基于单片机的超声波测距仪设计与实现Word文件下载.docx

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它通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在发射点，向需要被测物面发射频率调制的微波信号。

当接收到回波信号时，由于来回传播时间延迟，发射频率己改变了。

将两者信号混合处理，所得信号差频正比于发射点到被测物面之间的距离。

（3）激光测距仪

激光测距仪的测量原理是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。

（4）γ射线测距仪

该技术是基于γ射线对不同物质产生不同衰减的理论。

γ射线测距特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题，因为测量件没有任何部件与被测介质相接处。

（5）超声波测距仪

超声波测距仪是非接触测距仪中发展最快的一种。

该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。

3．超声波的特点

超声波是声波大家族中的一员。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介；

超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。

在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。

超声波有以下几个特点：

1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。

（用于医学）

1系统设计原理及总体设计

1.1系统设计原理

1.1.1测距原理

距离公式：

距离（S）=时间（T）×

速度（V）。

在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。

利用超声波测时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。

相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。

本超声波测距仪采用渡越时间检测法。

超声波测量原理图如图1-1。

图1-1超声波测距原理图

在超声波发射器两端输入40KHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面；

由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。

传播的时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。

如图2.1所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为V=344m/s（20℃时），依据公式S=（1/ 2）V×

T，得距离S。

渡越时间测量法:

1.直接计时法

每隔一定时间发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时刻开始单片机定时器计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻，停止单片机TO计时。

单片机定时器所计时间，即为传播渡越时间。

2.相位法

测距仪由震荡电路发出一定频率变化的正弦波，由超声波换能器转换成声波。

发出的声波到达被测面，经被测面反射，超声波换能器接收端获得声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。

假设震荡电路波形往返一个Φ角，则声波在被测的距离上往返一次需要的时间t为t=Φ/ω。

该方法是一种相位测量方法，但是由于相位测量存在以2n为周期的多值解，从而造成解的不确定性。

为了消除这种不确定性，再引入通常的包络检测来消除这种不确定性，从而实现高精度测距。

发射二个频率不同的声波，测定与这二个并发声对应的回波信号的相位，根据所测相位进行测距的一种高精度的超声波测距方法。

同时使用二个回波的相位以及包络信息，排除了以2n为周期的相位上的不确定性。

因此可以得到较高的测量精度。

从相位检测角度来看。

测量二个不同频率信号的相位和包络相对比较简单快速。

1.2传感器工作原理

1.2.1传感器的类型及设计要求

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:

机械方式和电气方式产生超声波发生器。

实质上，超声波发生器即是超声波换能器，或者超声探头，它将其它形式的能量转换成超声波的能量（发射换能器来完成）和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量（接收换能器来完成）。

一般是使电能和超声能量相互转换。

我们常用的是电气方式，电气方式类型包括:

压电型、磁致伸缩型和电动型等，机械式方式有:

气流旋笛、液哨、加尔统笛等。

各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。

目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，碳酸钡压电陶瓷、碳酸铅压电陶瓷复合晶体等。

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是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要设计要求；

（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，特别时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产生失效。

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；

反之，灵敏度低。

1.2.2设计所用传感器工作原理

本设计所采用的超声波传感器为压电型。

此类型的传感器一般采用双压电陶瓷品片制成。

这种超声传感器需用的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。

它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。

另一方面，当振动压电陶瓷时，就会产生电荷。

利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器（双压电晶片元件），施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。

相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。

基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

传感器的内部有一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。

该复合式振动器是谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。

谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。

超声波传感器有两块压电陶瓷晶片和一块共振板。

当在两电极加交变脉冲信号（触发脉冲）时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。

相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。

通过对此信号的分析处理，可实现各种检侧。

压电陶瓷晶片有固有谐振频率，即中心频率，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致;

接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。

这样，超声波发射器才有较高发射效率，接收器才有较好接收灵敏度。

当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地改变其固有谐振频率。

利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

用于超声传感器的中心频率一般为40KH。

1.3系统总体设计

1.3.1总体设计思路

超声波测距仪是根据“回波测距”的原理设计的。

除超声波的发射器发射超声波，超声波接受器接收回波。

测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时刻差，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。

