1、 摘 要 随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了 非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。 目前对于超 声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内
2、部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。 随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距 4 种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点： （ 1） 超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体 (如玻 璃、抛光体 )。 （ 2） 超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。 （ 3） 超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技
3、术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。 关键词： 超声波；测距；电子电路 Abstract With the development of society, the traditional ranging method on many occasions has failed to meet the demands of the people, for example in the well depth, liquid level, pipe length and so on, the traditional ranging
4、method cant finish the task of measurement. And in many requirements under the condition of the real-time location, the traditional method is also difficult to perform a complete measurement range of tasks. These unique advantages of ultrasonic more and more attention by people. At present the deman
5、d for ultrasonic accurate location is more and more big, such as oil terminal and the liquid surface water tank precise measurement and control, the object of the stomata size in testing and mechanical internal damage detection, etc. transportation and other industrial areas also have widely applica
6、tion. In addition, in material science, medicine, biological sciences and also accounted for a important position in. Along with the computer technology, automation technology and the development of industrial robots and the widespread application, location problem is becoming more and more importan
7、t Compared with other ranging method, ultrasonic ranging has the following advantages: (1) to light and color ultrasonic not sensitive, can be used to identify transparent and diffuse sexual difference of objects (such as glass, polishing body). (2) ultrasonic outside light and the electromagnetic f
8、ields to not sensitive, and can be used in the dark, dust or smoke, electromagnetic interference is strong, such as toxic bad environment. (3) ultrasonic sensor simple structure, small volume, low cost, technical difficulties small, information processing, simple and reliable easy to miniaturization
9、 and integration. Performance optimization; Performance simulation; Automatic exchange optical network Key Words:Ultrasonic； ranging； electronic circuit 1 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景及设计意义 .1 1.2 本课题研究的主要内容 .2 第 2 章 系统方案论证 .4 2.1 超声波测距仪的设计原理 .4 2.2 超声波测距技术选型 .4 2.3 控制器选型 .6 2.3.1 单片机选型 .7 2.3.2 AT89S51
10、 主要性能参数及功能 .8 2.4 超声波发生器选型 .8 2.5 超声波接收传感器选型 .9 2.6 显示单元选型 .9 2.7 语音播报电路选型 .10 2.8 温度传感器的选型 .10 第 3 章 系统的硬件结构设计 . 12 3.1 单片机最小系统 .12 3.2 超声波发射电路 .13 3.3 超声波检测接收电路 .14 3.4 显示单元电路 .16 3.5 语音播报电路 .17 3.6 电源电路设计 .18 第 4 章 系统的软件设计 . 21 4.1 超声波测距仪的算法分析 .21 4.2 主程序流程图 .21 4.3 超声波发生子程序和超声波接收程序 .23 第 5 章 系统调
11、试仿真 . 25 2 5.1 PROTEUS 软件简介 .25 5.2 仿真调试结果 .26 第 6 章 总结与展望 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附录 程序清单 . 30 1 第 1 章 绪论 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波 (20kHz 以上的机械波 )，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。本文阐述的是利用超声波进行一些特殊场合距离测试 。 1.1 课题背景及设计意义 随着科学技术的快速发展，
12、超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前的急速水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技 术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，满足日益发展的社会需求。但是，由于历史原因合成时间的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此，箱涵的排污疏通对打城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系
13、统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器 人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。 超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。 1883 年 Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于超声处理技术中。 20 世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩 效应制成各种机电换能器
14、。 1917 年，法国物理学家 Paul Langevin 用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动2 型、电磁力型、静电型等多种超声换能器 1。 材料科学的发展，使得应用广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜 (PVDF)2等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。 产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型
15、表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们 听到的超声波 (20kHz)以上的机械波 )，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，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，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、
16、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。 超声波方法在某些方面具有突出的优点： （ 1）超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体 (如玻璃、抛光体 )； （ 2）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中； （ 3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠 ，易于小型化和集成化。因此超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。特别是在空气测距中，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。 1.2 本课题研究
17、的主要内容 本次课题设计的目的为：具有超声波测距功能，测量距离 0.20m5.00m 测距精度 1 ；具有测量距离数值无线传输功能；实时显示测量的距离，显示格式为： X.XXm。 汉字提醒显示：距离在 0.40m1.00m，显示“危险距离”并用红色 LED 灯指 示；3 距离在 1.00m2.00m，显示“保持距离”，并用黄书 LED 灯指示；距离在 2.00m 以上，显示“安全距离”并用绿色 LED 灯指示。具有实时语音播 报功能，实时播报测量距离数值，格式： X.XXm,实时播报 时间间 隔 10s，实时播报声音清晰明亮、无明显失真，在 1m 距离处人耳能准确分辨。语音播报要与显示同步。
18、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，习惯上称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，但一个超声 波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（ time of flight）。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声源与障碍物之间的距离 2。 本设计主要
19、是基于 AT89S51 芯片为核心的超声波测距仪， 74LS04 组成的超声波发射电路、并有超声波处理模块 CX20106A、 液晶 显示 等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、 LCD 显示电路 语音播报电路。主要实现超声波测距并指示功能。依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路。本系统成本低廉，功能实用。 本设计框图如图 1.1 所示： 图 1.1 超声波测距系统框图 超声波发射电路 超声波接收电路 控制电路 计数显示电路 4 第 2 章 系统方案论证 本章节阐述超声波测距仪的设计原理，测距技术选型。通过对比各类型控制器选择单片机为控制器并最终选择 AT
20、89S51 单片机，并说明了选择原因以及功能、特性。 在超声波发生器的选择上选用了适合近距离测量的电气方式 超声波发生器并采用反射波方式进行测距。超声波接收传感器采用了性价比较高的压电晶片，其工作频率、灵敏度下文将会介绍。显示单元通过分析各类型显示屏采用了 12864 液晶显示屏。 2.1 超声波测距仪的设计原理 超声波测距仪工作原理：单片机发出 40khz 的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接受器将接受到得超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t，再由软件进行辨别、计算，得出距离数并显示和送语音播报模块播报。其计算公式为： S=340t
21、/2 (2.1) 2.2 超声波测距技术选型 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（ time of flight） 。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声源与障碍物之间的距离 。 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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 340 米 /秒，由 控制器 负责计时， 控制单元 使用 12.0MHZ 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级 3。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距
22、离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 根据设计任务、控制对象和现有条件 本系统硬件电路 采用 由单片机最小系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路 无线通信电路以及语音播报电路 构成。本超声波测距仪的具体工作过程如下， 单片机控制的振荡源产生 40kHz5 的频率信号来驱动超声传感器。每次发射包含 6个脉冲左右 ,当第一个超声波脉冲发射后 ,计数器开始计数 ,在检测到第一个回 波脉冲的瞬间 ,计数器停止计数，得到从发射到接收的时间 t 后 ,单片机读取温度值补偿声速 ,利用测距公式可计算出被测距离，同时由无线通信模块将测量数据传到下位机进行显示和语音播报。系 统总体框图如图2.1；图 2.2所示。 超 声 波 接 收放 大 电 路锁 相 环 检波 电 路定 时 器 单 片 机 控 制 无 线 发 射 器超 声 波 发 射 器 放 大 电 路图 2.1 发射模块 无 线接 收单 片 机 控 制液 晶显 示语 音播 报图 2.2 接收模块
