1、 本 科 毕 业 设 计 超声波测距仪的设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机 接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以 AT89C51 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在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗
2、干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。该测距仪最大测量距离是 2 米，精确度是 0.1mm。这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：测量液位、井深、管道长度等场合。可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。 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 AT89C51 单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的
3、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 AT89C51 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 ： AT89C51；超声波；传感器； LED II Abstract Along with the science and technology fast development, the ultrasonic wave more and more will be broad in the science a
4、nd technology application .This article has carried on the theoretical analysis to the ultrasonic sensor range finder possibility, the use simulation electron, the digital electron, the microcomputer connection, the ultrasonic wave transducer, as well as the ultrasonic wave in medium knowledge and s
5、o on dissemination characteristic, uses take AT89C51 monolithic integrated circuit as the core low cost, the high accuracy, the microminiaturized numeral demonstrated the ultrasonic wave distance gauge the hardware electric circuit and the software design method has designed the system overall conce
6、pt in this foundation, finally has realized each function module through the hardware and the software. The related part attaches the hardware circuit diagram, the program flow diagram. In order to guarantee the ultrasonic ranging sensor the reliability and the stability, have taken the correspondin
7、g ant jamming measure. On the ultrasonic wave dissemination characteristic, the ultrasonic wave transducer operational factor, the ultrasonic wave launch, the receive, the supersonic weak signal enlarged, the wave shaping, the speed transformation, the voice prompt electric circuit and the system fu
8、nction software and so on have given the specify. This distance gauge maximum survey distance is 2 meters, the precision is 0.1cm.Proved after the experiment that, this set of system software and hardware design reasonable, ant jamming ability strong, timeliness is good, the process system expansion
9、 and the promotion, may use in the back-draft radar, the building construction work site as well as some industry scene, for example: Survey situations and so on fluid position, well depth, pipeline length. May widely apply in the industrial production, the medicine inspection, the daily life, pilot
10、 less automobile, automatic work scene automatic guidance car, robot, liquid meter and so on. This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzi
11、ng principle that ultrasonic wave 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 takin
12、g AT89C51 as the core ,this circuit 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 : AT89C51;ultrasonic wave; sen
13、sor; LED 1 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景、目的和意义 . 1 1.2 两种常用的超声波测距方案 . 1 1.2.1 基于单片机的超声波测距系统 . 1 1.2.2 基于 CPLD 的超声波测距系统 . 1 1.3 课题主要内容 . 2 第 2 章 超声波设计原理 . 3 2.1 超声波传感器的原理与特性 . 3 2.1.1 原理 . 3 2.1.2 特性 . 5 2.2 超声波传感器的检测方式 . 5 2.3 超声波传感器系统的构成 . 6 第 3 章 超声波系统硬件设计 . 8 3.1 单片机基础知识 . 8 3.1.1 单片机的内部结构 . 8 3.1.2 单
14、片机的基本工作原理 . 10 3.2 单片机的分类及发展 . 11 3.3 超声波测距系统电路的设计 . 11 3.3.1 总体设计方案 . 11 3.3.2 发射接收电路的设计 . 12 3.3.3 显示模块的设计 . 13 第 4 章 超声波系统软件设计 . 15 4.1 超声波测距系统程序流程图设计 . 15 4.2 超声波测距系统程序设计 . 15 第 5 章 电路调试及误差分析 . 17 5.1 电路的调试 . 17 5.2 系统的误差分 析 . 17 5.2.1 声速引起的误差 . 17 5.2.2 单片机时间分辨率的影响 . 18 2 结论 . 20 致谢 .错误 !未定义书签。
15、 参考文献 . 21 附录 1 原理图与实物图 . 22 附录 2 程序 . 25 1 第 1 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。利用单片机控制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，并且测量精度较高 。 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
16、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 两种常用的超声波测距方案 1.2.1 基于单片机的超声波测距系统 基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为 40kHz 的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接 收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图 1.1所示。 图 1.1 基于单片机的超声波测距系统框图 这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超
17、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，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给 LED 显示 1。 利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。 1.2.2 基于 CPLD 的超声波测距系统 这种测距系统采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，运用 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Desc
