超声波测距总体—毕业设计

1、摘 要本设计是基于单片机技术，实现的对前方物体距离的测量。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,利用了超生波传感器对前方物体进行感应，通过单片机中的程序对超声波传感器发射和接收的超声波信号进行逻辑分析和计算等处理，最后将处理后的数据显示在lcd显示器上。基于at89c51 单片机的超声波测距系统,该系统根据超声波在空气中传播的反射原理, 以超声波传感器为接口部件, 应用单片机技术利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离, 从而设计了一套超声波测距系统。该系统设计主要工作为主控制器模块的设计、超声波发射模块设计、超声波接收模块、报警模块和显示模块等五个模块构成。论文中介绍的这

2、种设计是通过超声波传感器测量（非接触式测量）设计的超声波传感器由发射部分发射超声波，用接收部分接收超声波，要突破的主要问题是怎么实现测量的距离在0.27-4.00m之间。 本利用公式 s=tv2（v为超生波传播速度，本设计设定值340m/s）,单片机把处理的距离值s并且通过lcd显示出来。关键字： 单片机 超声波传感器 lcd 超声波测距abstractthe design is based on microprocessor technology to achieve the right measurement of the front object distance. due to str

3、ong directional ultrasonic, energy consumption slow, transmission distance is far in medium use of ultrasound sensors on the front induction objects, scm logic analysis and calculation through the procedures of ultrasonic sensors transmitting and receiving ultrasonic signals. finally, after processi

4、ng the data is in the digital lcd tube. ultrasonic ranging system based on at89c51 .the ultrasonic system based on the air-borne reflection principle ,ultrasonic sensors are interface components, used the time gap ultrasonic wave transmit in the air to measure distance with application of scm techno

5、logy, be able to design a set of ultrasonic detection system. a controller module design, ultrasonic transmitter module design, ultrasonic receiver and display module 4 module is the system design work. papers presented the design through ultrasonic sensor (non-contact measurement) measurement ultra

6、sonic sensors are fat radio emission of ultrasonic, with some receiving ultrasonic receiver and alarming device. to overcome the main problem is how to make the measure distance between 0.27 and 4 meters. use formula s=t v (v is the ultrasonic waves velocity. the design settings 340m/s) microprocess

7、or dispose the distance value displayed on the lcd. keywords: scm ultrasonic sensors ultrasonic ranging lcd第一章 引言随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。这一超声波测距系统的设计就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性来为我们服务。人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20hz-20khz范围内，超过20khz称为超声波，低于20hz的称为次声波。常用的超声波频率为几十khz-几十mhz。由于超声波指向性强,因而常于距离的

8、测量。利用超声波测距往往比较迅速、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,因此在移动机器人,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。本设计提供一种数码管显示测距装置,该装置利用了发射接收分离的超声波传感器和微处理器。采用超声波传感器工作于发射和接收,利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。尽管测距有多种方式,比如,激光测距,微波测距,红外线测距和超声波测距等。但是,超声波测距不失为一种简单可行的方法。虽然超声波测距

9、电路多种多样,甚至已有专用超声波测距集成电路。但是,有的电路复杂,技术难度大,有的调试困难,有的元件不易购买。本设计的电路,成本低廉,性能可靠,所用元件易购,并且利用测距原理,结合单片机的数据处理,电路实现容易,工作稳定可靠。本设计实现了对前方障碍物距离的测量，随着测距仪的移动与被测物体的距离的增加和减少，数码管就会显示不同的数值，而报警的声音也会因此而改变。利用超声波测量距离,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日常使用要求。超声波测距仪用于汽车倒车、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、管道长度的测量等场合1.1选题背景及研究意义由于超声波指向

10、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。超声波智能测距仪具有广泛的实际用途，超声波测距仪广泛应用于生活、军事等各个领域，如施工建筑单位对空间距离的测量、汽车倒车防撞系统、潜水艇的超声波探测定位系统。本设计是由指导老师提出的设计要求，本人设计的一个工程设计。该设计可广泛用于生活、军事等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识，并且具有一定的编程能力，综合运用以上知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机中的程序对超声波信号进行分析、计算、处理最后在led数码管上

