基于51单片机的超声波测距系统本科毕业设计 精品.docx

基于51单片机的超声波测距系统本科毕业设计 精品.docx

《基于51单片机的超声波测距系统本科毕业设计 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的超声波测距系统本科毕业设计 精品.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于51单片机的超声波测距系统本科毕业设计精品

本科生毕业论文

超声波测距系统的设计

毕业论文诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文《超声波测距系统的设计》是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。

论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。

本声明的法律结果由本人独自承担。

作者签名：

指导教师签名：

年月日

摘要

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波。

超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。

正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。

随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。

硬件电路主要包括发射电路、接收电路、单片机电路、电源电路和显示电路，另外还有LCD控制电路和复位电路等。

我采用以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路。

整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、供电、温度测量、显示等模块组成。

发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计时器开始计时，超声波被发射后按原路返回，在经过放大带通滤波整形等环节,然后被单片机接收，计数器停止工作并得到时间。

温度测量后送到单片机，通过程序对速度进行校正，结合两者实现超声波测距的功能。

软件程序由主程序、发射子程序、接收子程序、预置子程序、显示子程序等模块组成。

它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在LCD上。

另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等，空气的温度对超声波的速度影响也很大。

此外供电电源也会使测量差生很大的误差。

在设计的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。

【关键词】：

AT89S51超声波测距

Abstract

Isthefrequencyat20kHzultrasonicsoundwavesabove,itisamechanicalwave.Alsofollowthegeneralmechanicalultrasonicwavepropagationinelasticmedia,suchasreflectionandrefractionattheinterfacemediaintothemediaafterthedecayoccurs,suchasdielectricabsorption.Itisbecauseoftheseproperties,sothatultrasoundcanbeusedtomeasurethedistance.

Withincreasinglevelsoftechnology,ultrasonicrangingtechnologyiswidelyusedamongpeople'sdailyworkandlife.Designofthesystemconsistsoftwoparts,namelyhardwareandsoftwareprograms.Thehardwarecircuitincludesatransmittercircuit,areceivercircuit,themicrocontrollercircuit,apowersupplycircuitandadisplaycircuit,inadditiontotheLCDcontrolcircuitandaresetcircuit.IusedtoAT89S51core,low-cost,high-precision,miniaturizedultrasonicrangefinderdigitaldisplayhardwarecircuits.Theentirecircuitismodularindesign,thesignaltransmissionandreception,power,temperaturemeasurementanddisplaymodule.SignalamplificationanddetectionprobelaunchafterlaunchoutMCUtimerisstarted,theoriginalwaybackaftertheultrasoundwaslaunched,afteramplificationbandpassfilteringplasticandothersectors,thenthemicrocontrollerreceivesthecountertostopworkingandgetthetime.Afterthetemperaturemeasurementtothemicrocontroller,thespeedthroughtheprocessofcorrectingacombinationofbothtoachieveUltrasonicRangingfunction.Softwareprogramfromthemainprogram,launchsubroutinereceivessubroutine,presetroutines,subroutinesandotherdisplaymodules.Itcontrolsthemicrocontrollerfordatatransmissionandreception,atacertaintemperaturecorrectionofultrasonicvelocity,aswellasdataontheLCDdisplaycorrectly.Anotherprocedurecontrolsthemicrocontrollertoeliminatetheinfluenceoftheprobefortransmittingandreceivingultrasonicwaves.Accompaniedbytherelevantpartofthehardwareschematics,programflow.

Theactualenvironmentofgreatinfluenceontheultrasonicwave,suchasanexternalelectromagneticinterferencepowerinterferencechannelinterference,etc.,thetemperatureoftheairisalsoagreatinfluenceonthespeedoftheultrasonicwave.Besidesmeasuringthepowersupplyalsomakegreaterrorofpoorstudents.Redesignprocesstoconsiderthesefactors,andgivessomesolutions.

【Keywords】：

AT89S51UltrasonicwaveRanging

一、绪论

1.1课题研究的背景及意义

近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。

随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。

超声波指的是20kHz以上的声波。

超声波同样遵循一般机械波在介质中的传播规律，比如在介质的分界面处发生折射及反射现象，进入介质后而被介质吸收而发生衰减等。

正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。

随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。

由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。

因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。

可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。

因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。

因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。

同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。

国外超声波测距仪技术领先，产品齐全，性能比较稳定，市场需求量大，测量精度高，测量误差小[1]。

1.2超声检测在国内发展综述

在基于传统的测距存在不可克服的缺陷。

例如，液面测量就是一种距离测量，一般的电极法是采用的差位分布电极，再通过电或脉冲来检测液面，但是电极长时间浸泡在水中或其他液体中，容易被腐蚀或者电解，从而失去灵敏性。

超声波具有方向性好、强度大等特点，因此利用超声波测距技术在工业控制、机器人定位、勘探测量和安全防范等领域得到了广泛的应用[2]。

超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用[3]。

通过简单的外围电路发和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。

1.3本文主要研究内容

本系统硬件部分由AT89C51控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路DS18B2、声音报警电路和LCD显示电路组成。

