超声波测距系统 毕业论文.doc

目录目录- 0 -摘 要- 1 -abstract- 2 -1 绪论- 3 -1.1 超声波测距概述- 3 -1.2 设计任务和功能要求- 3 -2 超声波测距原理- 5 -2.1超声波的基础知识- 5 -2.1.1超声波的波型及其传播速度- 5 -2.1.2 超声波的反射和折射- 6 -2.1.3 声波的衰减- 7 -2.2 超声波发生器- 7 -2.3 压电式超声波发生器原理- 8 -2.4 超声波测距原理- 8 -3 硬件电路的设计- 10 -3.1 芯片选型- 10 -3.1.1 单片机at89c51性能介绍- 10 -3.1.2 超声波接收芯片cx20106a性能介绍- 13 -3.2 超声波测距系统框架图- 15 -3.3 系统硬件电路的设计- 16 -3.3.1 单片机系统及显示电路- 16 -3.3.2 超声波发射电路- 17 -3.3.3 超声波检测电路- 18 -4 系统软件设计- 20 -4.1主程序设计- 20 -4.2 超声波发射子程序和超声波接收中断程序- 21 -4.3 led动态显示程序- 21 -5 系统调试及误差分析- 24 -5.1 调试- 24 -5.2 性能分析- 24 -5.3 误差分析- 24 -5.3.1发射接收时间对测量精度的影响分析- 25 -5.3.2测量环境对测量精度的影响分析- 25 -5.3.3超声波波束对探测目标的入射角的影响- 26 -6 结束语- 27 -致 谢- 28 -参考文献- 29 -附录1：超声波测距系统电路图- 30 -附录2：程序清单- 31 -摘 要随着科技的发展，非接触式距离测量在工业中有了广泛应用。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，在测量精度方面也能达到工业实用的要求。全文主要有以下五个部分：第一部分为绪论，简述了超声波测距的发展状况，提出了本研究的研究思路、研究方法和研究意义。第二部分讲述了一些超声波的基础知识及超声波测距的原理。第三部分是超声波测距系统的硬件设计用各使用硬件的性能介绍。第四部分为系统软件部分的设计。第五部分描述了系统的调试过程，并形成了结论，并指出了研究的不足。关键词超声波、单片机、at89c51、cx20106aabstract with the development of technology, non-contact distance measurement in a wide range of industrial applications. because of the strong points of ultrasonic energy consumption has been slow, medium transmission distance, which is frequently used in ultrasonic distance measurement, such as the range finder and level measurement, and so can be achieved by ultrasound. ultrasonic detection often use relatively rapid, convenient and calculation is simple and easy to real-time control, the measurement accuracy can be achieved industrial practical requirements. the full text of the following five major components: introduction to the first part, ultrasonic ranging outlined the development of the proposed ideas of this study, methods and significance. the second part on the basis of a number of ultrasonic ranging knowledge and the principles of ultrasound. the third part is ultrasonic ranging system hardware design with the use of hardware on performance. part iv is divided into part of the system software design. part v describes the system debug process, and formed a conclusion, and pointed out the lack of research.keywordsultrasonic;microcontroller;at89c51;cx20106a1 绪论1.1 超声波测距概述 随着科技的发展，非接触式距离测量在工业中有了广泛应用，常用的技术主要有微波雷达测距、激光测距及超声波测距。激光测距是利用激光的单色性和相干性，方向性强等特点实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。一般应用到远距离测量。微波雷达测距是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置。根据微波雷达的用途不同，所测定的目标可能是飞机、导弹、车辆、建筑物、云雨等。微波测距一般应用于雷达系统，gps 定位系统。前两种测距方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。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，在测量精度方面也能达到工业实用的要求1。 在自动测量和微机技术高速发展的今天，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。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。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，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，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小信号处理可靠等特点。需要注意的是，超声波在空气中传播速度会随介质温度升高而增加，所以在测距精度要求较高的情况下，应通过温度补偿的方法加以正2。