11、显示出来，并且能够实现报警功能。测量范围在0.27m4.0m,测量精度0.03m,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。本人在大学四年通过努力学习，已获得一定得专业知识，已经拥有电路原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础知识和单片机与接口技术、检测与转换等专业知识和一定的编程能力，为了用所学知识服务于社会，达到学以致用，所以选择该课题。用我们所学的知识感恩老师，回报祖国。1.2超声波测距的发展现状趋势近年来,由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。与同类测距方法相比,超声波方法在以下几方面具有明显的优势：(1) 相对于声波，超

12、声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减较小、反射能力较强等优势。(2) 相对于光学方法，超声波的波速小，可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。特别是在海洋勘测方面具有独特的优点。(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，易于小型化与集成化。随着科学技术的快速发展，超声波将的应用将越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的超声波技术还十分有限，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。，超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，如汽

13、车倒车雷达等，它们测距精度一般较低。目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。展望未来，超声波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，以满足日益发展的社会需求。未来的超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展，死角问题也能得以解决。1.3本课题任务本设计选用t/r-40-12 超声波传感器。在了解超声波测距原理的基础上，完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统的设计，其中为了能够进行实时报警，需要一个报警电路。如果需要提高系统测量精度和系统稳定性，可以增加温度补偿电路，降低了温度变化对测距精度的影响，这样有利于提高超声

14、波测距系统的测量精度。具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，lcd显示电路，温度补偿电路，报警装置电路。要求测量范围在0.274.0cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，并且能够进行报警，必要的情况下，能对温度所造成的系统误差做出补偿。第二章 超声波测距原理超声波原理及应用2.1.1超声波简介声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000hz以上的,其每秒的振动

15、次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。2.1.2超声波应用由于超声波具有如下特性：超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播；超声波可传递很强的能量；超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象；超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方

16、向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成

17、像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。 超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。基础研究。超声波作用于介质后，在介质中

18、产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在1012赫以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域

19、。2.2超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。假设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，发射点距障碍物的距离h，如图1所示图1超声波测距原理图1 中被测距离为h , 两探头中心距离的一半用m 表示, 超声波单程所走过的距离用l 表示, 由图中关系可得 : h= lcos (1)=arctan( m/ h ) (2)将式( 2) 代入式( 1) 得:h =l cosarctan(m/ h ) (3)在整个传播过程中, 超声波所走过的距离为:2l = vt (4

20、)式中: v 为超声波的传播速度; t 为传播时间, 即为超声波从发射到接收的时间。将式( 4) 代入式( 3) 可得: h = 0.5vt cos arctan(m/ h ) (5) 当被测距离h 远远大于m 时, 于是式( 5) 变为:h = 0.5vt （6）这就是所谓的时间差测距法。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。超声波测距系统的结构框图如图2所示 图2 超声波测距系统的结构框图超声波测距系统的设计中用超声波传感器作为测量器件，用单片机中程序进行处理，最后通过led数码管显示出测量的距离值。超声波智能测距仪由四部分

21、组成，包括单片机、超声波传感器和数码管以及报警装置。采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:仪器造价比光波测距仪低，省力,操作方便。由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收

22、电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40khz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。第三章 方案的论证与设计3.1 超声波测距方案选择与论证超声波测距大致有以下方案：方案一：取输出脉冲的平均值电压，该电压(电压的幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离。方案二：测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t。因此，被测距离为s=vt/2。由于测量时间比较容易，所以采用方案二。3.2 频率产生电路方案选择与论证本电路中共用到了两个重要的频率，为了实现输出频率的精确性，在设计时

23、用到了单片机，因为这一部分（频率产生电路）是整个电路的核心，由单片机产生的频率必须准确，否则测得的距离显示会产生很大误差，笔者在考虑总体方案时，也想到用一块单片集成电路（比如说 cmos 集成芯片 cd4046）来完成频率信号的产生以及分频工作，也完全可以实现电路的功能，但是要想实现高精度要求，难免有些困难，最后还是选择了用单片机来完成频率的产生工作。3.3 超声波测距发射电路方案选择与论证方案一：利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生40khz的超声波信号，并直接驱动发生器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。 方案二：利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经

