基于51单片机超声波测距仪的设1

1、. . . . 基于51单片机超声波测距仪的设计摘要： 由于现代声场要求，人们发现需要实现无接触式的生产测距，而超声波测距仪是一种性能良好的测距方式，主要应用于倒车雷达、工地以与一些工业现场，本文设计了一种以AT89c51单片机为核心的低成本、高精度化、微型化LED显示超声波测距仪，并使用一些常用芯片如：74ls04等。系统由单片机、超声波发射电路、超声波接收电路以与显示电路构成。由芯片AT89c51控制计算超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。本系统具有易检测、软件功能完善、工作可靠、准确度高等优点。 本文论述了单片机技术研制成功的超声波测距仪的基本原理，测量计算方法，实现方案。采

2、用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。实际使用表明，极大的提高了安全性、可靠性和准确度。关键词：测距仪;超声波；传感器；单片机摘要*第一章 概述 1.1 设计的思路* 1.2 设计的重点与难点*第二章 超声波的剧的原理* 2.1超声波的介绍* 2.1.1 什么是超声波* 2.1.2 超声波德特性与特点* 2.1.3 超声波的应用* 2.2 超声波测距仪的原理* 2.21超声波发生器* 2.2.2压电式超声波发生器的原理* 2.2.3 超声波测距的原理* 第三章 系统设计* 3.1 系统设计* 3.2 芯片AT89C51介绍* 3.2.1 AT89C51单片机的概述* 3.3 传感器的选取*

3、 33.1 传感器的定义与作用* 3.3.2 传感器的特性* 3.3.3 传感器的选用* 3.4 系统硬件电路设计* 3.5 测距显示电路设计* 3.6超声波发射电路的设计* 3.7 超声波接收电路的设计* 3.8 探测电路的设计*第四章 系统测试* 4.1 软硬件的调试* 4.2 仪器精度分析与如何提高超声波测距精度*总结*参考文献*附录1 硬件电路*附录2 程序*第一章 概述1.1 设计的思路本系统的设计思想是采用以AT89c51单片机为核心，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LED上显示

4、出来。当然还可以设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。限制的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度，反射面得质地，反射面和入射声波之间的夹角以与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。根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89c51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号可以用单片机的定时器和计数器来完成。1.2 设计的重点与难点本设计的任务是设计一个超声波测距仪，可以应用于很多场合。要求测量围在0.1-5.0m，测量精度1cm，测量时于被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，能够手工设定报警量值。系统组成的设计：各部分硬

5、件的选取很有讲究，要十分合理。设计的难点是：1 超声波信号的就收，发射的设计2 显示电路的设计3 流程图以程序的设计第二章2.1 超声波的介绍2.1.1 什么是超声波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。超声和可闻体质上是一致的，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会传播，是一种能量

6、的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。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，必须产生超声波和接收超声波。完成这种高能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。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

7、电信号。2.1.2 超声波具有如下特性： 1超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2超声波可传递很强的能量。 3超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4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。 超声波是声波大家族中的一员。 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20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。 超声波的特点 1超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2超声波能

8、在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质与结构 。2.1.3超声波德应用 超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以与一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人失却系统设计的精确于否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易

9、实现的优点，被广泛用用作测距传感器，实现定位以与环境建模。超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统（如CCD图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，包括毫米雷达、CCD摄像机、GPS、和高档微机等。2.2超声波测距的原理2.2.1 超声波发生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，一类是用机械方式产生超声波。电气方

10、式包括电压型、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。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不一样，因而用途也各不一样、目前较为常用的是压电式超声波发生器。2.2.2 压电式超声波发生器的原理 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。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是，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换成电信号，这时它就是超声波接收器了。2.2.3 超声波测距的原理 超声波测距的原理一般采用渡越时间

11、法TOF（time of flight）。它通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所发射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S。一般采用渡越时间法：即S=CT/2，其中S为测量点与被测物体之间的距离。C为声波在介质中的传播速度，T为超声波发射到返回的时间间隔。 由于产生波也是一种声波，其声速C与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米/秒。 温度（摄氏度） -30 -20 -10 0 10 20 30 声速（米/秒） 313 319 325 323 338 344 349在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速C是基本不变的，计算时取C 为340m/s。如果测

