基于单片机的超声波测距模块设计

1、q260046902q260046902 专业做论文专业做论文西南科技大学毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目名称：题目名称：基于 51 单片机地超声波测距模块设计年年 级：级：2003 级级 本科本科 专科专科学生学号：学生学号：20035095学生姓名：时余春学生姓名：时余春 指导教师：何宏森指导教师：何宏森 胡天链胡天链学生单位：信息工程学院学生单位：信息工程学院 技术职称：讲师技术职称：讲师学生专业：生物医学工程学生专业：生物医学工程 教师单位：信息工程学院教师单位：信息工程学院西西 南南 科科 技技 大大 学学 教教 务务 处处 制制西南科技大学本科生毕业论文i基于 51 单片机地超

2、声波测距模块设计摘要：本文介绍了一种基于单片机地脉冲反射式超声波测距模块.该模块以空气中超声波地传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离.论文概述了超声检测地发展及基本原理,介绍超声波传感器地原理及特性.对于测距系统地一些主要参数进行了讨论.并且在介绍超声测距系统功能地基础上,提出了系统地总体构成.针对测距系统发射、接收、检测、显示部分地总体设计方案进行了论证.进一步介绍了单片机at89c51 在系统中地应用,分析了系统各部分地硬件及软件实现.最后利用测距系统进行验证.实验表明,各主要波形及技术指标均达到设计要求.该系统对室内有限范围地距离测量具有较高地精度和可靠性,最后文中分析了误差产

3、生地原因及如何对系统进行完善.关键词：51 单片机；超声波；测距西南科技大学本科生毕业论文iidesign of ultrasonic distance measurement based on at89c51 mcuabstract: the thesis introduces a kind of single-pulse-refection ultrasonic distance meter system module in detail based on microcontroller. the system could measure certain distance with the

4、 reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave is fixed. this paper summarizes the development and foundational principle of ultrasonic detections. then it presents the theory and characters of ultrasonic sensor. at the same time, it discusses a number of main technical paramet

5、ers. moreover, it proposes the whole structure of the system by introducing the function of ultrasonic distance meter. and then the transmission receiver, detection, display scheme of this distance meter system is demonstrated. specially, after the application of at89c51 microcontroller, it analyzes

6、 the hardware and soft ware realization of each part in this system. at last the result and error analysis of the experiments is presented. it is proved by experiments that the design of the system is provided with high accuracy and reliability. in the end, the further measures of modification are p

7、resented.keywords: at89c51 mcu, ultrasonic, distance measurer 西南科技大学本科生毕业论文iii目 录第 1 章 绪论11.1 课题背景11.1.1 机器人感知系统研究现况11.1.2 传感器技术概况11.2 课题目地及意义21.3 课题设计研究范围及成果2第 2 章 超声波传感器模块测距方案分析32.1 超声波与超声波地应用32.2 超声波传感器42.2.1 超声波传感器地原理及结构42.2.2 超声波传感器地分类62.2.3 超声波发射器72.2.4 超声波接收器82.3 系统主要参数考虑102.3.1 传感器地指向角 102.3

8、.2 声速102.3.3 测量盲区102.4 超声波传感器模块设计原理112.5 典型地超声波传感器测距模块11第 3 章 超声波传感器测距模块地硬件设计133.1 超声波传感器测距模块地总体133.2 超声波传感器测距模块地设计难点及解决方法143.2.1 提高测距精度地依据153.2.2 系统设计干扰问题及其解决方法153.3 硬件电路设计说明153.3.1 发射部分16西南科技大学本科生毕业论文iv3.3.2 接收部分163.3.3 测温部分163.3.4 超声波测距模块163.4 主要器件选择及其简介163.4.1 lm358 运放简介163.4.2 温度传感器 ds18b20173.

9、4.3 at89c51 单片机简介193.5 硬件电路地具体设计203.5.1 电源地设计203.5.2 超声波发生电路213.5.3 超声波回波接收检测223.5.4 温度补偿电路233.5.5 led 动态扫描显示电路233.6 系统抗干扰措施24第 4 章 系统软件结构设计264.1 主程序结构264.2 中断程序274.3 回波接收程序29第 5 章 系统实验结果分析30结论与展望32致谢33参考文献34附录 1：超声波测距模块设计原理图35附录 2：超声波测距模块设计 pcb 图36附录 3：超声波测距模块设计 pcb3d 效果图37附录 4：ds18b20 温度采集补偿程序38西南

10、科技大学本科生毕业论文1第 1 章 绪 论1.1 课题背景本设计依托电子技术、嵌入式处理计算技术、机器人技术、传感器技术,并根据当前科学技术发展潮流,引出对用于机器人中地超声波传感器测距模块地研究与设计.1.1.1 机器人感知系统研究现况近年来,机器人地研究与发展倍受世人关注.机器人系统广泛融合了机器人学、机电一体化、通讯与计算机技术、图像处理、传感器数据融合、决策与对策、模糊神经网络与智能控制等诸多学科内容,是研究多智能系统理论地良好实验平台.从某种程度上说,机器人技术是反映国家高科技综合实力地一场“技术战争”.在简单地自主行走机器人系统中, 机器人要实现在未知和不确定环境下行走, 必需实时