1.2 设计任务和功能要求本设计采用核心成本低，精度高的at89c51或其兼容系列单片机为主控制器，用动态扫描法实现led数字显示， 超声波发射电路由反向器74ls04和超声波发生器t构成， 单片机p1.0端口输出的40khz方波信号一路经反向器驱动后发射， 超声波接收电路由红外检波芯片cx20106a和超声波发生器r构成，回波信号由单片机p3.2端口接收，显示电路采用动态显示扫描接口电路， 由四位数码管显示。数码管的段码采用74ls373驱动，位码采用另一个74ls373驱动。软件设计方面采用mcs-51语言程序编程。其具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间且通俗易懂。程序主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。该系统可应用于汽车倒车，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，物位厚度的测量。在环境040，070rh的条件下工作，其测量范围为0.071.00m，其测量精度为1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰，稳定的显示测量结果。2 超声波测距原理2.1超声波的基础知识 振动在弹性介质的传播称为波动，简称波。其频率在1620khz之间，能为人耳所闻的机械波，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。频率在310831011 hz之间的波，称为微波。声波频率界限图如图2-1所示。图2-1 声波频率界限图2.1.1超声波的波型及其传播速度声源在介质中施力方向与波在介质中传波的方向不同，声波的波形也不同。通常有：（1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体，液体和气体介质中传播。（2）横波：质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它能在固体介质中传播；（3）表面波：质点振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为： （2-1）式（2-1）中为介质的密度，ba为绝对压缩系数。它们都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。2.1.2 超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射。另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图2-2所示。图2-2 超声波的反射和折射由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1 与折射波在第二介质中的波速c2之比，即： （2-2）声波的反射系数和透射系数可以分别由（2-3），（2-4）式求得： （2-3） （2-4）式中：ir ，i0 ，it分别为入射波，反射波，透射波的声强; ，分别为声波的入射角和折射角。 1c1，2 c2分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2 分别为反射波和折射波的速度。2.1.3 声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散，散射，及吸收等因素有关，其声压和声强的衰减规律为： （2-5） （2-6）式中px ，ix 为距声源处的声压和声强；x为声波的声源间的距离；为衰减系数，单位为np/cm(奈培/厘米)。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散，散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不在沿原来方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状，尺寸，数量，介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转化为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗3。2.2 超声波发生器超声波是指频率高于20khz的机械波，在测距过程中，声波的发射和接收是通过超声波发生器来完成的，人们习惯称超声波发生器为超声波换能器，换能器就是那种可以把一种形式的能量转化为另一种形式的能量的器件。我们所涉及到的换能器是那种将超声能转化为电能，机械能或其他一些形式能量的器件。可逆换能器是指可以以相等的效率对两种形式的能量做相互转换的那种换能器。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，另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4。2.3 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如图2-3所示，它有两压电晶片和一个共振板。发射超声波时，压电传感器中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。接收超声波时，两电极间未外加电，共振波接收到超声波，将压迫压电晶片作振动将机械能转换为电信号。 图2-3 超声波发生器内部结构图2.4 超声波测距原理超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响，故本系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波测距的原理如图2-4所示，即超声波发声器t在某一时刻发出一个超声波信号，同时计时器开始计时，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器r接收，于此同时计时器停止计时。这样，只要算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可以算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式如下： （2-7）其中：d为被测物与测距器的距离；s为声波的来回路程;v为声速；t为声波来回所用时间。 超声波是一种声波，其声速受温度，压强，湿度等因素的影响，其中受温度的影响最大，温度平均每升高一度，声速都会增加约0.6米/秒，在已知温度为t的条件下，超声波的传播速度v的计算公式近似为： v=331.5+0.607t （2-8）表2-1列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速基本是不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方进行校正，声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。 