12、距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下同过软件改进的算法的方法来加以校正，为了减小电路的复杂性、提高电路的稳定性。采用编写软件改进算法的方法加以校正。如果环境温度变化显著，则必须考虑温度补偿问题。空气中声速于温度的关系可表示成： C=331.4+0.6T(m/s)声速确定后，只要侧得超声波往返时间，即可求得距离。由于超声波指向性很强，能量消耗的慢，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，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超申博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

13、械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用压电式超声波换能器来实现。利用超声波测距原理，整个系统由超声波发射、超声波接收、51单片机系统和距离显示等设备组成。如图所示2-1高频振荡单脉冲发生器器编码调制功率放大器收发转换51单片机系统距离显示超声波换能器接收放大编码解调超声波换能器发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器与超声波换能器组成。单脉冲发生器在振荡器的每个周期都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，来自单片机的白你妈信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声波换能器发射超声波。接收部分由超声波换能器，就收放大器和编码解调器组成。接收到的超声波反射信号经超声波

14、换能器转换、放大、解调后，送到单片机系统进行处理，并通过距离显示器显示测得的距离。系统中的发射和接收部分由单片机控制轮流工作。在单片机编码发送完毕后，即转入接收状态，同时关闭发射部分的单脉冲发生器；当接收一定时间后在转如发射状态重发编码事，同时关闭接收放大器。因此，为保证测距正确，接收时间必须根据实际量程来限制时间。总所周知，声波传播的距离s、速度c与传播时间t之间的关系为：s=c*t。若系统量程为5米，在接受时间T应满足： T=2*5/340=29.4ms第三章 系统设计3.1 系统设计 采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器和计

15、数器来完成，超声波测距仪的系统框图如图3-1所示；定时器控制显示器声电换能接收检测计时器电声换能振荡器调制器障碍物 系统那个框图中的单片机AT89C51用来协调各个单元，超声波接收电路用来收集接收的信号，超申博发射电路用来发射需要发射的信号，存储器用来存储接收的信号，用数码管LED显示距离。3.2 芯片AT89C51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。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器

16、的单片机。单片机的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。外形与引脚排列如图所示主要特性：与MCS-51 兼容 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年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断

17、源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片振荡器和时钟电路管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 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。 P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的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，这是由于部上拉的缘故。在

18、FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个部上拉电阻的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。 P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4

19、个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，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，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（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） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复

20、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

21、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），不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。

22、如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.3 传感器的选取3.3.1传感器的定义与作用 1 广义地来说，传感器是一种吧物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会（IEC:international electrotechnical committee）定义为：”传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号“。按照Gopel等说法是：传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件。而”传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟和数字）能力的传感器“

23、。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测信号输入的第一道关口。 2传感器的作用 A 信息的收集； B信息数据的交换； C 控制信息的采集；3.3.2 传感器的特性 A灵敏度高、可靠性强、稳定性好： B防尘耐蚀，耐高低温、耐冲击、耐振动等严酷环境条件； C收发兼用、使用方便；3.3.3 传感器的选用 超声波传感器千差万别，即使对于一样种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此，要柑橘需要选用最适宜的传感器。 本设计综合考虑了测量条件、传感器的性能和传感器的使用条件三个方面，选用了MA40S2R 接收器和 MA40S2S 发送器。传感器的标称频率为40khz，这是压电元件的中心频率，实际上

24、发送超声波时串联谐振于并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。超声波传感器的符号(1)与等效电路(2)如图所示3-3 (1) (2) 超声波传感器的带宽较窄，大部分在标称频率附近使用，为此，要采用措施扩展频带，比如，接入电感等。另外，发送超声波是输入功率要大，温度变化时谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电瓷元件非常重要的是要进行频率调整与阻抗匹配。3.4系统硬件电路设计本设计采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LES数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器和计数器来完成，超声波测距仪的系统原理图如图所示。超 发射波 障 声 碍波 物 探 反射波头AT89C51通

