第3章 超声波测距器的设计资料文档格式.docx

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声波传播的速度“c”可以用下列公式表示。

c=331.5+0.607t（m/s）式中，t=温度（℃）也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。

因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的，尤其冬季室内外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用18B20作温度补偿来减小温度变化所带来的测量误差，考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要是用于测距功能，对测量精度要求不高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。

（4）衰减

传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。

超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。

（5）灵敏度特性

灵敏度是表示声音接收级的单位，使用下列公式予以表示。

灵敏度=20logE/P（dB）式中,“E”为所产生的电压（Vrms），“P”为输入声压（μbar），超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围。

当频率在40kHz时传感器所对应的灵敏度最高。

2、超声波传感器

完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声波探头。

超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多用作探测方面。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

　　超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

　　（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。

为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。

另外，超声波在空气中的传播速度较慢，为340m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简便。

我们选用压电式超声波传感器。

它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷，是利用压电材料的压电效应来进行工作的。

逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；

而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器大体可以分为两大类：

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。

电气方式包括压电型、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。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

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。

超声波发生器内部结构如图3.1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，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，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器了。

图3.1超声波传感器结构

3.3硬件电路设计

硬件电路主要分超声波发射接收器、单片机控制电路、显示电路和报警电路四部分。

超声波测距器用STC89C52单片机作为核心控制单元,当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理，然后控制蜂鸣器和LED报警。

设计框图如图3.2所示。

图3.2系统设计方框图

3.3.1超声波模块

超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。

模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：

采用IO口TRIG触发测距，给至少10μs的高电平信号;

模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；

有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。

实物如图3.3所示。

其中VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四支线。

图3.3超声波模块实物图

超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下：

IO口触发，给TRIG口至少10us的高电平，启动测量；

模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；

有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*340）/2，单位为m.程序中测试功能主要由两个函数完成。

3.3.2单片机系统及显示电路

单片机与显示系统电路原理图如图3.4所示。

图中VCC为5V的工作电源，5个发光二极管（D1~D5）显示被测距离长短的趋势。

当大于等于100cm，5个发光二极管全亮，且不发声。

距离小于100cm时开始报警，离障碍物的距离越近报警声越急促。

当被测距离大于等于75cm小于100cm时，4个发光二极管亮；

当被测距离大于等于50cm小于75cm，3个发光二极管亮；

当被测距离大于等于30cm小于50cm时，2个发光二极管亮；

当被测距离小于30cm，1个发光二极管亮，蜂鸣器急促报警。

图3.4单片机与显示系统电路原理图

3.3.3声音报警电路

用一个蜂鸣器和三极管8550、电阻接到单片机的P2.3引脚上，构成声音报警电路，其中三极管的放大作用就是：

集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：

集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。

如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。

如果集电极电流Ic是流过一个电阻R（蜂鸣器相当于电阻R）的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。

我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

如图3.5示为声音报警电路：

图3.5声音报警电路图

3.4系统的程序设计

3.4.1测距分析

最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。

由于超声波也是一种声波，其声速v与空气温度有关，一般来说，温度每升高1℃，声速增加0.6m/s。

表3.1列出了几种温度下的声速关系：

表3.1超声波波速与温度的关系表

温度（℃）

-30

-20

-10

10

20

30

100

声速（m/s）

313

319

325

323

338

344

349

386

在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。

如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

这就是超声波测距仪的基本原理。

如图3.6所示：

t

超声波发射障碍物

S

H

θ

超声波接收

图3.6超声波的测距原理

[3-1]

[3-2]

式中:

L---两探头之间中心距离的一半.

又知道超声波传播的距离为:

[3-3]

v—超声波在介质中的传播速度;

t—超声波从发射到接收所需要的时间.

将[3-2]、[3-3]代入[3-1]中得：

[3-4]

其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数（例如在温度T=30度时,V=349m/s）;

当需要测量的距离H远远大于L时,则[4-4]变为:

[3-5]

所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.

超声波在空气中的传播速度一般为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离H，即：

H=340t/2。

3.4.2主程序

主程序流程图如图3.7所示。

首先设计上电时让蜂鸣器叫一声，目的是提示已开机。

等待1ms后执行任务。

随后是对系统环境初始化：

设置单片机IO口P0、P1、P2、P3为高电平；

设置EA=1，开启总中断；

设置TMOD=0x11，使定时器0和定时器1工作方式为方式1；

设置TR0=1和TR1=1，允许定时器0和定时器1定时计数；

设置ET0=0，关闭定时器0的中断；

设置ET1=1，开启定时器1的中断。

设置完毕后，发射超声波信号，待检测到超声波信号时，执行测距报警。

图3.7主程序流程图

3.4.3超声波测距程序

单片机发送端c_send（P3.2口）向TRIG（触发信号输入）发送10μs的高电平触发，这时发射超声波，也关闭了定时器0并且把定时器0清零，保证定时器0准确计数，由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1μs。

然后单片机发送端c_recive（P3.3口）等待,待检测到EHCO（回响信号输出）为高电平时，开启定时器0定时计数，读取高电平持续时间，并比较是否大于40ms，如果大于40ms，就关闭定时器0，反之，就计算出距离，再关闭定时器0。