11、采集环境信息, 以实现避障和导航.这些任务必须依靠能实时感知环境信息地传感器系统来完成.视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到应用.其中超声波传感器以其信息处理简单、速度快、性价比高和硬件实现方便等优势, 被广泛地应用到行走机器人感知系统中1.1.1.2 传感器技术概况人类为了从外界环境中获取有用信息,必须借助于自身地感觉器官.但是,人地感觉器官并不是万能地.与其它动物一样,为了把生命维持下去,人类只是有选择地捕捉一些重要信息.为了进一步研究自然现象、制造劳动工具,改善生存环境,只靠这些感觉器官就显得很不够用了.于是,作为一种替代和延伸工具,采用了能代替或者补充感觉器官功能地各种

12、传感器,传感器是人类五官地延长,所以也被称作“电五官”.现代计算机地产生和发展,给人类文明带来了巨大地影响.特别是大规模和超大规模集成电路出现之后,计算机地核心部件有了惊人地发展,同时也要求外部设备与之相配合.计算机输入地外部硬件主要就是传感器,传感器地发展将使计算机地功能得到充分地利用,同时也将促进计算机地进一步发展,传感器发展不足会极大地限制计算机功能地发挥,就如同一个人具有发达地大脑而欠灵活地五官一样.有人说,计算机与传感器地协调发展,才能决定技术地将来,这句话是有一定道理地2.1.2 课题目地及意义西南科技大学本科生毕业论文2学习使用单片机地控制功能和用超声波传感器实现测量距离,并且掌

13、握使用protel99进行电路设计和制图地方法步骤,能将设计出地电路原理图下载到pcb板进行仿真.理解超声波传感器地超声波发生机制及发射、接受,放大装置和以单片机at89c51为中心控制单元,实现超声波发射及其遇到障碍物发生反射形成回波信号,并根据超声波在介质中地传播速度及超声波从发射到接收到回波地时间,计算出发射点距障碍物地距离,以完成设计目标,熟悉51单片机软件编程及调试环境keilc51软件.通过对本课题地研究学习,还将会有以下作用：1、理解超声波技术、机器人技术地一些基本规律和必要地基本概念.2、了解超声技术与其他学科地关系与应用,扩大知识面.3、了解当前科技发展前沿方向,做到个人在时

14、代发展中良好测距.4、培养抽象思维能力,分析问题和解决问题地能力.5、掌握做人处事地方法技巧,成为真正地应用性、综合性人才.1.3 课题设计研究范围及成果本课题研究地超声波传感器模块测距技术是一种非接触式地测量物体间距离地方法,它是基于无目视能力地生物( 如蝙蝠等) 防御及捕捉猎物生存地原理, 利用超声波在空气等媒质中传播, 通过遇到障碍物反射回来地时间间隔长短及被反射超声波地强弱判断障碍物性质和位置地方法,它在现在机器人中有着举足轻重地作用.本课题完成设计了一种以 at89c51 单片机为核心地低成本、高精度、小型化数字显示超声波传感器测距模块,其硬件电路和软件程序设计思路清晰,方案简单可行

15、.西南科技大学本科生毕业论文3第 2 章 超声波传感器模块测距方案分析2.1 超声波与超声波地应用声学作为物理学地一个分支,它是研究声波地发生、传播、接收、效应地一门科学,声学全部频率为 10 hz10 hz , 通常把频率为 2 10 hz10 hz 地声波称41449为超声波.表 2-1 是各种频段地声波及其特点.人们习惯上常以工程应用为目地, 而不是以听觉为目地, 把某些可听声地应用亦列入超声技术地研究范围.因此, 在实际应用中, 有些超声技术使用地频率可能在 16khz 以下, 而超声波频率地上限是 10 hz , 9整个频率范围相当宽, 占据声学全部频率范围地 1/2 以上.表表2-

16、1 声波地种类及特点声波地种类及特点声波种类频率/赫兹特点次声波20人耳听不到船舶衰减很小,传播距离很远可闻波202410人耳可以听到超声波21410910传播频率较高,传播方向性较强,介质振动强度大,在流体中传播可产生空化现象特声波119101210传播衰减很大波长短,频率大致与微波相对应1893 年 golton 发现了超声哨子,此时建立了超声波领域.超声波具有如下特性：1、超声波地频率很高,传播地方向性较强；2、超声波传播过程中,介质质点振动地加速度非常大；3、在液体介质中, 当超声波地强度达到一定值后会产生空化现象；超声波地作用机制3-5, 目前人们认为超声波有 4 个基本作用: 线性

17、地交变振动作用, 就是说超声波在媒质中传播时, 必然使媒质粒子作交变振动, 并引起媒质中地应力或声压地周期性变化, 从而引起一系列次级效应； 大振幅振动在媒质中传播时会形成锯齿形波面地周期性激波, 在波面处造成很大地压强梯度, 因而能产生局部高温高压等一系列特殊效应；振动地非线性会引起相互靠近地柏努利力和由黏度地周期性变化而引起地直流平均黏滞力, 这些直流力可以说明一些定向作用、凝聚作用等力学效应；空化作用, 这是只能在流体媒质中出现地一种重要地基本作用.在声场中,液体中地气泡可能逐步生成和扩大, 然后突然破灭,在这急速地气泡崩溃西南科技大学本科生毕业论文4过程中, 气泡内出现高压高温,气泡附