25、过外部引脚输出一个脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发射的同时，输出一个高电平启动，进行充电。发射结束时高电平翻转为低电平，并开始对分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。发射时输出的高电平可以一直比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收端而导致错误检测。超声波测距离可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用s=ct/2就可以算出距离，在从LED上显示。我们还可以设置若干个键，用来控制电路的工作

26、转台。限制的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度，反射面得质地，反射面和入射声波之间的夹角以与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。3.5 测距显示电路的设计 LED数码显示管有两种，一种是共阳极数码管，其部是由8个阳极相连接的发光二极管组成：另一种是共阴极数码管，其部是由8个阴极相连接的发光二极管组成。二者原理不同但功能一样。 共阴极LED数码管显示块的发光二极管阴极连接在一起，形成该模块的公共端（通常称为位选段），因此称为供阴极LED数码显示器，8个数码管的另一端通常称为段选段，当显示器的公共端接低电平，某个发光二极管的阳极接高电平时，该发光二极管被

27、点亮；而共阳极LED数码显示管事将二极管的阳极连接在一起，形成共阳极LED数码显示块的公共端，爱公共端必须接高电平，同理在共阳极LED数码显示块中如某个发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管被点亮。用单片机驱动LED数码显示分为静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED,直到下次显示是再传送一次新的数据。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，该接口用于笔划段字型代码。这样单片机只要把显示的字形代码发送的接口电路，该字段就可以显示发送的字形。要显示新的数据时，单片机在发送

28、新的数据。另一种方法就是动态扫描显示。由于单片机本身具有较强的逻辑控制能力，所以采用动态扫描软件译码并不复杂。而且软件译码其译码逻辑课随意编程设定，不受硬件译码逻辑的限制。采用动态扫描软件译码的方式大大简化了硬件电路就够，降低系统成本。它用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流的点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象与发光二极管的余晖效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。静态显示数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用电路硬件较多：动态显示需要CPU时刻对显示器进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用

29、CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。本设计的显示电路采用8个共阳极LED四位数码管，位码用PNP三极管驱动。如图所示：3.6 超声波发射电路的设计 发射电路主要由74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出40KHZ方波信号一路经一级方向器送到超声波换能的一个电极，另一路经两极反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高发射强度。如图所示：3.7 超声波接收电路的设计 超声波接收电路主要由CX20106A和超声波换能器构成，CX20106A是一款红外的专用芯片，考虑到红外遥控常用的载波频率为38KHZ与测距的超声波频率40KH

30、Z较为接近，故利用它制作超声波检测接收电路，如图所示3.8 探测电路的设计 物体探测电路可以用光电传感器来制作。但光电传感器不能探测透明的物体。红外线传感器在探测物体时需要有像人和动物那样与周围有一定的温度差这个条件。超声波传感器则不受这些条件的限制。对于透明的或其它物体都可以探测。超声波传感器探测物体有直接探测方式与放射探测方式。 直接探测方式的接收/发射器要相互配置。如果接收到超声波（有信号电压）时，说明接收/发射器中间没有被测物体。反之，接收不到超声波（无电压信号）时，则中间有被测物体。发射探测方式的接收/发射器可以较为配置，有反射波时，说明存在被测物体。发射探测方式的接收/发射器有单独

31、使用与共用两种方式。公用方式就是一个超声波传感器用作接收器，也用作发送器，但需要收发切换电路。3.9 系统软件设计 本设计就是以AT89C51单片机为核心。它采用模块化设计，由主程序，发射子程序、接收子程序、定时程序、显示子程序等模块组成。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量建时，主程序开始调用发射子程序、插叙接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码管上显示出来。虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用AT89C51单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。 为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用一些特殊措施。主程序框图如下图所示 开始单片机初始化 定时

32、中断子程序 有回波么？ N Y 外部中断子程序 结束超声波发射子程序的作用是通过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。超声波测距仪主程序利用外部中断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1.如果当计时器溢出时还未检测的到超声波返回信号，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。 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值读取、距