24、驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流为100ma以上的驱动电路。所以采用方案二。3.4 超声波测距接收电路方案选择与论证接收器包括超声波接收探头。信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波接受探头必须采用与发射探头对应的型号(主要是频率要求一致，否则会因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收)。由于经接收探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦信号不能直接被处理器接收，因此最后必须进行波形变换。常用的波形变换的方法有三种：方案一：采用集成锁相环ne567对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信

25、号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。这种方法的特点是电路简单，但锁相环接收的频带较窄，不易锁相。 方案二：采用红外线检波接收的专用集成芯片cx20106a，它常用于电视机红外遥控接收器，由于红外遥控常用的38khz载波与测距用的40khz超声波接近，当它没有接收到信号时输出为高电平，当它接收相近频率的信号时输出为低电平。因此它可以用来作为超声波检测接收电路。这种方法的特点是不仅灵敏度很高，抗干扰能力很强，而且还不需要放大电路，可使系统电路更为简洁。 方案

26、三：采用集成运放芯片（lm324）作为比较器对放大后的信号进行波形变换。当输入信号的电压大于基准电压时，输出为“1”；当输入信号的电压小于基准电压时，输出为“0”；这样就起到对输入信号进行变换的目的。这种方法的特点是电路简单（主与放大电路共用一块芯片），但选择比较电压非常关键。 因为采用cx20106a电路简单，所以用方案二。3.5 显示模块选择方案和论证方案一：采用led液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多,所以在此设计中不采用led液晶显示屏。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于

27、显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。方案三：采用led数码管动态扫描,led数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用的单片机口线少。所以采用了led数码管作为显示。3.6 温度传感器的选择方案与论证方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行a/d转换。此设计方案需用a/d转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。方案二：采用数字式温度传感器ds18b20，此类传

28、感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除a/d模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。本次设计采用方案二。综上各方案所述,此产品的方案选定: 采用at89s51作为主控制系统；采用软件产生频率和超声波信号；用cx20106a接收反射的信号；用ds18b20进行温度补偿;led数码管显示。3.7 报警模块的选择方案与论证语音芯片从使用功能上，基本可以划分为录音语音芯片和放音语音芯片。通常带有录音功能的语音芯片都具有回放语音的功能，但是在播放语音时，音质都没有专门的放音语音芯片好，考虑到本模块只是用来播放提示

29、音，不需要录音，因此选择只有放音功能的放音芯片。因此选用了api8108a。.第四章 超声波测距系统的硬件设计单片机的选择在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。选择好合适的单片机可以最大地简化单片机应用系统，而且功能优异，可靠性好，成本低廉，具有较强的竞争力。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面：单片机的基本性能参数。例如指令执行速度，程序存储器容量，i/o引脚数量等。单

30、片机的增强功能。例如看门狗、多指针、双串口等。单片机的存储介质。对于程序存储器来说，flash存储器和otp（一次性可编程）存储器相比较，最好是flash存储器。芯片的封装形式。如dip（双列直插）封装，plcc（plcc有对应插座）封装及表面贴附等。芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。如果设计户外产品，必须选用工业级。芯片的功耗。比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几ma的电流，选用at单片机就是因为它能满足低功耗的要求。供货渠道是否畅通、价格是否低廉。技术支持网站的速度如何，资料是否丰富。包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序等。芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。at

31、89系列单片机是与mcs-51系列单片机完全兼容夫的产品。它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容，dip40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。at89系列单片机高速(最高时钟频率90mhz)，低功耗，在系统/在应用可编程(isp，iap),不占用户资源。根据本系统的实际情况，选择at89c51单片机。at89c51是一种带4k字节flash存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。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，at89c2051是它的一种精简版本。at89c单片机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。at89c51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，at89c51可以按照