汽车行进时LCD显示环境温度，当倒车时，发射和接收电路工作，经过AT89C51数据处理将距离也显示到LCD上，如果距离小于设定值时，报警电路会鸣叫，提醒司机注意车距。

超声波测距器的系统框图如下图所示：

图1-1系统设计总框图

由单片机AT89C51编程产生10us以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。

一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。

超声波经障碍物反射回来，超声波接收头接收此信号，然后通过接收电路的处理，指定接收口就变为低电平，读取单片机中定时器的值。

由图1-2时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。

计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。

图1-2时序图

二、超声波测距原理与方法

2.1超声波简介

超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。

超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。

该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。

因此，我国对超声波的研究特别活跃。

2.1.1超声波的三种形式

超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：

横波，质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波，质点振动方向、波的传播方向一致；表面波，质点振动介于纵波、横波之间。

横波只能传播在固体里，纵波能在气体、液体和固体中传播，表面波随深度的增加而衰减更快。

一般采用纵波形式的超声波来测量各种状态下的物理量。

2.1.2超声波的物理性质

（1）超声波的反射和折射

当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播。

这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。

（2）超声波的衰减

超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。

（3）超声波的干涉

如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。

由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。

2.1.3超声波对声场产生的作用

（1）机械作用

超声波传播过程中，一般会引起介质质点交替的伸张与压缩，造成了压力的变化，引起机械效应。

超声波引起质点的运动，尽管位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大，有时足以破坏介质。

（2）空化作用

流体动力学指出，在声场作用下振动的液体中的微气泡在达到一定声压值的时候，气泡会迅速膨胀，之后就突然闭合，而在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程就叫做为空化[4]。

（3）热学作用

如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。

2.2超声波传感器介绍

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

一类是利用机械方式产生出超声波，一类是利用电气方式产生出超声波。

机械方式有液哨、气流旋笛和加尔统笛等；电气方式则包括电动型、磁致伸缩型和压电型等。

他们产生出的超声波频率、功率和声波特性都各自不相同，因此用途也不尽相同，压电式超声波发生器是目前比较常用的发生器。

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、一个共振板。

当压电式超声波发生器的两极外加脉冲信号，频率等于压电晶片的固有振荡频率的时候，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波。

相反，未在两极间加电压时，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动来转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

超声波传感器结构如下图所示：

图2-1传感器的外部结构图2-2传感器的内部结构

2.2.1超声波的测距原理及结构

通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了，这与雷达测距原理相似。

比如超声波发射器朝一方向发射出了超声波，同时在发射时刻的计时，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

（超声波在常温下的空气中的传播速度为340m/s，然后根据计时器记录的时间t，就能计算出发射点和障碍物的距离（s），即：

s=340t/2）

在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式（2-1）对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

V=331.4+0.607T（2-1）

式中，V为超声波在介质中的传播速度单位为m／s，T为实际温度单位为℃。

超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，因此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。

目前常用的超声传感器有两大类，即流体动力型与电声型。

流体动力型中包括有气体、液体两种类型的哨笛。

电声型主要有压电传感器、静电传感器和磁致伸缩传感器。

压电传感器的探头由楔块、压电晶片和接头等组成。

压电材料可分为压电陶瓷和晶体两类。

属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等，属于晶体的如石英，铌酸锂等，其具有下列的特性:

把这种材料置于电场之中，它就产生一定的变化;相反，如果对它施以外力，由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。

超声波传感器通常由双压电陶瓷片制成的。

这种超声波传感器需要较少的压电材料，价格低廉，非常适合于气体和液体介质。

当压电陶瓷改变交流电压的大小和方向，根据压电效应，压电陶瓷片将产生机械变形，机械变形是与在一定范围内所施加的电压大小和方向成比例的。

即在压电陶瓷晶片上加有频率为交流电压，它就会产生相同频率的机械振动，以促进这种介质，例如空气，可发射超声波。

如果在压电陶瓷片上，这将使得机械变形时，压电陶瓷片的机械变形，产生与机械超声波相同频率的电信号。

A

B

图2-3双压电晶片示意图

图2-4双压电晶片的等效电路图

双压电晶片的等效电路如图2-4所示，R是电损耗，C0为静电电容，R是损耗串联电阻，联电阻Cm、Lm是机械共振回路的电容和电感。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率ƒ0，发射超声波时，加在它两端的交变电压的频率必须和它的固有谐振频率保持一致。

在这种情况下，超声波传感器具有很高的灵敏度。

当改变压电材料常数和改变压电陶瓷片，由超声波换能器的频率特性很容易改变使用的固有谐振频率的几何形状[5]。

2.2.2超声波传感器选择

在超声波测量系统中，频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高；频率取得太低，外界的杂音干扰会相应的变多。