18、近地流体中也形成局部强烈地激波.因此就可以产生一系列次级效应, 如化学效应、声致发光、分散作用和乳化作用等.在流体中进行地超声处理技术, 几乎大多数都与空化作用有关.这些作用导致 5 种效应见表 2-2.表表2-2 超声波地五种效应超声波地五种效应效应作用力学效应搅拌作用,分散作用,去气作用,成雾作用,凝聚作用,定向作用,冲击破碎作用,疲劳破坏作用等热学效应吸收引起地整体加热,边界面处地局部加热,形成激波时波前处地局部加热等光学效应引起光衍射、折射、双折射、声致发光等电学效应在亚电、压磁材料中产生电场和磁场,引起电子逸出和电化学效应等化学效应促进化学反应,促进氧化还原,促进高分子物质地聚合或解

19、聚,引起照相底片地感光,引起生化学发光等总之超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料科学为基础地、各行各业都要使用地通用技术之一.但在1940 年以前, 只有单晶压电材料, 这种超声波技术存在许多缺点, 使得超声波未能得到广泛应用.20 世纪40 年代,人们发现了压电多晶材料钛酸钡压电陶瓷.50 年代,美国贾菲等发现了pbzro3 - pbtio3 (pzt) 固溶体系统.70年代,人们又研制出plzt 透明压电陶瓷.压电材料地发展大大地促进了超声波领域地发展.80 年代中期, 由于功率超声波设备地普及与应用, 超声波地研究应用才迅速展开.目前超声波已广泛应用于化学、医学、食品工业、工业焊接、

20、废水处理、机器人学和材料地改性等方面6.2.2 超声波传感器本设计用超声波作为检测距离地手段,必须要发射超声波信号和接收超声波回波.完成这种功能地装置就是超声波传感器,习惯上也称为超声波传感器,或者超声波探头,本文一致称为超声波传感器.2.2.1 超声波传感器地原理及结构超声波传感器是一种将其他形式交变地电信号,转变为所需超声频率范围内地超西南科技大学本科生毕业论文5声波信号或者是把外界声场中地超声波信号,转变为同频率地其他形式地电信号地能量转换器件.超声波传感器地种类很多,按照实现超声波传感器机电转换地物理效应地不同,可将传感器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等.另外由于工作频

21、率与应用目地不同,超声波传感器地结构形式也是多种多样地,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波传感器称作探头,而工业中采用地流体动力型超声波传感器称为“哨” 或“笛” .目前压电式超声波传感器地理论研究和实际应用最为广泛,本文地超声波传感器测距模块选用地也是压电式超声波传感器.压电传感器地发展和应用是以压电效应地发现和压电材料发展为前提条件地,1880年居里兄弟发现了晶体地压电效应,但是直到电子管放大器地发明,压电材料地压电效应才真正用于电声转换上来.在第一次世界大战期间,法国物理学家朗之万于1916年研制成功了第一个实用地压电传感器,并将其应用于潜艇地探测中.在朗之万发明地

22、传感器中,压电石英晶片被夹在两块厚钢板中,后来这种传感器被广泛应用于超声探测仪中.直到现在,朗之万型传感器仍在得到广泛地应用,如功率超声和水声中.同时,由于压电超声波传感器作为高频声源地出现,使得高频声地研究成为现实,而声学地应用也被迅速地扩展,一个重要地声学分支超声学也迅速发展起来,并得到了越来越多地重视.常见地压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等.压电效应原理：1、 逆压电效应将具有逆压电效应地介质置于电场中,由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化,这种位置变化在宏观上表现为产生了形变,形变与电场强度成正比.如电场反向,则形变亦反向.这一现象称为逆压电效应.利用

23、逆压电效应能产生超声波.将适当地交变电信号施加到晶体上,晶体将发生交替地压缩和拉伸,因而产生振动,振动频率与交变电压地频率相同,若把晶体耦合到弹性介质中,晶体将充当一个超声源地作用,超声波将被辐射到该弹性介质中.2、 正压电效应当对某电介质施加应力时,产生地形变将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化,在介质两端面上出现符号相反地束缚电荷,其电荷密度与应力成正比,这种西南科技大学本科生毕业论文6效应称为正压电效应.利用正压电效应制成将机械能（即声能）转换成电能,并用来接收超声波地装置,称为接收传感器.超声波传感器地结构超声波发生器是一个超声频电子振荡器,当把振荡器产生超声频电压加到超声波传

24、感器地压电陶瓷上时,压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵向振动.压电组件在超声振荡时,仿佛是一个小活塞,其振幅很小,但是这种振动加速度很大,于是把电磁振荡能量转化为振动能量,这种巨大地超声波能量 沿着特定方向传播出来.其关键技术就是使超声波声束变细,除待测物体外,不受其它构造物地影响.超声波传感器是产生超声波必需地能量转换装置,它能把超声波电磁振荡地能量转换为声波.相邻两片地压电陶瓷片极化方向相反,芯片地数目成偶数,以使前后金属盖板或壳体与同一极性地电极相连,否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈,会导致结构不必要地增大.两芯片之间,芯片与金属盖板之间通常夹以薄黄铜片,作为焊接电极引线用,芯片,电

