 . 22 谢 辞 . 23 附 录：程序清单 . 24 超声波测距系统的设计与应用 1 第 1 章 引 言 1.1 课题研究的背景、概况 高速，高效是现代工业的标志，而这是建立在有着高质量的基础之上的。 设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用才可能发现。多年来多方的重视
13、和广大从业人员的艰辛努力使得无损检测技术得到长远发展。 人类首次有效产生高频声波并对 其研究始于 1876 年，随着科技的发展，超声波技术因其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。 我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。 五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。 利用超声波进行定位的技术源于对蝙蝠利用超声波定位的生存手段，超声波借助空气媒介传播被障碍物反射
14、回 来的时间间隔长短与被反射的超声波强弱判断障碍物位置的方法。超声波速度相对于光速小很多，因而传播时间更易于检测，并且易于定位发射，方向性好，重量易于控制，所以人类采用仿真技能利用超声波测距。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢 ，不受光照、电磁场、色彩等因素的影响 ，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。 1.2 超声波测距仪的现状与发展趋势 随着科学技 术的 蓬勃 发展，超声波在 测距仪 中的应用 也将 越来越 广泛 。 超声波
15、测距被应用于倒车雷达、建筑工地和机器人导航避障等场合。在 医学领域，在胎儿检查仪，超声波洁牙器，血流测量计，诊断显像技术等医疗器械都利用了超声波的特性。在军事领域中，超声波用于武器制导，雷达目标定位等方面 ，它不仅在这众多领域有广泛的作用，可以保证产品的质量、安全保障，还可以起到节约能源、降低成本的作用 。 超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点， 有利于工程实际使用。近福州大学本科生毕业设计（论文） 2 十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的
16、发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。 在我国，超声波检测技术属重点发展和推广的新技术，凭借着其具有无损、高精度、非接触等优点，在国内和国外都有学者对其做了大量相关研究，在超声波领域向着数字化方向进行发展，越来越多的数字式超声波检测仪器将得到广泛的生产和应用。 但就目前 的 技术水平来说， 超声波在测距技术方向的 具体利用 还 较为 有限，因此， 对 一个正在 快速 发 展而 且 有 着很好的 前景的技术及产业领域 ，在未来， 超 声波 测距仪 作为一种新型的 工具在各方面 作用性都 将有很大的发展空间， 面貌一新的 测距仪 将发挥更大的作用 ， 它将朝着更加 高定位高精度的
17、方向发展，以满足日益发展的社会需求 。 因此设计 出 好的 超声波测距仪 将是非常重要的 。这就是我设计 超声波测距仪 的目的及意义。 1.3 毕业设计（论文）的主要任务和内容 1、 掌握 超声测距 的工作原理 。 2、超声测距模块 与单片机的硬件接口 电路 。 3、 设计 单片机上的 软件，进行软硬件集成， 研制基于单片机的超声测距 实验样机，测试其 功能。 4、 现场实验、演示 ；结果分析， 讨论 。 超声波测距系统的设计与应用 3 第 2 章 超声波测距的设计 思路 2.1 超声波测距原理 超声波是指 振动 频率 超过 20KHz 以上 的机械波。 超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波
18、传输的基本物理特性 反射、折射、干涉、衍射、散射。 将 超声波 用作于 检测 的方法 ， 须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上 也 称为超声波探头或 超声波换能器。超声波传感器 包括 发 送器和接收器，一个超声波传感器可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应 原理将电能和超声波相互 进行 转化 ： 在发射超声波的时候，将电能转换 为 发射 的振动 超声波；而在收到回波的时候，则将 振动 超声 波信号 转 换成电信号。 对 测量 进行 距离的方法有很多种，短距 可以用尺， 长 距离 可以使用 激光测距等， 而因为 超声波 频率高，波长短，传播过程
19、衰减缓慢，指向性强，在介质中传播的距离较远的特点 ，因而超声波可 应 用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计 较为 方便，计算处理也很 简单，并且在测量精度方面也能达到要求。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 331.45 米 /秒，由单片机负责计时，单片机使用11.0952MHZ 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 超声波发生器分为两类： 一类是用机械方 式产生超声波 ， 一类是用电气方式产生超声波 。本课题属于近距离测量，可采用常用的压电式超声波换能器来实现。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（ time of flight）
20、。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间， 使用单片机对时间差进行计算 即可算出距离 S： S=Ct/2 （ 2-1） 其中： C 为超声波传播速度， 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上式计算出为 340 m/s。 t 为发射超声波和接收超声波的时间差 。 可以看出主要部分有： (1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路）； (2) 使接收和发射隔离的开关部分； (3) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器； (4) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器； (5) 接收放大器，可以使微弱的回声放