超声波发射探测流程如图3.8所示：

图3.8超声波发射探测流程图

3.4.4报警程序

报警工作流程如图3.9所示：

图3.9报警程序流程图

定时器1设TH1=（65536-2000）/256，TL1=（65536-2000）%256，即设置为2ms中断一次，中断150次为一个周期，即300ms，就是一个周期执行一次超声波发射探测流程，为了使超声波模块能测的得距离更加准确。

然后来比较超声波探头离障碍物的距离是否大于等于100cm：

（1）小于100cm时，通过定时器1的中断计的次数来比较离障碍物的距离，是否越来越近或越来越远，来改变蜂鸣器发声越来越快或越来越近；

大于等于75cm小于100cm，亮4个灯，P1=0xf0；

大于等于50cm小于75cm，亮3个灯，P1=0xf8；

大于等于30cm小于50cm，亮2个灯，P1=0xfc；

小于30cm，亮1个灯，P1=0xfe，并且急促报警。

（2）大于等于100cm时，beep=1，P1=0xe0，蜂鸣器不发声，亮5个灯。

3.4.5系统的参考程序

#include<

reg52.h>

//调用单片机头文件

#defineucharunsignedchar//无符号字符型宏定义变量范围0~255

#defineuintunsignedint//无符号整型宏定义变量范围0~65535

intrins.h>

sbitc_send=P3^2;

//超声波发射

sbitc_recive=P3^3;

//超声波接收

sbitbeep=P2^3;

//蜂鸣器IO口定义

bitflag_300ms;

longdistance;

//距离

uintset_d;

ucharflag_csb_juli;

//超声波超出量程

uintflag_time0;

//用来保存定时器0的时间

/***************5个LED指示灯****************/

sbitled1=P1^0;

sbitled2=P1^1;

sbitled3=P1^2;

sbitled4=P1^3;

sbitled5=P1^4;

/***********************1ms延时函数*****************************/

voiddelay_1ms（uintq）

{

uinti,j;

for（i=0;

i<

q;

i++）

for（j=0;

j<

120;

j++）;

}

/******************小延时函数*****************/

voiddelay（）

_nop_（）;

//执行一条_nop_（）指令就是1us

/*********************超声波测距程序*****************************/

voidsend_wave（）

c_send=1;

//10us的高电平触发

delay（）;

c_send=0;

TH0=0;

//给定时器0清零

TL0=0;

TR0=0;

//关定时器0定时

while（!

c_recive）;

//当c_recive为零时等待

TR0=1;

while（c_recive）//当c_recive为1计数并等待

{

flag_time0=TH0*256+TL0;

if（（flag_time0>

40000））//当超声波超过测量范围时，

{

TR0=0;

flag_csb_juli=2;

break;

}

else

flag_csb_juli=1;

}

if（flag_csb_juli==1）

{

TR0=0;

//关定时器0定时

distance=flag_time0;

//读出定时器0的时间

distance*=0.017;

//距离=速度*时间；

0.017cm/uS=（34000cm/1000000uS）/2

}

/*********************定时器0、定时器1初始化******************/

voidtime_init（）

EA=1;

//开总中断

TMOD=0X11;

//定时器0、定时器1工作方式1

ET0=0;

//关定时器0中断

TR0=1;

//允许定时器0定时

ET1=1;

//开定时器1中断

TR1=1;

//允许定时器1定时

/****************报警函数***************/

voidclock_l（）//下限报警函数距离超近声音超快

staticucharvalue,value1;

if（distance<

=100）

value++;

//消除实际距离在设定距离左右变化时的干扰

if（value>

=2）

value1++;

if（value1>

=distance*2）//这里是控制报警声越来越快

{

value1=0;

beep=~beep;

//蜂鸣器报警

}

else

value=0;

beep=1;

/***************主函数*****************/

voidmain（）//主函数

beep=0;

//beep代表P3.2口，接蜂鸣器。

beep=0目的是开机叫一声

delay_1ms（150）;

//延时

P0=P1=P2=P3=0xff;

//初始化单片机IO口为高电平

send_wave（）;

//测距离函数

time_init（）;

//定时器初始化程序

//测距离函数

while

（1）

{

if（flag_300ms==1）

{

flag_300ms=0;

send_wave（）;

if（beep==1）

send_wave（）;

if（distance<

30）

P1=0xfe;

//1个灯亮

elseif（distance<

50）

P1=0xfc;

//2个灯亮

75）

P1=0xf8;

//3个灯亮

100）

P1=0xf0;

//4个灯亮

else

P1=0xe0;

//5个灯亮全亮

/*********************定时器1中断服务程序************************/

voidtime1_int（）interrupt3

{

staticucharvalue;

//定时2ms中断一次

TH1=0xf8;

TL1=0x30;

//2ms

value++;

clock_l（）;

//下限报警函数距离超近声音超快

if（value>

=150）

flag_300ms=1;

3.5功能扩展

本设计给出了一个简单的超声波测距系统。

设计者可以对该设计进行功能扩展。

设计一个带显示距离的汽车倒车雷达系统，通过LCD液晶显示距离或影像。