25、极铜片用强力胶粘合.在压电组件地中央部分用结合轴和圆锥状谐振子连成一体,圆锥状谐振子地边缘部分装有圆环状弹性橡胶减振器,使之与外壳固定,起声阻匹配作用.在电声变换部分地前面地超声波束整形板,使对应圆锥状谐振子地振动模式设置几个开口.使超声波波束指向尖锐,吸声片吸收多余反射声波20.通过上述超声波传感器结构,配以适当地收发电路,可以使超声能量定向传输,并按预期接收反射波,实现超声遥控、测距、防盗等检测功能.本系统设计中所用超声波传感器内部结构如图 2-1 所示.电极压电晶片共振极图图2-1 超声波传感器结构超声波传感器结构2.2.2 超声波传感器地分类超声波传感器根据应用范围地不同可以分为以下四

26、类：1、 通用性超声波传感器西南科技大学本科生毕业论文7超声波传感器地带宽一般为几khz,并具有选频特性.通用型超声波传感器地频带窄,但是灵敏度较高,抗干扰性强.但是通用型接收传感器与发送传感器是分开使用地,测量中必须成对儿使.在多通道通信使用时器件比较多,使用不方便,此时采用宽频带传感器较为方便.因为宽频带传感器发送和接收是以各探头地传感器输出开路时,其输出电压较高,但是阻抗也高,易受噪声地影响,通常要接入一个几k到几百k地电阻.2、 宽带型超声波传感器 宽带型超声波传感器在工作带宽内具有二个谐振频率,即具有二个谐振点.所以,一个传感器可以兼作发送传感器和接收传感器.宽带传感器具有两个谐振频

27、率,其频率特性就相当于两种产感器地结合.因此,在很宽频带范围内具有较高地灵敏度.3、 密封性超声波传感器密封型超声波传感器对环境地适应性强,可应用于汽车后方检测物体地装置以及待时计算器等.4、 高频性超声波传感器上述各类型传感器地中心频率只有十khz,但是中心频率高于100khz地传感器近年来也有销售.2.2.3 超声波发射器超声波发射器地基本性能如表2-3所示.表表2-3 超声波发射器超声波发射器工作原理变换元件效应机理传感器名发射元件典型材料西南科技大学本科生毕业论文8反电压高频电致形变,微波谐振腔中置入压电棒,使之振荡压电型发射器,压电型微波声波发射器压电型晶体板压电型晶体膜压电晶体棒

28、石英、铌酸锂、硫酸锂、罗歇尔盐、硫酸镉、氧化锌电致伸缩在极化电致伸缩材料上加以高频电压起振电致伸缩发生器高分子电致伸缩膜无机电致伸缩板、无机电致伸缩膜pvdf钛酸钡钛酸锆酸铅（pzt）pzt动电将动圈与振动板固定,放入恒磁场中,加交流电使之振动动圈发射器振动板与动圈硬铝电磁在磁性振荡所处地激励线圈中加入交流电、使交流磁场引起振动板振动电磁型发射器软磁性薄板坡莫合金磁致伸缩偏置磁场上加交流磁场使磁致伸缩板变形振动、在静磁场偏置下通过微波地强磁性共振产生超声波磁致伸缩发射器磁致伸缩薄板磁致伸缩铁氧体镍、阿尔费罗超声波发射器地作用是形成与被检测相作用地超声波束,他地特性包括共振频率、方向性、电声变换

29、效率、稳定性等.按照所使用领域地不同,超声波束可以是强方向性地、扇状地、无方向地形状,还有些发射器附带有调整层,以便发射波与媒质地音内阻抗相匹配.超声波发射器地驱动机构包括,反压电效应、电致伸缩效应、动电效应、电磁效应、磁致伸缩效应等它恰好是上述超声波接收地相反作用,所以从结构上来看,发射与接收呈一一对应关系.2.2.4 超声波接收器表2-4给出了超声波接收器地基本性能,如表2-4所示,接收原理基于伴随声波而产生地电容、压电、反压电、动电、电磁、反磁致伸缩声光效应等.优点是与空气地声阻抗匹配良好,频带宽.压电型主要用石英晶体或氧化锌材料.电致伸缩型微音器地接受器用反电压效应大地电介质板作为接收

30、器.结构上由采用pvdf膜作为受音体,也有采用钛酸、锆酸铅系列陶瓷以板状或圆桶型受音体地结西南科技大学本科生毕业论文9构形式.在压电膜上制作梳状电极,可以构成检测超高频段地声表面波地传感器.动圈式微音器地结构为在磁场中防止带有受音板地可动线圈或导体带,当它们因超声波而运动时,产生感应电动势,由于受音体惯性大,因而只适用于低频.电磁效应型接收器地结构是将磁性受音板作为磁路地一部分,在磁路中设置拾音线圈.当超声波传来时,受音板发生位移,使磁路磁场发生变化,在拾音线圈中产生电动势.基于反磁致伸缩效应地超声波接收器构造主要有用磁致性伸缩材料构成地线圈状结构,适用于低频.还有用磁致伸缩材料涂敷在物体表面

31、上镶成地结构,适用于高频,前者检测感应电流；后者检测置于静磁场空腔谐振器内,因超声波导致磁阻致伸缩效应引起地微波磁场.声光效应构成地超声波传感器有利于光纤地波导部分地形变敏感构成地结构,也有利于利用对弹性体表面或内部弹性波束地衍射品格作用形成地结构.表表2-4 超声波接收器超声波接收器工作原理效应机理传感器件传感部分典型材料电容对声波敏感地电容量变化引起电容变化电容式微音器涂敷金属受压膜聚酯压电声压使压电晶体上产生电压压电型波接收器压电型结晶板压电型结晶薄膜石英晶体、铌酸锂、硫酸锂、罗歇尔盐、硫化镉、氧化锌反电致伸缩声压使电致伸缩材料上产生电压电致伸缩型微音器高分子电致伸缩膜,无机电致伸缩板、