图2-4 超声波测距原理图表2-1 不同温度下超声波声速表温度/-30-20-100102030100速度(m/s)3133193253233383443493863 硬件电路的设计 3.1 芯片选型3.1.1 单片机at89c51性能介绍at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51?指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案5。1 主要特性：(1)面向控制的8位和cpu指令系统。(2)4k字节的程序存储器（rom或eprom）。(3)128字节的数据存储器。(4)可编程的并行i/o口p0p3，有32位双向输入/输出线。(5)一个全双工串行口。(6)两个16位定时器/计数器。(7)五个中断源，两个中断优先级的中断结构。(8)一个片内时钟振荡器械的时钟电路。(9)可以寻址64k字节的程序存储器和64k字节的外部数据存储器。由此可见，msc51单片机是功能相当强的8位微型机。2 引脚功能 at89c51有40个引脚，在40条引脚中，有两条专用于电源的引脚，2条晶体的引脚，4条控制其它电源复用的引脚，32条输入/输出， 图3-1为at89c51的引脚图。下面分别说明这些引脚的名称和功能6。图3-1 at89c51的引脚图（1）主电源引脚和：接+5v电源。：接电源地。（2）输入输出（i/o）引脚p0，p1，p2和p3 p0口:p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高7。p1口:p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收8。 p2口:p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号9。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，其第二功能表如表3-1所示：表3-1 p3口各口线第二功能表口线第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外部中断0）p3.3int1（外部中断1）p3.4t0（记时器0外部输入）p3.5t1（记时器1外部输入）p3.6/wr（外部数据存储器写选通）p3.7/rd（外部数据存储器读选通）（3）时钟电路引脚xtal1和xtal2xtal1：接外部晶体的一端。在单片机内部，它是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。在采用外部时钟时，对于hmos单片机，此引脚必须接地；对chmos单片机，此引脚做为驱动端。xtal2：接外部的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟时，对于hmos单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于chmos单片机，此引脚应悬空。（4）控制信引脚rst，ale/prog，/psen，/ea，/vpprst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）10。3.1.2 超声波接收芯片cx20106a性能介绍cx20106a是红外线遥控接收前置放大双极型集成电路，适用于电视机等。内部电路由前置放大器，自动偏置电平控制电路，限幅放大器，带通滤波器，峰值检波器和波形整形电路等组成。1 主要特性(1) 低电压供电，其典型值为5v。(2) 功耗低，vcc=5v时，其典型功耗为9mw。(3) 带通滤波器的中心频率可通过改变5脚和电源之间的电阻进行调节，其调节的范围为3060khz，由于未使用电感，可不受磁场的干扰，因此抗干扰能力效强。(4) 能于pin光电二极管直接连接。(5) 集电极开路输出，能直接驱动ttl或cmos电路。(6) 8脚单列直插式。2 引脚排列图及功能 cx20106a采用8条引脚直插封装形式，其引脚图如图3-2所示，其逻辑框图如图3-3所示，表3-2为其引脚功能表，表3-3为其直流特性测试表，表3-4为其极限参数表。 图3-2 cx20106a引脚图(1) 功能表表3-2 cx20106a引脚功能表引脚图符号功能1in遥控信号输入端2c1前置放大器频率特性和增益设定3c2接检波电容4gnd接地5f0设定带通滤波器的中心频率6c3外接积分电容7out遥控指令输出端8vcc外接电源(2) 逻辑框图图3-3 cx20106a逻辑框图(3) 直流特性表表3-3 cx20106a直流特性测试表脚号电压注125v22.5v31.5v4接地51.4v65.0v71.0v8接地(4) 极限参数表3-4 极限参数表参数名称符号参数值单位电源电压vcc17v输入信号电压vin5v允许功耗pd0.6w工作环境温度tamb-25+75贮藏温度tatg-55+1503.2 超声波测距系统框架图超声波测距系统包括单片机系统，超声波发射电路，超声波检测接收电路，数码管显示电路四部分，超声波测距系统设计框图如图3-4所示。根据设计要并综合各方面因素，本系统采有at89c51单片机为主控制器。由单片机的晶振电路产生4mhz 方波信号，经分频器分频输出一40khz 的驱动信号给超声波发生器t，使发射器起振发出超声波。同时启动单片机的计数器开始计时。超声波信号在空气中传播至障碍物后产生反射，反射回波被超声波接收器r接收，转换为电信号脉冲，经放大，滤波，比较，整形后，输入到外部中断口产生中断， 计数器停止，通过，计数器的脉冲个数就能算出渡越时间大小，从而求出间距d。数码管显示电路用动态扫描法实现。图3-4 超声波测距系统设计框图3.3 系统硬件电路的设计3.3.1 单片机系统及显示电路 单片机采用89s51或其兼容系列。采用12mhz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波转化器所需的40khz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。led显示器有静态显示和动态显示两种显示方式，显示电路采用简单实用的4位共阳led数码管，采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用cpu时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。因此在显示器位数较少的情况下，一般都采用动态显示方式11。采用动态扫描法，这种方法使显示器件分时工作，每一次只能有一个器件显示即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码，依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人的视觉暂留现象，所以，仍感觉到所有的器件都在同时显示，这种显示方法的优点是使用硬件少，价格低；但占用机时多，只要单片机不执行显示程序，就会立刻停止显示。