【基于单片机的超声波测距仪设计（论文）8400字】

第一章绪论引言1.1研究的目的与意义最开始的测量距离是从目测到丈量再到如今的使用仪器，无一不说明我们对于精确性的的精益求精，而在测量中所产生的误差，稍有不慎就差之毫厘，谬之千里，对于造桥、建大坝等浩大工程来说，无疑是千里之堤，溃之蚁穴，而在环境恶劣中测量，由于人工测量是绝对无法得到准确的数据，所以人类对于仪器测距的精确度需求越来越大。无论是在深海探测，还是对庞大山体挖隧道，基于超声波的特性，能在各种恶劣环境中测出距离，况且超声波的光速相对于光速要小很多，又易于定向发射，发射强度也比较好控制，所以对于这种非接触式测距方法需求也越来越大。所以，如果研发出一款高精度的超声波测距仪将会给人们带来莫大的助益，尤其是在工业成本上，因为我国目前的高精度测距仪很大部分依赖于国外的供给，一味的依赖于进口设备，无疑把自己的弱点交到敌人手里，处处受制与人，所以掌握这门技术势在必行，功在当代，利在千秋。当下设计出一款高精度、稳定性强、价格低廉的超声波测距仪，无论是市场还是实用性上前景都是一片光明。我相信在今后，超声波测距仪与智能化的融合必将大行其道，同时随着研究技术的推进，它将不再仅仅桎梏于测距，通过创新，它将能成为多功能测距仪，适用范围也许会走入我们的千家万户，例如当下的倒车雷达已经初见峥嵘，超声波测距仪的应用与人们衣食住行相随的一天一定不遥远。当前，超声波的应用越来越广，但就目前技术水平来说，待开发区域空前庞大，因此，这是一个需求量巨大而又有发展前景的技术，应抓紧获得第一波技术红利。在现实生活中，或者在某些特殊的场合，我们传统的测量距离的方法往往会因为一些不可抗力因素，例如当我们在液体中做距离测量、在深海进行探测时，如果用传统的方法，例如电极法，误差就会相当大，由于电极需要长期浸泡于水中或其它液体中的原因，所以金属极其容易被腐蚀或是电解，而导致灵敏度的下降。而如果我们采用超声波来测量距离的话，就可以解决这一系列的难题。基于使得这一系列难题的有效解决，我设计出一个采用AT89C51单片机的超声波测距仪。1.2超声波测距仪应用范围超声波能在固、液、气等介质中进行广泛的传播， 并且随着传感器和单片机等控制技术的蓬勃发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。在当下常见的非接触式测距方法有多种，一般基于超声波、雷达或者激光等，而超声波测距是最适用于直接测量近距离的物体，因而在适用范围上广而采用，且它受外界光、烟雾的干扰因素影响最小，因所以在一系列方法中脱颖而出。人类在一战时期才学会使用超声波的技术，而我们首先将其运用在声纳上，用它去探测水中的目标及其状态，如今超声波测距广泛应用于深海、移动机器人定位、避障等领域，可见应用领域之广泛。近年我国研发人员对超声波回波信号处理和超声波发射脉冲方面进行多次实验，尤其是在常见影响因素上采取各种措施，如温度补偿、调整发射拖尾波覆盖信号的宽度的措施，最大限度降低误差。随着2020结束全面脱贫，今年是我国正式进入小康社会元年，汽车产业的迅速发展离不开人们生活水平质量的稳步提高。目前，我国的汽车数正呈现递增的趋势，与之伴随而来的问题越来越多，其中因为汽车的视线盲区问题，无论是在倒车，还是在行驶的过程中，都显得十分重要！尤其是大型运货汽车，因为视线盲区造成的交通事故数不胜数。而在拥挤、狭窄的地方停车，即便是“老司机”也会出现失手的现象，因此，为了生命安全，以及降低财产损失方面，增加汽车的后视功能，倒车雷达的研究一直是热门领域。展望未来，超声波测距仪作为种新型的工具在各方面都有极大的施展空间,它将朝着高定位、高精度的方向前进，以满足日益发展的社会需求，比如声纳的发展前景将为:研制具有高定位、高精度的测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要，这将会对军事大有裨益。