文中所采用的探头是40KHz的收发分体式超声传感器，由发射传感器UCM-T40KI和接收传感器UCM-R4OKI组成，其特性参数如表2-1所示。

表2-1传感器特性参数表

型号

UCM-T40K1

UCM-R40KQ

结构

开放式

开放式

使用方式

发射

接收

中心频率

频带宽

灵敏度

声压

指向角

容量

2.2.3超声波测距的原理

超声波测距方法主要有三种：

1）相位检测法：

精度高，但检测范围有限；2）声波幅值检测法：

易受反射波的影响；3）渡越时间法：

工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：

检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。

设l为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，则有l=ct/2。

综合以上分析，本设计将采用渡越时间法[6]。

图2-6测距原理

由于超声波也是一种声波，其声速c与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速就增加0.6米／秒。

表2-2列出了几种温度下的声速：

表2-2声速与温度的关系表

温度（摄氏度）-30-20-100102030100

声速（米／秒）313319325331337343349389

在使用时，假设温度变化不是大的话，则可以当做声速c不变，计算的时候取c的大小为340m/s。

只是测距精度要求很高的时候，就可以在硬件电路基本上保持不变的情况下通过软件来加以校正以及改变硬件电路增加温度补偿电路的方法。

在本系统中利用AT89S52中的定时器测量超声波传播时间，利用DS18B20测量环境温度，从而提高测距精度。

空气中声速与温度的关系可表示为：

（2-3）

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：

L=1/2（331.4+0.6T）t。

（系统中应用该式进行温度补偿）

2.2.4发射脉冲波形

超声测距常用的发射脉冲波形如图2.7所示有衰减振荡脉冲、单个尖脉冲、宽等幅波列脉冲和窄等幅波列脉冲。

单个尖脉冲衰减振荡脉冲

窄等幅波脉冲宽等幅波脉冲

图2.7超声波测距常用发射脉冲波形

2.3本章小结

本章介绍了超声波的形成、超声波在传播过程中的反射折射规律以及如何衰减;通过详细分析超声传感器的内部结构以及影响超声传感器的几个重要参数给出本系统设计中所用超声传感器的特性参数；析了超声波测距的基本原理，并在此基础上给出了测距的几种常用方法以及传感器指向角、环境温度、工作频率、发射脉冲波形。

三、系统硬件设计

系统硬件主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成。

随着超声波测量技术的不断提高，用超声波测量任何目标物体，都存在着超声波的发射和接收问题。

不论超声波传感器的大小、形状、灵敏度有何不同，其工作原理都是一样的（都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能，即在媒质中产生超声波），要提高超声测量的精度或分辨力，必须从超声波的发射和接收两方面入手，这也是设计超声测量仪器的关键和难点所在。

发射电路采用单片机P1.0端口编程输出大概40KHz的方波脉冲信号，同时开启内部计数器T0单片机端口输出功率比较弱，所以加大加功率放大电路使测量距离能够满足要求，驱动超声传感器UCM-40T发射超声波距离足够远。

由于从接收传感器探头UCM40T传来的超声波回波很微弱，只有几十个mV级，同时又有着较强的噪声，所以必须考虑放大信号和抑制噪声。

这里使用CX20106A集成电路对接收探头接收滤波，信号经过P2.7端口送入单片机中进行处理。

为节省硬件考虑，显示电路采用动态扫描显示。

通过单片机编程将内部计数得到的时间数据，转换为距离信息，通过三位LED数码管显示。

3.1发射电路设计

40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：

使用软件如单片机软件编程输出或采用硬件如由555振荡产生，本系统采用前者。

编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40－16T以声波形式发射到空气中。

发射部分的电路，如图3-1所示。

图中输出端上拉电阻R31，一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间，另一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力。

图3-1超声波发射电路框图

3.1.1发射电路设计方案

一、发射电路输出波形分析

1.发射波形电压及功率

传感器的发射电压大小一般是由发射信号损失及接收机的灵敏度决定；考虑实际发射传感器最大输入电压为20V，而单片机输出的最大正常工作电压为5V，功率传感器传输的信号直接决定超声波距离传感器信号的发射，所以在相同的时间内电压应考虑如何增加他们的功率，以使发射电路是比较合理的。

2.发射波形的重复性

各个振动的发射波应是以大致相同的频率，这样，接收的带通滤波器可用于消除干扰和接收相同的振动波峰，以避免由于反射面和干涉障碍物造成的各种损失。

为了获得高的分辨率，超声发射器的电路设计应确保良好的发射波形的重复性。

为了保证发射波功率和波形的重复性，发射电路的设计必须合理。

一般发射电路通常按发射方式分为:

单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。

测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。

间断地激发换能器晶片振动[7]。

3.1.2发射电路方案

从上面的分析可以知道，发射电路设计的主要目的是提供输入到发射探头电压和功率。

本系统单片机的P1.0发出了一组方波脉冲信号，输出波形稳定可靠，但由于输出电流和输出功率非常低，所以还不足以推动发射传感器发射足够的超声波信号，所以在这里加入了一个单电源乙类互补对称功率放大电路，如图3-2所示。

图3-2超声波发射电路