动态显示的亮度与导通电流有关，也与点亮时间和间隙时间的比例有关。单片机系统及显示电路原理图如图3-5所示。p2口作为位扫描口，经一个74ls373驱动后接公共阳极，p0口作为段数据口，经另一个74ls373驱动后接显示器的各个阴极。图3-5 单片机系统及显示电路原理图3.3.2 超声波发射电路 超声波发射电路如图3-6所示。发射电路主要由74ls04反向器和超声波发生器构成，at89c51单片机p1.0端口输出的40khz方波信号一路经一级反向器后送到超声波发生器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发生器的另一个电极，当用这种推挽形式将方波信号加到超声波发生器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，上拉电阻r10，r11一方面可以提高反向器用以提高74ls04输出高电平的驱动能力另一方面可以增加超声波发生器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间12。 图3-6 超声波发射电路原理图超声波的发射是采用超声波换能器（tct4010f1），中心频率为40 khz，是利用压电晶体谐振工作。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，并带动共振板振动产生超声波。3.3.3 超声波检测电路超声波检测电路如图3-7所示。参考红外转化接收期刊的电路采用集成电路cx20106a，这是一款红外线检波接收的专用芯片，它由前置放大器，限幅放大器路，带通滤波电路，峰值检波器，波形整形电路等组成。用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38khz与测距超声波频率40khz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明它具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。r14和c5是控制cx20106内部放大增益，r12控制带通滤波器的中心频率。一般取r14=10，c5=1f。其余元件按图11取值。适当改变c6的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 超声波的接收是采用超声波换能器（tct4010s1），中心频率也为40 khz如果其两极未加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化电信号，信号经过cx20106a滤波，放大，整形送到单片机。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，器件标志t为发射换能器，标志r为接收换能器。图3-7 超声波检测电路图4 系统软件设计声波测距软件设计主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。控制程序采用汇编语言编程，其具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序超声波接受中断程序，和显示子程序逐一介绍。4.1主程序设计主程序首先对系统环境初始化，设置定时器t0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位ea并给显示端口p0和p2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12mhz的晶振，机器周期为1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器t0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20时的声速为344m/s则有： （其中t0为计数器t0的计数值，c为20时的声速） （4-1） 测出距离后结果将以十进制bcd送往led，显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.2 超声波发射子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是在p1.0端口发送2个左右的超声波信号频率（约40khz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器t0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（int0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器t0停止计时，并将测距成功标志字赋值113。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器t0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。图4-2和图4-3分别为超声波发射子程序和超声波接收中断程序。 图4-2 超声波发射子程序 图4-3 超声波接收中断程序4.3 led动态显示程序本系统采有共阳4位显示器，在at89c51中设置了四个显示缓冲器单元4043h分别存放4位显示器的显示数据。at89c51的p2.0p2.3口输出总有一位为高电平，即4位显示器中仅有一位公共阳极为高电平，其他位为低电平；at89c51的p0.0p0.7口输出相应位的显示数码的段码，使某一位显示出一个字符，其他位为暗。依次地改变at89c51的p2.0p2.3口输出为高的位，p0.0p0.7口输出对应的段码，则4位显示器就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。动态显示子程序的框图如图4-4所示。显示程序清单如下:display: mov r1，#40h; ;置缓冲指针初值 mov r5，#01h ;扫描位值初送r5play: mov a，r5 mov p0，#0ffh mov p2，a mov a，r1 ;取显示数据 mov dptr，#tab movc a，a+dptr ;查表取段码数据 mov p0，a lcall dl1ms inc r1 mov a，r5 jnb acc.0，endout;g rl a mov r5，a ajmp playendout: mov p2，#0ffh mov p0，#0ffh rettab:db 0c0h，0f9h，0a4h，0b0h，99h，92h，82h，0f8h，80h，90h，0ffh，88h，0bfh;共阳段码表 0 ，1 ， 2 ， 3， 4 ， 5， 6 ，7 ， 8 ，9 ，不亮，a ，- dl1ms: mov r6，#14h ;延时程序dl1: mov r7，#19hdl2: djnz r7，dl2 djnz r6，dl1 ret图4-4 动态显示子程序的框图5 系统调试及误差分析5.1 调试 超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用15的超声波换能器tct40-10f1（t发射）和tct40-10s1（r接收），中心频率为40khz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容c4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。