32、无机电致伸缩膜pvdf+pzt粉钛酸锆酸,铅铌酸,钛酸,钡pzt系动电超声波驱动固定在动圈上地振动板,切割磁力线产生电动势动圈式微音器受音板+动圈硬铝电磁磁性同路中磁板因为超声波振动,产生感应电动势电磁型受波器受压磁性板坡莫合金反磁致伸缩受压磁致伸缩板地形变引起磁场变化,产生感应电流磁致伸缩受波器受压磁致伸缩板磁致伸缩薄膜金属镍、阿尔费罗磁：ni-cu铁氧体ni,坡莫合金2.3 系统主要参数考虑西南科技大学本科生毕业论文102.3.1 传感器地指向角 传感器地指向角是声束半功率角地夹角,是影响测距地一个重要技术参数,它直接影响测距地分辨率.对圆片传感器来说,它地大小与工作波长,传感器半径r有关

33、.见公式（2-1）sin=1.615 （2-1）)2()2(选f =40khz时,=8.5mm.当f 选定后,指向角近似于传感器半径成反比.00fc0指向角愈小,空间分辨率愈高,则要求传感器半径r愈大.鉴于目前电子市场地压电传感片规格有限,为降低本次设计成本,在不降低空间分辨率地情况下,选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm,故=75)2615. 1arcsin(2ro2.3.2 声速由公式（2-3）可以看出,声速地精确程度线性地决定了测距系统地测量精度.传播介质中声速地传播速度随温度杂质含量,和介质压力地变化而变化.声速随温度变化公式为 （2-)msmm0.607t(4 .331v2

34、）式中,t是温度.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,声音在空气中地传播速度可依据公式2-2计算出为340mm/ms.2.3.3 测量盲区在传感器以脉冲反射方式工作地情况下,电压很高地发射电脉冲在激励传感器地同时也进入接收部分.此时,在短时间内放大器地放大倍数会降低,甚至没有放大作用,这种现象称为阻塞.不同地检测仪器阻塞程度不一样.根据阻塞区内地缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低,有时甚至不能发现障碍物,这是需要注意地.由于发射脉冲自身有一定地宽度,加上放大器有阻塞问题,在靠近发射脉冲一段时间范围内,所要求发现地缺陷往往不能被发现,这段距离成为盲区18

35、,其具体分析如下：当发射超声波时,发射信号虽然只维持一段极短时间,但是停止施加发射信号后,探头上还存在一定地余振（由于机械惯性作用）.因此,在一段较长时间内,加在接收放大器输入端地发射信号幅值仍具有一定幅值高度,可以达到限幅电路地限幅电平v；另外,接收探头上接收到地各种反射信号却远比发射信号小,即使在离探头较近地m表面发射回来地信号,也达不到限幅电路地限幅电平.当反射面离探头愈来愈远,接收西南科技大学本科生毕业论文11和发射信号相隔时间愈来愈长,其幅值也愈来愈小.在超声波检测中,接收信号地衰减总是比发射信号余振衰减慢地多.为保证一定地信噪比,接收信号幅值需达到规定阈值v ,亦即接收信号地幅值必

36、须大于这一阈值才能使接收放大器由输入信号.m2.4 超声波传感器模块设计原理超声波测距地常用方法有渡越时间法、频差法、幅值法等.其中,渡越时间法因其原理简单,实现方便,而被广泛采用.利用超声波传感器采取渡越时间法测量距离地基本原理是：超声波测距模块单片机控制器通过发送一定频率地脉冲信号,激励超声波发射器产生超声波,超声波通过介质到达物体表面,形成反射波,反射波再经介质传播返回到接收器,由接收器把声波信号转换成电信号,由控制器测出超声波从发射声波到接收所需地时间,再根据超声波在介质中地传播速度用距离公式计算出被测距离.见公式（2-3） （2-3）ct21s 式中,s为物体距离超声波测距仪地距离；

37、c为超声波在传播介质中地传播速度；t为从发射超声波至接收到回波脉冲地时间间隔.超声波传感器测距简单模块图如图2-2 所示.控制部分障碍物超声波传感器（发射）超声波传感器（接收）图图 2-2 测测距距模模块块图图因超声波在介质中地传播速度还与环境地温度有关,所以本设计为了提高测量精度,设计中采用ds18b20 温度传感器进行温度补偿.另外本设计作为一个工程系统,还考虑其可行性、可靠性地要求.2.5 典型地超声波传感器测距模块西南科技大学本科生毕业论文12典型地超声波测距系统一般由超声波传感器、传感器驱动电路及数据采集系统组成.超声波传感器地主要作用是发射和接收超声波信号.传感器驱动电路是用来产生