1.3论文的结构安排课题以ATC89C51单片机为首要内容，设计一款基于单片机的超声波测距仪，本文章的首要结构安排：第一章：首先对论文的背景、目的及应用领域进行介绍第二章：研究超声波测距的工作原理是什么第三章：对所设计的硬件电路进行介绍，并得出系统结构图第四章：从系统程序起步，对系统软件进行研究设计第五章：对会造成电路的误差进行分析第六章：最后对论文进行结束语和致谢。2超声波测距工作原理2.1超声波测距原理超声波测距的工作原理:发射换能器向外发射超声波，超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收换能器接收回波，超声波测距原理如图2.1所示。图2.1超声波测距原理图本设计的理念采用了高精度的温度传感器DS18B20，它可实现对超声波测距系统的温度补偿与测量，即通过公式对超声波速进行校正，因为引入温度传感器DS18B20,使超声波测距系统的测量精度有了很大的提高。我们采用时差法测距方法，测距原理如图2.2所示。将超声波传感器发射端朝向被测对象进行发射，因为超声波是通过空气为媒介进行传播，遇到障碍物后它能自动反射回到超声波传感器的接收端，根据发射和接收的时间差就能计算出超声波的传播距离。计算公式如下:2L=(t2-t1）v（1）S=√L-h2(2)由式(1)和（2)得S=√（t2-t1/2）²v²-h²（3）其中，1为超声波发射时刻，L为被测对象到传感器接收端到发射端的距离，S为被测对象到传感器中心的距离，h为传感器发射端和接收端到传感器的中心距离，v为超声波传播速度。由式(3)可知，被测物体与传感器的直线距离S与L、v有关，h为固定值，因此可以通过提高v、L的测量精度，来提高S的精度。2.2超声波传感特性超声波属于声波范围,温度与波速c能对其产生影响,我们测量得出超声波的温度与波速的关系，数据如下图表1所示。表2.1声速与温度关系表超声波在空气中传播时的传播速度v与环境温度有着莫大关系，所以我们在系统中设置了温度采集电路，利用DS18B20温度传感器就能直接获得现场温度T。在工业测量中，通常用式(4)进行计算。c=331.6+0.6107×T(4)在相同的传播介质中，超声波的传播速率相同，因此，同一频率范围内声速不会被频率影响，但如果频率越高,超声波的衰减也会依次递增,传播的距离就会愈来愈短。所以我们考虑到在实际工程中的测量要求,在设计超声波测距仪时,选用了频率为f=40kHz的超声波,波长3为0.85cm。3硬件电路设计3.1单片机ATC89C51芯片与DS18B20温度传感器介绍ATC89C51单片机是一款使用STC89C51RC单片机处理芯片的系统，一般的AT系列单片机都是ATTML公司使用IntelMCS-51单片机技术研制的前沿品种。该单片机在其芯片上有4K的E2ROM，编程/擦除在通盘电气（5伏和12伏模式）中实现,也在线编程和远程编程中进行操作。它具有擦掉速度、运用时间长等特性。由于本设计的功能操作便捷，即使采用AT89C52也不会影响使用，但是AT89C51可以在设计中的所用通盘功能都能进行使用，而我们的实验涉及不到这么多的功能，所以，我们可以选择采用功能相对较少，但对于我们实验性价比更高的AT89C51，AT89C51材料十分便宜，在网上、线下商店上的购买途径都可以获得。AT89C51共有4组引脚端口和8个其他功能引脚，4组：P0P1P2P3端口每个端口有8个引脚比方：P0.0-P0.7XTAL1XTAL2GNDVCCVPPALEPSENRST其中每个端口可能对应着各异的功能，例如：P3.2/INT0（外部终止0）P3.3/INT1（外部终止1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（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）单片机引脚图如下图所示：图3.1AT89C51单片机引脚图DS18B20digital式温度传感器对于新手来说十分友好，它操作简捷易上手且准确度高，本身具有抗外界干扰能力强、体积小、成本低，且运行状态十分稳定的digital式温度传感器，不用再另外经过议定去模拟信号转换digital信号的Microprocessor，因此高性价比与实操性就远远胜过其它的温度传感器。