5.2 性能分析 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.071.00m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。5.3 误差分析本系统测量范围为0.071.00m.测量精度为1cm，测量时与被测物体无直接接接触，能够清晰，稳定地显示测量结果。利用本文设计的测距系统进行实际测量的结果如表5-1所示，可以看出在1065cm，测量误差基本满足要求。测量误差主要来自以下几个方面：表5-1 测量系统实验结果实际距离（cm）测量距离(cm)相对误差(%)1010.22.02021.57.53031.03.04038.4-4.06558-10.75.3.1发射接收时间对测量精度的影响分析 采用tr40压电超声波传感器，脉冲反射由单片机控制，发射频率为40khz，忽略脉冲电路产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收的回波，超声波在空气介质中的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。设测量设备基准确面距被测物距离为h，则空气传播的超声波波动方程为： (5-1) 由(5-1)式知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于超声波的指向性，此式出自文献。5.3.2测量环境对测量精度的影响分析 测量环境对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。由前文可知超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。因此，利用超声波测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强，温度，湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度，温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。声波扰动是机械的，声波在传播中带有机械能量，声能传播的途中逐渐转变成热，从而出现随距离而逐渐衰减的现象，称为声吸收。声波的频率越高衰减得越厉害，传播距离也越短，在给定的频率下，衰减是湿度的函数。(1) 声速受温度的影响 工程上常用的由气温估算声速的公式如下： (5-2)式（5-2）中c0=331.m/s; t为绝对温度，单位为k，此式出自文献。此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每升高或下降1，声速将增加或减少0.607m/s，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的声速。(2) 声波的衰减程度受湿度的影响声波传播过程中，声压的幅度由于媒质中声吸收而衰减，声强随频率增高衰减增加，在给定的频率时衰减是湿度的函数。产生最大衰减时的湿度值视频率而不同， 例如: 频率大于125 khz 时，最大衰减发生在湿度为100 %rh 处，而在频率40 khz 时，最大衰减发生在湿度50 %rh 处14。5.3.3超声波波束对探测目标的入射角的影响当超声波波束对探测目标是垂直入射垂直反射时，测量距离才是精确的，但实际情况下，超声波波束对探测目标有一定的入射角，使测量结果比实际测量距离偏大。6 结束语本课题论述超声波测距系统的基本原理，测量计算方法简单，实现方案容易。采用软件控制，提高了测量精度和整机的可靠性。通过超声波换能器和led数码管可以测量和显示0.071.00m 内的物体距离，分辨率可达到0.01m. 这种测距系统可用于物面和液面测量， 汽车倒车报警装置. 硬件采用模块化设计，可以嵌入到其他系统中。在控制方面，单片机其卓越的性能，本设计中得到了很好的体现，尤其在检测，控制领域中，具有以下特点：(1) 小巧灵活，成本低，易于产品化，它能方便地组装成各种智能测试，控制设备及各种智能仪器表。 (2) 可靠性好，适应范围广，单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它原件无法比拟的。(3) 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能所用的指令。(4) 可以很方便地实现多机制分布式控制。 也许是因为以前动手实验的太少，这次论文题目拿到手，开始不知道从何处下手，慢慢的开始学着在网上找资料，从图书馆找资料，找辅导老师指点，这次老师的帮助很大，教会我们如何快捷的从网上找芯片的参数，实验起来出现了很多开始没有考虑到的问题，比如怎样使用at89c2051来控制超声波的发射和接收时间，查资料是中文网站是基本上不提供准确消息的，pdf格式文件多是英文的，这也给我理解带来很多的不便。 在调试过程中也遇到了不少问题，发现实践和理论有太大的区别，比如相关资料中要求超声波探头在安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4cm8cm即可，而在实际操作中我将距离调到10cm左右才能避免超声波探头直接从发射端到接收端，由于硬件驱动不够强，超声波测距系统受环境影响也较大，导致超声波衰减较快，测距结果达不到预期的效果，对此可以加入温度补偿和提高驱动方法加以修正完善。 在这次论文设计过程中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的知识。在以后工作和学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。 参考文献1 袁易全等. 近代超声原理与应用m. 南京: 南京大学出版社，1995. 2 彭振明等. 声发射技术及其应用m. 北京: 机械工业出版社，1990.3 郁有文等. 传感器原理及工程应用m. 江苏: 西安电子科技大学出版社，2003.4 楼然苗等. 单片机课程设指导m. 北京: 北京航空航天大学出版社，2007.5 胡乾斌等. 单片微型计算机原理与应用