超声波测距仪的总体设计思路如图1-1所示。

图1-1总体设计思路

1.3.2系统组成

整个方案的中心为单片机8051，由单片机8051作为控制中心，控制超声波的发射，接收以及数据的处理和显示。

本系统的具体组成框图如图1-2。

图1-2系统的基本组成

1.3.3工作过程

启动超声波测距仪测距时，工作过程如下：

1.由单片机发出40KHz的脉冲串；

2.脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波；

3.单片机在发送脉冲的时刻开始计时；

4.超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经过两级放大；

5.经过音频解码器的开关控制，回波中断；

6.时间×

速度，数据计算；

7.显示；

8.重复过程1；

2系统硬件设计

本系统的硬件部分包括8051单片机、超声波接收电路、发射电路以及显示电路四个主要部分，下面就分块说明每个部分的结构、原理、功能等。

2.18051单片机结构及功能

按设计要求，根据超声波测距原理，以8051单片机系统为核心，设计超声波测距仪.硬件电路总体设计图如附录1。

下面介绍本系统的核心，MCS-51系列经典单片机8051系统。

2.1.18051单片机结构

8051单片机为目前广泛使用的MCS-51系列单片机中的一种，51系列单片机性能好，成本低,因此被广泛应用。

8051单片机系统由8051单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。

其引脚图如图2-1。

2-18051单片机引脚图

顾名思义，所谓单片微型计算机，其特征就是将计算机的所有部件集成到一个硅片上.它包括只读存储器，随机存取存储器，中央处理单元，并行输入输出口，穿行输入输出口，定时/计数器，时钟电路，中断系统。

8051单片机内部结构为8位CPU,128BRAM,4KBROM,21个特殊功能寄存器，4个8位并行口，1个全双工串行口，2个16位定时/计数器。

2.1.28051单片机内部各结构功能

1.中央处理单元CPU（8位）

CPU包含有运算器和控制器，运算器进行算术运算和逻辑运算，能对BCD数据进行处理，还具有对RAM或I/O的某未进行测试，置位或复位的功能，即位操作功能。

⑴运算器：

以8位的算术/逻辑运算部件ALU为核心，与通过内部总线挂在其周围的暂存器1，暂存器2，累加器ACC,寄存器B，程序状态寄存器PSW及布尔处理机组成了整个运算器的逻辑电路。