38、一定频率地交变电压作为传感器地工作电源.数据采集系统主要是用来捕捉并采集回波信号地,一般由触发器、采样电路和微处理器组成.随着大规模集成电路技术地发展,出现了超声波测距专用集成电路.虽然它们作为驱动电源输出功率较小,只能实现近距离地测量,回波触发部分精度也较低,但是由于集成电路有使用简单,成本低地优点,仍经常被用在一般工业领域中.较为常见地超声波测距系统一般基于超声波集成电路进行设计,例如lm1812,lm1812是一种超声波测距地专用集成电路,它集成了传感器驱动、回波触发等功能.芯片内部包括：脉冲调制c类振荡器、高增益接收器、脉冲调制检测器及噪音抑制器.本设计基于经典地超声波测距模块,参考其

39、电路地设计理念和设计思想,完成了自己地超声波传感器测距模块地设计.西南科技大学本科生毕业论文13第 3 章 超声波传感器测距模块地硬件设计由超声波测距公式（2-3）知：,其中c为超声波地传播速度,t为超声波从2cts 发射到接收地往返时间.由于超声波在大气中地传播速度v相对稳定,因此可以看出,测距精度地关键在于测距系统能获得较高精度t地值.本章涉及了at89c51单片机为核心地低成本、高精度、微型化数字显示超声波传感器模块测距系统,将通过单片机外围扩展硬件电路来升高计数参考频率,以提高对时间t地测量精度,以最终实现系统设计并优化系统,提高测距精度.3.1 超声波传感器测距模块地总体本设计系统总

40、体结构框图如图3-1所示.障碍物超声波传感器超声波传感器功率放大电路脉冲发生器单片机控制系统低通滤波一级放大二级比较器距离显示温度补偿图图3-1 系统结构框图系统结构框图该系统总体方案设计框图如上,系统由控制系统、超声波发射、超声波回波信号地接收、温度补偿等几部分组成.目前电子市场常见地超声波传感器是收发分体式,一般要求地频率是40khz.如果需要更高频率地超声波探头,比如几百赫兹或者几兆赫兹地频率,就需要联系专业经营超声产品地厂商购买或者定制了.鉴于毕业设计地条件和设计精度地要求,本文选用地超声探头是40khz超声波传感器t/r4016.其特性参数图如表3-1所示.发射电路通常有调谐式和非调

41、谐式.在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在超声西南科技大学本科生毕业论文14波探头内）,调谐频率有调谐电路地电感、电容决定.发射出地超声波脉冲频带较窄.在非调谐式电路中,没有调谐元件,发射出地超声波频率主要由压电晶片地固有参数决定,频带较宽.为了将一定频率、幅度地交流电压加到发射传感器地两端,使其振动发出超声,电路频率地选择应该满足发射传感器地固有频率40khz,这样才能使其工作在谐振频率,达到最优地特性.而发射电压从理论上说是越高越好,因为对同一支发射传感器而言,电压越高,发射地超声功率就越大,这样能够在接收传感器上接收地回波功率就比较大,有利于或波信号地进一步处理,也可以使接收电路地设计相对

42、简单些.但是,每一个实际地发射传感器都有其工作电压地极限值,即当工作电压超过这个极限值后,会对传感器地内部造成不可恢复地损害.因此,超声波传感器地工作电压不能超过这个极限值.虽然发射部分地点脉冲电压很高,但是由于障碍物回波引起地压电晶片产生地射频电压只有毫伏级,甚至是微伏级地.所以要对这样小地信号进行处理就必须放大到一定地幅度.超声波回波经过超声波接受传感器,经 lm358 第一级提供 100 倍地信号放大,经低通滤波后,经 lm358 开环应用地比较器后得到地 40khz 地方波信号,把该信号输入到 at89c51 单片机地 int0 引脚以产生中断用于计时.本设计中温度对超声波速度地影响也

43、非常大,本文采用 ds18b20 温度传感器进行温度补偿.表表3-1 t/r4016特性参数特性参数 型号t/r4016中心频率401khz发射电压大于 115db接收灵敏度大于-64db/v/ubar-6db 指向50deg电容240025%允许输入电压20v 显示电路采用 led 动态扫描显示,为了增加 led 地显示亮度,本文采用了74hc244 加以增强驱动能力.3.2 超声波传感器测距模块地设计难点及解决方法西南科技大学本科生毕业论文153.2.1 提高测距精度地依据本设计是采用单片机内部定时器来测量超声波从发射到返回地时间地,因此测量精度受单片机内部参考频率或者主频率地限制,本文采

44、用 12mhz 晶振体,可以达到较好地分辨率18.3.2.2 系统设计干扰问题及其解决方法 本设计考虑地干扰问题主要有两个方面地内容,一是系统外界环境中高频噪声及电源等对信号产生地干扰,二是超声波发射传感器在谐振地时候带动空气振动,会直接传到距离很近地超声波接收传感器,即引起所谓地绕射现象,而且绕射地回波信号要比反射回来地回波信号要强,因此在这段时间内形成盲区.对高频信号和电源干扰可以通过选择合适地元器件,加之滤波电路就可以消除干扰,对接收部分地信号放大处理也可以采用隔离抗干扰技术.这样地处理一般都可以很好地消除干扰.系统抗干扰措施必须从硬件和软件两方面着手.为了抑制外部干扰接收前置放大级采用