DS18B20digital式温度传感器是使用的是Integratedchip和单总线技术，这样不仅减小外部环境对温度传感器造成的紊乱，也能增加测量的精确度，同时，对于直接将被测得温度直接转化为digital信号也更加容易，无需像以前那般繁琐，再经过一道模数转化器的操作，这样可以使得数据的传输和操作更便捷，接口也清晰更易上手，大幅度的降低了工作的中的误差。表3.1DS18B20的引脚说明3.2超声波电路发射设计超声波的发射板块是由超声波发射探头构成的,单片机的P0.O端口可以发射40kHz的信号,使用9012三极管作为驱动放大,驱动压电晶片超声波换能器可以产生超声波,超声波发射电路如图3.2所示。超声波发射子程序的步骤：起初发射时需要装入填计时器,在超声波发射完成的同时也要使得定时器停止,记得重新装填，以方便下次发射。图3.2发射电路设计3.3超声波接收电路设计在接收电路中我们选用的是CX20106A红外线接收处理芯片，因为它使用的信号是与40kHz的超声波信号最接近,并且抗外界扰乱能力很强。我们可以用外围电阻去调试其中心处理频率,用来变换接收电路的灵敏度和抗干扰，也可以变化外围电路电容大小。此系统的超声波接收板块由超声波接收探头和CX20106A组成，如图3.3所示。超声波接收子程序的步骤：首先是使用INTO中断检测回波信号,若有回波信号就中止外部中断,与此同时可以关闭计时器的计时,使得测距成功标志位标为为1(表示测距成功),并开始计算时间值,通过算出的待测距离,保存最后结果后再开启外部中断,等侯下回测量。图3.3接收电路3.4温度补偿电路设计DS18B20digital式温度传感器采用的是Integratedchip和单总线技术，这样大幅度的减小外界环境对温度传感器的扰乱，而且也增强了测量的精确度，且不扰乱直接把被测得温度转化成digital信号，不用再向我们以前一样再经过一道模数转化器，如此运作使得数据的传输和处理过程加大程度的简化，接口也更精简。（1）电压范围大，外部提供的电压区间：3.0-6V，可以采用USB接口进行充电。（2）由于DS18B20温度传感器能支持许多的中组建网测量功能，因此，一个DS18B20就能够由多条迥异的线路相连，对物体的温度测量实施操作。（3）DS18B20作为一体化产品，本身是无需任何外部的原件再组装，它的一切功能原件、传感器原件，或者转换电路原件都汇聚于一块电路板上，例如三极管等。（4）温度范围-55～+125。（5）9-12位能采用网络编程的分辨率，其所对应分辨的temperature为1/2、0.5/2、0.5/4、0.5/8，能进行精度高的温度操作。最高9位温度分辨率可在90ms内换为为digital，最高12位分辨率可在760ms内转换为digital。DS18B20适配的是“一线总线”接口,测量温度范围为-55~125℃,在-10~85℃范围内,精度为±0.5℃。在现场环境中，使用此种方式进行传输的话,就可以大幅度提高该系统的抗干扰性。温度补偿电路的设计如图3.4,数据输入/输出脚连到单片机的PO.1脚,电源接口接入的是+5V的电压,外加5.6kQ的上拉电阻,由于DS18B20是单总线温度传感器,如果它没接上电源,就得强行为它拉线进行供电;如果DS18B20有电源,则得保障一个上拉就能稳定运行的工作。