基于51单片机的超声波测距系统.docx

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基于51单片机的超声波测距系统

封

面

摘要

基于传统的测距方法在很多特殊场合：

如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷，超声波测距能很好的解决此类的问题。

本系统主要以AT89C51单片机为核心，结合超声波测距模块HC-SR04、数码管、蜂鸣器等硬件平台，对超声波测距系统的原理、数码管显示、单片机的应用等进行了分析和验证。

关键词：

超声波测距模块，AT89C51，数码管。

Abstract

Inmanyspecialoccasions,traditionalmeasuringdistancemethodsbasedontheexistenceofinsurmountabledistancemeasuringdefects,suchasthemeasurementofcorrosionintheliquidwithstrongelectromagneticinterference,toxicandotheradverseconditions.Theultrasonicrangecanbeaverygoodsolutiontotheproblem.ThissystemmainlyusesAT89C51microcontrollerasthecore，hardwareplatformcombinedwiththeHC-SR04ultrasonicrangingmodule，digitaltube，buzzeretc.Analyzedandvalidatedtheprincipleofultrasonicran，digitaltube’sdisplay，theapplicationofsingle-chipmicrocomputeretc.

Keywords:

ultrasonicrangingmodule，AT89C51，Digitaltube.

一.绪论

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。

但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：

研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。

随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。

例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。

由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。

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。

通过简单的外围电路发生和接收超声波，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，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。

二．超声波测距的原理

2.1超声波的基本理论

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

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。

超声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。

超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。

按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：

用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。

超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在10——10Hz，其中通常的频率大约在10——3之间。

超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。

于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用：

2.1.1超声波的传播速度

超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：

横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；表面波——质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。

横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。

为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。

超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。

超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。

超声波在气体和液体中，其传播速度C=（）

式中——介质的密度；

——绝对压缩系数。

可以推导出超声波在空气种传播速度。

（T为环境温度）。

超声波在固体中的传播速度分两种情况：

（1）纵波在固体介质中的传播速度

其传播与介质的形状有关。

（细棒）

（薄板）

（无限介质）

式中E——杨氏模具；

——泊松系数；

K——体积弹性模具；

G——剪片弹性模。

（2）横波声速公式为

（无限介质）

在固体中，介于0——5之间，因此一般可视为横波声速为纵波的一半。

2.1.2超声波的物理性质

当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射；另一部分透射过界面，在相邻的介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图2.1.2所示：

图2.1.2超声波的反射和折射

（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，如图2.1.2所示。

声波的反射系数和透射系数可以分别由如下两式求得：

式中：

——分别为声波的入射角和反射角；

——分别为两介质的特征阻抗，其中为反射波和折射波的速度。

反射角、折射角与声速满足折射定律关系式：

。

当超声波垂直入射界面时，即，则：

如果sin>，入射波完全被反射，在相邻两个介质中没有折射波。

如果超声波斜入射到两个固体介质面或两粘滞弹性介质面时，一列斜入射的纵波不仅产生反射纵波和折射纵波，而且还产生反射横波和折射横波。

（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。

在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下：

式中：

——距离声源x=0处的声压和声强；

——超声波与声波间的距离；

A——衰减系数，单位为（奈培/厘米）。

（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。

若以两个频率相同，振幅和不等，波程差为d的两个波干涉为例，该两个波合成振幅为

，其中为波长。

从上式看出，当d=0或d=（为整数）时，合成振幅达到最大值；当d=时，合成振幅为最小值。

当时，；当d的奇数倍时，两波相互抵消合成幅度为0。

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，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。

超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，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。

有时足以达到破坏介质的程度。

（2）空化作用

在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，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称为空化。

（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。

2.1.4超声波传感器

超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。

压电陶瓷片具有如下特性：

当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。

也就是说，若在压电晶片两边加以频率为的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当落在音频范围内时便会发出声音。

反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。

超声波传感器结构如下：

图2.1.4.1元件内部结构图2.1.4.2超声波外部结构

2.2超声波测距系统原理

在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。

超声测距大致有以下方法：

①取输出脉冲的平均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离；②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=1／2vt。

本测量电路采用第二种方案。

由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

超声波测距的算法设计:

超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。

X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。

由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：

图2.2测距原理

三.系统硬件的具体设计与实现

3.1系统原理和框图

超声波测距系统硬件组成如图3-1所示。

本系统主要由AT89C51单片机及其外围电路、超声波发送接收模块、数码管显示电路、蜂鸣器报警电路等四部分组成。

图3-1系统设计框图

启动超声波模块发送，计时等待接收，并经过计算，将测到的结果通过三位共阳数码管显示出来，当超时没有接收到超声波回复时，数码管显示三个负号，表示距离太远，当测量距离低于40cm而大于30cm时，点亮LED提示，当测量距离低于30cm时，亮灯并启动蜂鸣器报警。

3.2功能模块的设计

3.2.1单片机介绍

单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，即将运算器，控制器，输入输出接口，部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一个芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微型计算机，相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。

由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在芯片内传送处理，