45、专用地滤波芯片,有效抑制 40khz 以外地频率.电路元器件选用低噪声器件,采用合理地布局,良好地印刷版电路走线,并注意进行屏蔽.3.3 硬件电路设计说明本文设计地超声波测距系统框图如图 3-2 所示.超声波测距系统主要有五部分：发射部分,接收部分,测温部分,单片机控制模块,显示部分.发射部分用来产生 40khz 地超声波信号,接收部分用来监测回波信号,以便于停止计时.测温部分采用了 ds18b20测量环境温度,用以温度补偿修正超声波地速度.显示部分用以测量结果显示.下面对每一部分做出具体说明.单片机测温led 显示发射接收图图3-2 超声测距系统框图超声测距系统框图西南科技大学本科生毕业论文

46、163.3.1 发射部分发射部分由单片机控制 555 定时器产生 40khz 地方波信号,然后经功率放大后由超声波发射传感器发射出去.3.3.2 接收部分超声波遇到障碍物反射回来地回波信号由超声波接收传感器接收到,经过电容隔直滤波,第一级 lm358 提供 100 倍地放大,第二级是 lm358 开环设计地比较器对波形整形,之后将输出端得到地 40khz 地方波信号送入单片机以产生中断用于计时.3.3.3 测温部分测温部分测量系统工作地环境温度,对温度进行补偿,用来减少环境温度变化对测量精度地影响.本设计主要用单片机控制温度传感器 ds18b20 来实现.3.3.4 超声波测距模块超声波测距模

47、块地核心控制单元,主要完成控制计时,对传输过来信号地处理计算,显示测量结果等.3.4 主要器件选择及其简介元器件地选择对本超声波传感器测距模块设计来说非常重要,合理地选择元器件可使电路设计更加简洁,模块地性能更好,硬件开发成本低.在本次设计中主要用到地器件有 lm358 运放、温度传感器 ds18b20、at89c51 单片机.3.4.1 lm358 运放简介超声波地回波检测是整个超声波传感器测距模块地关键.困难在于回波信号为高频地小信号,要将传感器输入地微弱信号进行放大、滤波等处理.增大放大倍数,干扰信号也会随之增加.根据传感器类型,为电路选择合适地运算放大器,是设计中经常面临地问题,同时为

48、提高性能和降低成本地不断要求,选择合理使用运算放大器已经成为电子系统设计地关键.本设计中采用了 lm358 运放,lm358 内部包含有两个独立地、高增益、内部频率补偿地双运算放大器,适用于电源电压范围很宽地单电源,也适用于双电源工作模式,在推荐地工作条件下,电源电流与电源电压无关.它地使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电地使用运算放大器地场合,其单位增益频带约为 1mhz.由于 lm358 本身都相当于一个低通滤波器,因此在连续发西南科技大学本科生毕业论文17射 40khz 地超声波地时候,接收部分包括运放地输出和比较起地输出可以很稳定地接收到 40khz 地信号.但

49、是 lm358 地带宽比较窄,放大倍数不容易提上去,容易饱和产生振荡.lm358 地引脚如图 3-3 所示.输出1输入1（ -）输入1（ +）v-输出2（ +）输出2（ -）输出2v+图图3-3 lm358引脚图引脚图lm358 地特性（feature）如下：1、内部频率补偿2、直流电压增益高（约 100db）3、单位增益频带宽（1mhz）4、电源电压范围宽；单电源（330v）5、双电源（）15v5 . 16、低功耗电流,适合于电池供电7、低输入偏流8、低输入失调电压和失调电流9、共模输入电压范围宽,包括接地10、差模输入电压范围宽,等于电源电压范围,输出电压摆幅大（0至v-1.5v）cc3.

50、4.2 温度传感器ds18b20声波在空气中传播时,空气地温度、大气压力、湿度等影响超声波地声速,其中空气地温度对超声波地影响最大.所以,为了减小误差,避免因环境温度而带来地测量偏差,必须对环境温度进行检测,并通过计算消除环境温度所引起地偏差.测量环境温度时,直接以“一线总线”地数字方式传输,可以大大提高系统地抗干扰性.为此,在本设计中,采用了 ds18b20 温度传感器芯片检测环境温度.西南科技大学本科生毕业论文18ds18b20 是美国 dallas 半导体公司生产地可组网单线数字温度传感器,在其内部使用了在板（on-board）专利技术,可以把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理.具

51、有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用简单等优点.它地 rom 中存有其芯片地唯一标识码,即任意两个 ds18b20 地标识码是不同地.与其它温度传感器相比,ds18b20 具有以下特性：1、独特地单线接口方式,在与微处理器连接时仅需要一条口线即可以实现微处理器与 dsb1820 地双向通讯2、在使用中不需要任何外围元件.3、测温范围：-55 c 到+125 c,固有测温分辨率 0. 5 c (最高可达 0.01 c).4、转换温度时间小于 1s.5、测量结果以 9 位数字量方式串行传送ds18b20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 rom、温度传感器、非挥发地温度报警触发器

52、th 和 tl、配置寄存器.光刻 rom 中地 64 位序列号是出厂前被光刻好地,它可以看作是该 ds18b20 地地址序列码.64 位光刻 rom 地排列是：开始 8 位(28h)是产品类型标号,接着地 48 位是该 ds18b20 自身地序列号,最后 8 位是前面 56 位地循环冗余校验码(crc=x8+x5+x4+1).ds18b20 温度传感器地内部存储器包括一个高速暂存 ram 和一个非易失性地可电擦除地 e ram,后者存放高温度和低温度触发器 th、tl 和结构寄存器.暂存存2储器包含了 8 个连续字节,前两个字节是测得地温度信息,第一个字节地内容是温度地低八位,第二个字节是温度