温度传感器DS18B20在使用中无需外围元件,检测出的温度值在内部就能转换,就像一个三极管得集成电路，结果用数字信号传传输出来，单片机通过对其输出的信号的识别,用软件来处理温度数字值。图3.4温度补偿电路3.5电源电路设计本设计电源电路选取的是普通12V电源供电，为了得到合适电压,需要在操作上用稳压器来稳压，采取的是LM7805来得到稳定的+5V直流电压电源，其中的电路图如图3.5所示。图3.5电源电路图输入电压由LM7805的稳压输出+5V的电压，图中的IN4007是为了稳固LM7805避免电源极性接反损坏LM7805，滤波电容使用的是100uF电解和104瓷片电容并联操作。3.6超声波显示电路设计LED两类，分别是七段、八段、共阴、共阳的区别。LED数码管的构造简单，价格便宜，性价比和操作性都是上乘之选。下图3.6出示八段LED数码显示管的结构与原理图。图3.6a是八段共阴数码显示管结构图,图3.6b是它的原理图，图3.6c为八段共阳LED显示管原理图。八段LED显示管通过八只发光的二极管构成，编号为a、b、c、d、e、f、g和SP，各自与同名管脚相连接。七段LED显示管与八段LED相比，只少了一只发光二极管SP,剩下的都与八段LED相同。图3.6八段LED数码显示管原理和结构4系统程序设计4.1超声波测距仪的算法设计超声波测距的原理是，由超声波发生器T在某时发射出超声波信号，当遇到被测物体时超声波就会被立刻反弹回去时，此时超声波接收器R会接收到超声波。这样只需要计算出从发出超声波信号到达接收到返回信号所用的时间，就能得出超声波发生器到达反射物体的距离。在启动发射电路时着手启动单片机内部的定时器To，使用定时器的计数功能记录超声波发射的时间与收到反射波的时间。超声波反射波收到信号时，接收电路输出端就会出现一个负跳变，在INTO或INT1端就会出现一个中断请求信号，单片机响应外部终止请求，执行外部中断服务子程序，识别时间差，计算出距离。4.2超声波接收中断程序设计超声波发生子程序的用途就是经过P1.0端口发射两个左右的超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12us左右，并且把计数器TO开启来计时。超声波测距器主程序使用外中断О检测返回超声波信号，一旦收到返回得超声波信号(即INTO引脚出现低电平），马上开启超声波接收中断程序，之后迅速关闭计时器T1，结束计时，并将测距完成得标志字写上1。如果当计时器超过时仍然检测不出超声波d额返回信号，则定时器T1溢出中断将外中断О关闭，并将测距成功得标志字标记为0，用来表示本次实验失败。单片机在TO时分发射出方波，同时开始定时器的计时，当接收回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器结束计数，通过算出时间差，即获得超声波在媒介中传播的时间t，便可测出该距离。4.3主程序起初就要主程序就需要对系统环境进行初始化，定时器TO工作模式设置为16位定时/计数器模式，并对显示端口PO与P2清零;接下来调用超声波发生子程序发射一个超声波脉冲。为了防止超声波从发射器径直传入接收器引起的直射波，需要延时大约0.1ms后再打开外中断О接收返回的超声波信号。由于使用的是12MHz的晶振，每计一个数计数器就显示lus,所以，再主程序检测到收到成功的标志位后,将计数器TO中的数(即超声波来回所用的时间）按公式计算，就能算出被测物体与测距器之间的距离。设计时选用20℃时的声速为344m/s，则有d=(vXt)/2=(172T/10000)cm其中:T为计数器，TO的计数值程序流程图如图4.1，(a)是主程序的流程图，(b)是定时中断子程序的流程图，(c)是外部中断子程序的流程图。图4.1程序流程图用单片机编程得到40kHz方波，可用延时程序与循环语句进行使用。首先定义一个延时函数，然后采用语句循环，且一边循环一次一边改变方波输出口的电平高低，从而得到方波。