33、离计算、结果的输出等工作。如图所示：外部中断入口定时中断入口 关外部中断读取时间值定时器初始化 计算距离发射超声波 结果输出 单方向发射完否？ N 开外部中断 Y停止发射 返回 返回定时中断服务子程序 外部中断服务子程序第四章 系统调试 4.1软硬件的调试 超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用的超声波换能器TCT40-10F1(T发射)和TCT40-10S1(R接收)，中心频率为40KHZ，安装时英保持两换能器中心轴线平行并相距4-8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小

34、，以或得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。4.2仪器精度分析与如何提高超声波测距精度 本章将要分析温度对超声波声速的影响，超声波回拨检测对超声波传播时间的影响，超声波传感器所加脉冲电压对测试精度的影响。在此基础上，设计了超声波数字测距仪。实验表明，注意以上三方面的因素能够提高超声波测距的精度。 超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之结构简单成本低、在机器人避障碍和和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。从原理上讲，超声波测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距常用，器原理是超声波传感器发射超声波，在空气中传播至被测物后，经反射有超声波传感器接

35、收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接受的时间ts，在已知超声波声速Cs的前提下，可计算被测物的距离S，即:S=CT/2 由于温度影响超声波在空气中的传播速度：超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和围受到影响。本章从引起超声测距误差的原因入手，分析了温度对超声波声速的影响：回波检测对时间测量的影响和超声波传感器所加电压对测量精度和围的影响。在此基础上，开发了以AT89C51单片机为核心，采用40KHZ压电超声波传感器，应用广泛的超声测距仪。空气中的传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩的弹性模量，气体反抗压缩变化里

36、的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度收气体的密度、温度计气体分子成分的影响。例如：20度时，T=293.15,CS=344.2m/s；40度时，T=313.15,CS=355.8m/s；-20度时，T=253.15,CS=319.9m/s；从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波传播速度是，必须考虑温度的影响。超声波从超声波传感器发出，在空气中传播，遇到障碍物反射后，在传回超声波传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。器衰减遵循指数规律。 设在距离超声接收器x处有被测物，超声波皮率越高，器衰减越快。同时超声波频率的过高会产生较多的

37、副瓣，引起近场区的干渋。但是。超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大倍数和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。 制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声波测距徜徉压电材料传感器，例如TR40压电超声传感器。超声波传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E的关系为:S=dE,其中d为应变电场常数。超声波传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声波转换的效率，提高超声波测距精度和围，英尽量提高超声波的回波幅值。所以，为提

38、高压电转换效率，提高超声测距精度和围，应尽量提高超声波传感器外加脉冲电压的幅值。系统设计，针对温度、回波和所加脉冲电压对超声测距精度的影响，在设计超声波测距仪的时，从硬件和软件两方面综合考虑，设置了发射、接收和显示几部分构成了超超声测距仪的系统结构。整个装置的中心控制和信号处理单元为单片机AT89c51，超声波传感器采用TR40(40KHZ)收发超声传感器。 发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生40khz脉冲电压。它有非门和电阻电容构成振荡电路，有单片机p1.1口控制其是否工作。发射电路主要任务是提高脉冲电压的幅值，它主要由脉冲变压器和开关管构成。脉冲产生电路的输

39、出电压经脉冲变压器升压后输出到超声波传感器。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。 接收电路的主要任务是检测回波，并向单片机发出中断以停止计时。接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。接收部分电路有检波电路、滤波放大电路这整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大，整形电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。接收电路的主体是滤波放大电路。 由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电驴。滤波放大电路才用儿介带通滤波放大器，一级和二级滤波

40、放大电路采用一样的结构和参数。软件设计：超声波测距仪软件控制着系统的工作。软件修正以用下面的公式：S=CT/2 附录1 总结超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统与显示电路、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

41、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8550驱动。超声波发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面

42、可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。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。超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它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

43、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。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序与显示子程序组成。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。主

44、超声波测距仪主程序利用外中断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），立即进入中断程序。进入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。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。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。超声波测距的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机部的定时器T0，利用定时器的计数功