超声波测距系统设计

1、超声波测距系统设计一、课程设计目的 2二、内容及要求 22.1、 设计内容 22.2、 设计要求 2三、超声波传感器的工作原理 2四、系统框图 3五、单元电路设计原理 35.1、 51系列单片机的功能特 45.2、 超声波发射电路 45.3、 超声波检测接收电路 5六、完整的电路图七、程序流程图 6八、参考文献 7九、设计中的问题及解决方法 7十、总结 711 / 13一、课程设计目的通过传感器及检测技术课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和 设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应 用。二、内容及要求超声波测距系统设计2.1设计内容采用40KHz的超声波发射和

2、接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的 距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。功能：1） LE躁码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cmh2 ）测量范围：30cnn- 200cmi3）误差 0.5cm。4 ）其它。2.2设计要求1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。2）独立设计原理图及相应的硬件电路。3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。三、超声波传感器的工作原理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。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

3、到农业生产等自动化的使用要求。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。 根据设计要求并综合 各方面因素，本文采用AT89C51单片机作为控制器，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。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。理论计算如图1所示为反射时间法，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的 时间来测量距离其原理如图所示，对于距离

4、较短和要求不高的场合我们可认为空 气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式S=C*（T/2）其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T=T1+T2）,这样可以求出距离：S = C(T1 -T2)/2ThT2-图1 测距的原理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内部的定时器 T0,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波

5、时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个 中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间 差，计算距离。四、系统框图单片机发出40kHz的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器 将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片 机中断程序，测得时间为t ,再由软件进行判别、计算，得出距离数并送 LED显 示。图2超声波测距仪原理框图五、单元电路设计原理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12MHzt精度的 晶振，以获得较

6、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74LS04驱动。5.1 51系列单片机的功能特点51系列单片机中典型芯片（AT89C51）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式， 内部由CPU 4KB的ROM 256B的RAM 2个16B的定时/计数器T0和T1, 4个8 B的I/O端口： P0, P1, P2, P3, 一个全双功用行通信口等组成。特别是该系列 单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）使其在实际中有着十 分

7、广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系 列单片机引脚与封装如图3所示。ATS9C5I图351系列单片机封装图5l系列单片机提供以下功能：4KB存储器；256BRAM32条I/O线；2个16B 定时/计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPUff止工作,而让RAM定时/计数器、用行口和中断系统继续 工作。掉电方式：保存RAM勺内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下 一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用 他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。 5.2超声波

8、发射电路超声波发射电路原理图如图4所示。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R7、R8一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增 加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。图4超声波发射电路原理图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

9、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。5.3超声波检测接收电路如图5可以看到，集成芯片 CX40106在接收部分电路中起了很大的作用。 CX4010耻一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，也适用于超声波，其具 有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的

10、载波 频率38 KHz与测距的超声波频率40 KHz比较接近，而且CX40106内部设置的滤 波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30 60 KHz故本次设计用它来做接收电路。CX40106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波 信号先经过前置放大器和限幅放大器， 将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤 波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX401068波器中心频率相符的回波信号时，其输出端 7脚就输出低电平，而输 出端7脚直接接到AT89C51的INT0引脚上，以触发中断

11、。若频率有一些误差， 可调节芯片引脚5的外接电阻R2,将滤波器的中心频率设置在 40KHz就可达到 理想的效果。CX40106A J1图5超声波检测接收电路六、完整的电路图（附于设计报告最后）七、程序流程图软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图 6所示。主程序完成初始 化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。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 要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。图6软件流程图外部中断服务子程序主程序首先是对系统环境初始化，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并给显示端口 P0和P1清00然后调用

12、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送到接收器引起的直 射波触发，需要延时约 0.1 ms （这也就是超声波测距仪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。由于采用的是 12 MHz的 晶 振，计数器每计一个数就是1ps,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）按公式计算，即可得被测物体与 测距仪之间的距离，设计时取 20c时的声速为344 m/s则有：d =(c?t)/2 =172T0/1000 0cm其中，T0为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制 BCDK方式送往LED显示约0.5s

13、 ,然后 再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程 序米用C语言编写。八、参考文献1梁森.自动检测技术及应用.北京：机械工业出版社.2010.12华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社.2002.53胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化.2003.104时德刚.刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制.2002.105李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社.1993.66苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社.1993.77张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社.1993.10九

14、、设计中的问题及解决方法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。由于超声 波属于声波范围，其波速C与温度有关。十、总结以往每做一次课程设计，感觉自己的收获总会不少，这次也不例外经过为期 两个星期的

15、课程设计，我将传感器及检测技术中的理论与实践相结合起来， 对超 声波传感器的原理及功能也有了进一步认识理解，还将单片机的原理结合起来 了。做课程设计是为了让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。还有一点让我很感动，遇 到问题时，同学不厌其烦的帮忙解决问题举动， 意识了一个团体力量的伟大。在 设计中，我们的设计思维，发现问题和解决问题的能力得到了很大的提高， 也对 电子设计有了很大的兴趣。现在的社会是科技的社会，在以后的学习生活中，我 们会更加努力学习培养自己独立思考的

16、能力，从而更加适应社会。最后希望通过以后的学习，不断提升自身各方面的能力，如对专业知识的掌 握程度，动手实践能力等。经过此次的课程设计，我们学会了合作。我们要形成 自己的设计思想，以便在今后的专业课形成自己的风格。 同时在多多锻炼自己的 动手能力，以便在以后的工作能独立完成一些设计项目。/延时函数/显示函数/显示转换函数/主函数/开中断/设定时器0为计数，设定时器1定时/定时器0中断允许/定时器1中断允许附录#INCLUDE <REG2051.H>#DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT P3_5/超声波发送#DEFINE CSBINT P3_7/超声波接收#DE

17、FINE CSBC=0.034#DEFINE BG P3_3UNSIGNED CHARCSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/ 显示标识UNSIGNED CHARCONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09段码UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BIT CL;VOID CSBCJ();VOID DELAY(J);VOID SCANLED();VOID TIMETOBUFFER();VOID KEYSCAN(

18、);VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();VOID MAIN()EA=1;TMOD=0X11;ET0=1;ET1=1;TH0=0X00;TL0=0X00;TH1=0X9E;TL1=0X57;CSBDS=0;CSBINT=1;CSBOUT=1;CL=0;o PTO=0XFF;JPJS=0;SJ1=45;SJ2=200;SJ3=400;K4CL();TR1=1;WHILE(1)KEYSCAN();IF(JPJS<1) CSBCJ();IF(S>SJ3) BUFFER2=0X76;BUFFER1=0X76;BUFFER0=0X76;ELSE IF(S<SJ1) BUFFER2=0X40;BUFFER1=0X40;BUFFER0=0X40;ELSE TIMETOBUFFER();ELSE TIMETOBUFFER(); /将值转