5系统误差分析5.1超声波传播波速不稳定超声波在介质中的传播速度与周围环境温度、压力等有关系，随着它们的变化而变化而温度的影响尤为突出。在常温下，超声波的传播速度为340mls，当温度每升高1℃，声速的增长约为0.6mls，所以，我们常用采用温度补偿的方法，也就是在数据处理中通过对超声波传播速度而进行的实时温度补偿。5.2盲区在发射超声波时，超声波换能器在驱动脉冲终止后,通常因为惯性而继续振动，进而产生余振。在余振期间，因为不能分辨回波信号和余振信号，所以一定得在余振终止或衰减到一定程度得时候，才可以继续收到传感器接受信号。因为无法检测超声波传播在这期间的距离，就会产生盲区。而为了最大程度上降低盲区引起的误差，即以最快速度使得余振衰减到0或者足够小，我们可以通过利用智能装置，使其自动根据距离来调整发射拖尾波覆盖信号的宽度，进一步消除拖尾波的扰乱。在对系统测速时，以防发射端的脉冲串对邻近的接收端进行的串扰，接收端一定要在信号发送完毕后，才开始接收。此外，超声波换能器的晶振通常有其惯性，也就是说在外加脉冲电场结束之后，其晶振不可以马上停住，而是有一个缓冲过程。在这个时间内，发射端在脉冲电场终止后还是能出现若干累加在回波信号上的余振信号，造成在接收电路识别不到实际回波信号，紊乱系统对第１个回波信号的精确捕获。因此，回波信号的获取必须在余振彻底消失后才能开始。由于以上理由，换能器的晶振特点扼住了超声波传感器的测量范围，所以出现测量盲区。即使在今天可通过缩小脉冲宽度来减少盲区的产生，但是，同时也局限了测量距离的范围，怎样稳定二者关系在实验设计中是我们必须要衡量的问题。5.3环境对测试的影响超声波测距传感器易出现错，其中最可能出错的就是超声波测距传感器是一种声波发射，拥有声波扇形发射特性，如果在声波涉及穿过多个障碍物的情况下，反射回来的声波就会很杂，也就使得出错率攀升。一般在室内干净、干燥环境下工作的传感器,我们采取涂胶密封的传感器,而在潮湿、粉尘性较高的环境下，需要使用的传感器,就要进行抽真空充氮的传感器；在腐蚀性较高的环境下,就要在表面过喷塑或不锈钢外罩,且抗腐蚀性能好的传感器；在易燃、易爆环境下工作环境下，对传感器的要求就更大，一定的采取防爆传感器,因为该传感器的密封外罩在考量密闭性的同时，也要对防爆强度进行考虑。5.4声速引起的误差声波会被媒质中传播的质点的位置、压强和密度的干扰，在流体中的声波俗称压缩波或压强波,声波的传播和媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关，而就一般流体媒质,声波就是一种纵波,它传播速度为：c=sqrt(E/p)(1)（1）式中E为媒质的弹性模量，为复数；p为媒质的密度,其虚数部分代表损耗；c也是复数,其实数部分表示传播速度,虚数部分和衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关，测量c能得到媒质中的损耗。已知声速c,测量发射波与反射波的时间隔t，通过声波的反射原理，可得到发射点与反射点的距离S为：s=ct/2(2)本实验中，超声波测距系统的误差不大于2cm，即误差不大于1%。测量结果如表5.1。。表5.1实验结果图结束语由于不可抗力因素，本次设计未能有实物，但是可以通过一个理论基础，设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，并实现超声波的发送与接收，从而通过超声波方法测量物体间的距离，以数字的形式得出测距。实用的测距手段有两个，其一是在被测距离的两个端点，一端发射，另一端接收的直接波方式;其二是根据发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，该方法可用于测距仪。本次设计使用的是反射波，对于电路连接的每一步操作都不能马虎