21、大到一定幅度，并使回声激发记录设备； (6) 记录 /控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间 ，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。 福州大学本科生毕业设计（论文） 4 2.2 系统整体 方案论证 超声波测距的原理是 利用超声波的发射和 接收 ，根据超声波传播的时间 差 来计算出传播距离。 实际应用 的测距方法 通常有 两种，一种是在被测距离的两端， 由 一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计； 另 一种 方式为 反射波方式 ：由 发射波被物体反射回来后接收 ，适用于测距仪 ，倒车雷达等 。 本 次设计采用反射波方式。 目前常用的 超声波发生器
22、可以分为两大类：一类是 通过 电气方式产生超声波，一类是通过 机械方式产生超声波 ， 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 是 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
23、和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛 酸铅，钛酸钡等。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。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。当压电晶片受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
24、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成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0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。 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如图 2.1
25、 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，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。 压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的超声波测距系统的设计与应用 5 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
26、器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。 由于超声波在空气中传播时会有 一定量 的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比 ， 而频率高 的超声波 分辨率也高， 因此 短距离测量时 常 选择 使用 频率高的传感器，而 进行 长距离的测量 时常使用 低频率的传感器。 根据设计要求并综合各方面因素，本 次设计 采用 STC89C52RC 单片机作为控制器，用动态扫描法
27、实现 LCD 数字显示 ， 超声波驱动信号用单片机的定时器 来驱动 。 2.3 单片机测距原理及实现 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 t，然后求出 距离 S=Ct/2，式子中的 C 为超声波声速 1。 限制单片机超声波测距系统的最大可测距离主要有 4 个因素： 超声波的幅度大小、接收换能器的灵敏度以及反射、反射的质地、和入射声波之间的夹角。为增加所测量的覆盖范围，增加测量精度，可以采用多个超声波换能器分别作为超声波发射接收的设计方法。 距离测量系统常用的频率范围为 25KHz 300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有
28、时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足 够的频带宽度；收 /发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录 /控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。 2.4 超声波传感器的基本原理 超声波传感器的主要材料分为压电晶体（电致伸缩）和 镍 铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（ PZT）等。首先处理单元对超声换能器加以电压激励，
29、其受激后以脉冲形式发出超声波，接着换声换能器转入接收状态（类似于麦克风的作用），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断接收到的信号是否是所发出的超声波的回声。如果是 ，就测量超声波行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以 2，即为距离。 福州大学本科生毕业设计（论文） 6 第 3 章 总体方案设计 3.1 超声波测距系统总体方案设计 根据设计要求并综合各方面因素， 在本课题中 采用 STC89C52RC 单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 LCD 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统 原理 框图如图 3-1 所示： 图 3-1 超声波测距 原理 框图 由单片机
30、 STC89C52RC 编程产生 40kHz 的方波，由 P1.4 口输出，然后经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波在经过障碍物反射 回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理 ， 最后 送还至单片机。单片机通过发射脉冲到接收反射脉冲的时间差，由超声波在空气中的传播速度即可计算出障碍物的距离 ,并由单片机控制显示出来。 该测距装置是由超声波传感器、单片机和 LCD 显示器组成。触发信号输入端与超声波测距模块 TRIG 端相连 ,回响信号输出端与超声波测距模块 ECHO 端相连接 ,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图 3-2 所示。
