1课题设计目的及意义

1、1课题设计目的及意义1设计的目的随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，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，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳， 实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜

2、艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技 术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。 在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。2设计的意义随着科技的发展，人们生活水平的提高， 城市发展建设加快， 城市给排水系统也有较大 发展，其状况不断改善。 但是，由于历史原因合成时间住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大城市给排

3、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。2.设计思路1硬件电路设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度 的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0 口监测超声波接收电路

4、输出 的返回信号。显示电路采用简单实用的 4位共阳LED数码管，段码用74LS244 驱动，位码用PNP三极管9012驱动。主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三 部分组成。采用AT89S51来实现对超声波模组进行控制，然后单片机不停的检 测INTO引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返 回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。2超声波测距仪的设计思路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

5、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331.45米/秒，由单片机负责

6、计时，单片机使用12.0MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。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。超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。3超声波测距原理发射器发出的超声波以速度u在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为 t,由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波， 其声速v与温度有关，下表列出

7、了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大， 则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。4超声波发射和接收模组（V2.0）本文采用的超声波测距模组集发射和接受为一体，内部超声波传感器谐振频率40KHz,模组传感器工作电压4.5V9V,模组接口电压4.5V5.5V。提供三种 测距模式，选择跳线可以选择短距、中距和可调距。本实验采用短距（20100cm） 精度1cm。模组结构示意图如下：1 接140 KHz seneT -起!*波超振战波网理电讲超声波发 射探头.Back Phis题小波何波接收处理电路超声波接 收探头外部电源接 & 屯海迷拌跳

8、线 J2测优帙式选挣跳线由单片机产生40KHz的方波由P1.0 口送出，连接模组接口 J4到模组的 CD4049,而后面的CD4049则对40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器 产生谐振。3单片机最小系统其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。单片机最小系统主要由机、外部振荡电路、复位电路和 +5V电源组成。在外部振荡电路中，单片机的XTAL2管脚分别接至由12MHz晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，AT89S51 单片XTAL1 和为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20 F的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源。其主要功

9、能是把 PC初始化为0000H,是单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动, 片机系统中不可缺少的一部分。因此，复位电路是单4单片机测距原理应用时只需要用J5的第1个口与单片机Vcc连接，最后一个口与单片机GND 连接，第4个接口与 单片机的INT0 口相连接，J4的第3个接口与单片机1.0 口连接，同时将J1跳线设置为短距模式，J2跳线设置为非外部电源供电方式（此 时开发板通过10PIN排线为模组供电，板上J5选才? 5V,要把J2跳接到5v的一 端）。这就完成了模组硬件的连接。超声波谐

10、振频率调理电路图如下：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 tr,然后求出距离 S=Ct/2,式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在 4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的 夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距 离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，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，限于实际需要，本电路只采用单路超声波发射接收。由于超声波属于声波范围，其波速 C与温度有关。5超声波发射电路压电超声波转换器的功能：利用压电晶

11、体谐振工作。内部结构上图所示，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，这时它就是一超声波发生器；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之， 如果两

12、电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动， 将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 本设计中发射器电路采用集成电路模块不需考虑这些 问题，主要是采用 4069反相器在换能器两端提供脉冲信号6超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常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38 kHz与测距的超声波频率 40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图2-3）。实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的

13、灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容CS的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。此部分电路在集成芯片上。7主要程序主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器 T0工作模式为16位定时/计 数器模式，置位总中断允许位 EA并对显示端口 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。为了避免超声波从发射器直接传到接收器引起 的直射波，需要延时约0.1ms （这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的 原因）后才可打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz勺晶振， 计数器每计一个数就是1us,所以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

14、所用的时间）按式（3-2）计算，即可得被测物体 与测距器之间的距离。设计时取 20c时的声速为344m/s,则有d= (vxt) /2= (172T/10000) cm其中：T为计数器T0的计数值。(32)测出距离后，结果将以十进制 BCM方式送往LED显示约为0.5s,然后再发超 声波脉冲重复测量过程。程序如下：START: MOVMOV MOVCLEARDISP: INC DJNZ MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOVR0,R7, #0BHSP, #4FH#40H ;40H43H为显示数据存放单元(40H为最高位)MOV R0, #00HR

15、0R7, CLEARDISP20H,#00H TMOD,TH0, #00HTL0, #00HTH1, #0F2H TL1, #0F2H P0, #0FFH P1,#0FFH P2, #0FFH P3, #0FFHR4,#21H ; T1为8位自动重装模式，T0为16位定时器;65ms;40kHz#04H初值初值超声波脉冲个数控制(为赋值的一半)SETB PX0SETB ET0SETB EA;开启测试定时器收到反射信号时标志位为1重新开启测试定时器测量间隙控制（约4msX 100=400mSSETB TR0START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ; CLR E

16、A LCALL WORK SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;MOV R2, #64H ;LOOP:LCALL DISPLAYDJNZ R2,LOOPSJMP START1超声波发生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通过P1.0 端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率40KHz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程。 ORG 0000H LJMP STARTORG 0003HLJMP PINT0ORG 000BHLJMP INTT0ORG 0013HRETIORG 001

17、BHLJMP INTT1ORG 0023HRETIORG 002BH RETI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（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。 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 1.中断程序;T0中断，65ms中断一次INTT0:CLR EACLR TR0MOV TH0,#00HMOV TL0,#00HSETB ET1SETBSETBEATR0;时间SETBTR1OUT:RETI； T1 中断，发超声波用INTT1:CPLVOUTDJNZR4,RETOUTCLRTR1;CLRET1MOV

18、R4,#04HSETBEX0 ;RETIOUT: RETI; 外中断0，收到回波时进入PINT0:CLRTR0 ;CLRTR1CLRET1CLREACLREX0MOV44H,TL0;MOV45H,TH0SETB00H;RETI启动计数器T0,用以计算超声来回；开启发超声波用定时器T1超声波发完毕，关T1开启接收回波中断关计数器将计数值移入处理单元接收成功标志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，以表示本次测距不成功。8 调试超声波测距器的制作和调试都较为简单，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 40KH4安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 48cmi其余元件无特殊要求。 若能将超声接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰性能。根据测量范围要求不同，可适当地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。硬件电路制作完成并调整好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根