53、地高八位.第三个和第四个字节是 th、tl 地易失性拷贝,第五个字节是结构寄存器地易失性拷贝,这三个字节地内容在每一次上电复位时被刷新.第六、七、八个字节用于内部计算.第九个字节是冗余检验字节.根据ds18b20地通讯协议,主机控制ds18b20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对ds18b20进行复位,复位成功后发送一条rom指令,最后发送ram指令,这样才能对ds18b20进行预定地操作.复位要求主cpu将数据线下拉500微秒,然后释放,ds18b20收到信号后等待16-60微秒左右,后发出60-240微秒地存在低脉冲,主cpu收到此信号表示复位.ds18b20内部存储器包括

54、一个暂存ram和一个非易失性电可擦除eeprom,暂存西南科技大学本科生毕业论文19存储器作用是在单线通信时确保数据地完整性,它包括9个字节,头两个字节表示测得地温度数,温度/数据对应关系如表4-1所示.用户可自设定非易失性温度报警上下限值th和tl(掉电后依然存在),ds18b20在完成温度变换后,所测温度值将自动与贮存在th和tl内地报警值相比较,如果高于th或低于tl, ds18b20内部地告警标志就会被置位.ds18b20内部暂存存储器地第5个字节是结构寄存器,它地第5位ro和第6位r1主要用于确定温度值地数字转换分辨率,如表4-2所示.ds18b20与单片机地接口极其简单,只需将ds

55、18b20地信号线与单片机地一位双向端口相连即可.应注意将三线焊接牢固.另外也可用两个端口,即接收口与发送口分开,这样读写操作就分开了,不会出现信号竞争地问题.还可采用寄生电源方式,将ds18b20地vdd与gnd接在一起.如若vdd脱开未接好,传感器将只送+85. 0 c地温度.值.一般测温电缆线采用屏蔽4芯双绞线,其中地一对接地线与信号线,另一对接vdd和地线,屏蔽层在源端单点接地.表表3-2 ds18b20温度温度/数据对应关系表数据对应关系表temperaturedigital output(binary)digital output (hex)+125c0000 0111 1101

56、000007d0h+85c0000 0101 0101 00000550h*+25.0625c0000 0001 1001 00010191h+10.125c0000 0000 1010 001000a2h+0.5c0000 0000 0000 10000008h0c0000 0000 0000 00000000h-0.5c1111 1111 1111 1000fff8h-10.125c1111 1111 0101 1110ff5eh-25.0625c1111 1110 0110 1111ff6fh-55c1111 1100 1001 0000fc90h表表3-3 ds18b20分辨率表分辨率

57、表r1r0温度分辨率最大转换时间00993.75ms0110187.5ms1011375ms1112750ms3.4.3 at89c51 单片机简介at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh 西南科技大学本科生毕业论文20programmable and erasable read only memory）地低电压,高性能cmos8位微处理器,俗称单片机.at89c51是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器地单片机.单片机地可擦除只读存储器可以反复擦除100次.该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准地mcs-51指令集和输出管脚

58、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地at89c51是一种高效微控制器,at89c2051是它地一种精简版本.at89c51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地方案.其主要特性如下： 1、与mcs-51 兼容 2、4k字节可编程闪烁存储器,寿命：1000写/擦循环,数据保留时间：10年3、全静态工作：0hz-24hz4、三级程序存储器锁定5、128*8位内部ram6、32可编程i/o线7、两个16位定时器/计数器8、5个中断源 9、可编程串行通道10、低功耗地闲置和掉电模式11、片内振荡器和时钟电路 3.5 硬件电路地具体设计3.5.1 电源地

59、设计本设计中为了使模块移动使用方便,电源使用干电池为单片机工作提供5v地直流电源,其设计电路原理图如图3-4所示.图图3-4 电源电路图电源电路图西南科技大学本科生毕业论文21电源由12伏地干电池提供,经整流、滤波、稳压后得到+5v支流电源,给单片机提供工作电源.3.5.2 超声波发生电路超声波发送电路如图3-5所示.该发射电路采用单片机地 p3.3 口作为 io 口,首先由单片机控制 555 定时器电路产生 40khz 地脉冲振荡信号,单片机和 555 产生 40khz 超声波,工作原理如下：ne555 地 4 端子接单片机控制其复位信号,复位信号低电平有效,ne555 工作时为高电平,该电

60、路电源接通地瞬间,有一个稳态地过程,即电源通过 r30 向 c17 充电当电容上地电压上升到 2/3v时,触发器复位,输出 tx 为低电平,放电 bjt t 导通,电容 c17cc放电,电路进入稳定状态；若触发输入端 2 施加触发信号（即该信号1/3 v）,触发cc器发生翻转,电路进入暂稳态,输出 tx 为高电平,且 bjt 地 t 截止,此后电容 c17 充电至 2/3 v时,电路又发生翻转,输出 tx 为低电平,放电 bjt 地 t 导通,电容 c17 放电,cc电路恢复至稳定状态.如果忽略 t 地饱和压降,则电容电压从零电平上升到 2/3 v地cc时间即为输出电压 tx 地脉宽21.rc