18、ription Language)编写程序，使用 MAX+plusII 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。 CPLD 器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为 D 触发器、 T 触发器、 RS触发器或 JK触发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非常 适用于本系统，可将本2 系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由 MAX 来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。 本系统利用 CPLD 器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结
19、果在 LED 上显示出来。配合使用 MAX+plusII 开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。其系统框图如图 1.2 所示。 图 1.2 基于 CPLD 的超声波测距系统框图 超声波发射器向某一方向发射 40kHz 的超声波，在发射超声波的同时， MAX7128S 内的计数器开始计数。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来。超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到 CPLD， CPLD 立即停止计数。 CPLD 所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。超声波在空气中的传播速度如设定为 332m/s，根据计数器记录的时间 t，就可以
20、计算出发射点距障碍物的距离 s，即： s=332t/2。 CPLD 开始计数后，只要传感器收到回波， CPLD 就立即停止计数，即只有最先返回的超声波才起作用，也就是 说超声波测距仪总是测得离传感器最近的物体的距离 2。 本系统采用先进的 CPLD 器件，高性能、低成本地实现了距离的测定。 1.3 课题主要内容 通过上面介绍我们知道，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基于单片机设计的。 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
21、止计时。超声波在空气中的传播速度为 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。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。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，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离 ,结果输出给 LED 显示。 利用本测距系统测量，范围应在 30cm 200cm 内，其
22、最大误差 控制在 10cm。3 第 2 章 超声波设计原理 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。 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。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 的因有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声
23、波。反之，如果两极间未外加电压，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。 在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面的知识。在本章里，将介绍超声波传感器的原理和特性，检测方式以及超声波传感系统的构成。 2.1 超声波传感器的原理与特性 2.1.1 原理 人们可以听到的声音频率为 20Hz 20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz 以下的声音称为低 频声波， 20kHz 以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz 8kHz。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利
24、用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为 330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。 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以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为 一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率 (中心频率 )有 23kHz、 40kHz、75kHz、 200kHz、 400kHz 等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。 超声波传感器是利用压电效应的原
25、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 2.1 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 所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。 4 图 2.1 压电逆效应 超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的
26、两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板 (振动板 )接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发 送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。 采用双晶振子的超声波传感器 ,若在发送器的双晶振子 (谐振频率为 40kHz)上施加 40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送 40kHz 频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器
27、。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声 波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。 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 2ctS (2-1) 式 (2-1)中的 c 为超声波在空气中传播的速度。 限制该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
28、对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射 /接收的设计方法。由于超声波发球声波范围，其波速 c 与温度有关，表 2.1列出了几种不同温度下的波速。 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 波速确定后，只要测得超声波往返的时间 t，即可求得距离 S。其系统原理框图如图 2.2所示。 图 2.2 超声波测距系统框图 单片机 AT89C51 发出短暂的 40kHz 信号，经放大后通
29、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5 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。 在下一节里，我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方法。 2.1.2 特性 现以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表 3.1 示出的就是这种超声波传感器的特 性。传感器的标称频率为 40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。 表 3.1 超声波传感器
30、 MA40S2R/S 的特性 种类特性 MA40S2R 接收 MA40S2S 发送 标称频率 40kHz 灵敏度 74dB 以上 100dB 以上 带宽 6kHz 以上 ( 80dB) 7kHz 以上 (90dB) 电容 1600pF 1600pF 绝缘电阻 100M 以上 温度特性 20+60 范围内灵敏度变化在 10dB 以内 超声波传感器的带宽较 窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。 MA40S2R/S 传感器的发送与接收
31、的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。 图 2.3 表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。 另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此， 在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。 图 2.3 传感器的方向性 2.2 超声波传感器的检测方式 1.穿透式超声波传感器的检测方式 当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。这种方式的检测距离约 1m，作为标准被检测物体使用 100mm 100mm 的方形板。