运算器主要完成：

算术运算（加减乘除、加1、减1、BCD加法的十进制调整），逻辑运算（与、或、抑或、清0、求反），移位操作（左、右移位）。

⑵布尔处理机：

是CPU中的重要组成部分，拥有相应的布尔指令子集。

硬件有自己的处理单元和自己的位寻址空间和I/O口，是一个独立的位处理机。

大部分的操作均围绕CY来完成。

能够完成位的传送，清0，置位，求反，与，或及判位转移操作。

⑶控制器：

控制器是CPU的控制中枢，包括定时控制逻辑，指令寄存器，译码器，地址指针DPTR，堆栈指针SP，程序计数器PC，RAM地址寄存器及16位的地址缓冲器等。

2.只读存储器

用于永久性的存储应用程序。

在目前单片集中大量采用的是掩模式只读存储器MROM和改写只读存储器EPROM，随着电子技术的发展，已开始采用电可读写只读存储器EEPROM。

3.随机存取存储器

用于在程序运行时存储工作变量和数据。

4.并行输入/输出口（32条）

每根口线可灵活的选作输入或输出，并且可以作为系统总线使用，已扩展片外存储器和输入/输出接口芯片。

5.串行输入/输出口（2条）

用于多处理机通信，获全双工UART（通用异步收发器）通信，也可以与一些特殊功能的芯片相连，进行输入/输出扩展。

6.定时/计数器

单片机定时/计数器为增量计数器，当计数满时溢出中断将标志位置位。

定时/计数器的作用在于：

⑴进行精确定时，实行实时控制；

⑵用于事件计数。

这样作减少了软件开销。

7.时钟电路为内部振荡器外接晶振电路。

8.中断系统

中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现多个软件功能的并行运行。

2.1.38051单片机的主要性能特点

计算机有两种基本结构：

哈佛结构，即程序存储器和数据存储器分开，互相独立；

普林斯顿结构，即程序存储器和数据存储器合二为一，地址空间统一编址。

单片机为哈佛结构。

有如下性能特点：

⑴内部程序存储器：

4KB。

⑵内部数据存储器：

128B。

⑶外部程序存储器：

可扩展到64KB

⑷外部数据存储器：

⑸输入/输出口线：

32根（4个端口，每个端口8根）。

⑹定时/计数器：

2个16位可编程的定时/计数器。

⑺串行口：

全双工，2根。

⑻寄存器区：

在内部数据存储器的128中华出一部分作为寄存器区，分为四个区，每个区8个通用寄存器。

⑼中断源：

5个中断源，2个优先级别。

⑽堆栈：

最深128B。

⑾布尔处理机：

即位处理机，对某些单元的某位做单独处理。

⑿指令系统（系统时钟为12MHz时）：

大部分指令执行时间为1µ

s；

少部分指令执行时间为2µ

只有乘，除指令的执行时间为4µ

s。

2.2发射电路设计

2.2.1发射电路功能

发射电路目的:

为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号

依据电路需要，发射电路满足下列要求:

1.振荡电路振荡频率为40KHz；

2.驱动能力较高；

3.I/O口控制。

2.2.2发射电路原理图

振荡电路目的:

提供40KHz脉冲。

当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号电能能高效率的转化为机械声波机械能。

一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40KHz，实际有偏差，如40±

0.5KHz。

因此设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。

振荡电路有多种设计方案，方案如下：

方案一:

利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路最简单的振荡器。

这种振荡器特点是:

T（≈1.4-2.3）R*C电源波动将使频率不稳定，适合小于100KHz的低频振荡情况。

此振荡是上电振荡，不方便控制。

方案二:

采用两三极管和电阻电容构成的振荡器。

方案三:

LC三点振荡电路。

方案四:

555芯片组成振荡电路。

555芯片振荡电路，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到。

为了方便快捷，本文中选方案一原理。

采用与非门与电阻电容构成振荡电路。

此电路外围元件少，电路简单，且及易控制。

本文中采用的电路振荡原理图如图2-2。

图2-240KHz超声波发射电路

2.3接收电路

2.3.1接收电路功能

根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求:

（1）微弱信号放大，放大倍数要求将毫伏级信号放大为伏级信号。

（2）波形整形，将正弦波整形为方波。

超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号（正弦波），信号经过三极管放大以后，被送入运算放大器进行滤波整形，运算放大器输出的方波信号输入音频解码器NE567开关控制系统作为中断控制，NE567接收到方波信号，由原来的输出高电平，变为输出低电平。

该低电平作为8051外部中断0的中断信号使8051产生中断，在中断服务程序中停止计数器TO的计时，并计算出有关数据。

由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的识别、转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。

如图2-3，进行波形处理。

图2-3接收电路信号变化关系图

2.3.2接收电路原理图

放大电路目的:

微弱信号放大。

微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由三极管放大电路和运算放大器构成。

超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机

端口辨识。

接收放大电路原理图如图2-4。

图2-4接收放大电路原理图

2.3.3中断电路

电路需要一个中断系统，供单片机

端口辨识，本系统采用音频解码器NE567及其外围电路构成的音调开关电路，作为中断系统。

其电路原理图如图2-5。

图2-5中断电路

NE567音频解码器，正常工作状态为输出高电平，当其接收到放大电路输入的方波信号，其输出高电平跳变为低电平，并输入到单片机

端口。

单片机辨别到这个跳变，并由于

的低电平有效，使单片机停止计时，开始对数据进行计算，并显示。

2.4显示电路

显示电路目的:

显示测量的结果，提供信息。

为了直观地显示出数字系统的运行状态以及工作数据，在这些系统中普遍的使用了数码管显示器件。

单片机系统中比较常用的显示器有发光二极管显示器LED，液晶显示器LCD两种，前者价格便宜，配置简单，与单片机接口简单。

故采用LG5011AH共阴极LED数码管。

选择CD4511作为显示译码电路，由CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。

显示电路是3个CD4511译码驱动器连接3个共阴极数码管，译码驱动器CD4511A,B,C,D口与8051I/O口P1.0~P1.3相连接。

三个驱动器的片选信号

分别与单片机P1.4~1.6口相连接。

这里的LED数码管是采用共阴极的方法连接的，为了保护各段不受损坏，在显示器和译码电路之间加入1K的限流电阻。

由计数器、显示译码器和显示器构成的显示系统如图2-6所示。

图2－6显示系统

2.4.1LED数码管显示原理

发光二极管（LED）与普通二极管类似，只要管子上有电流流过，管子就点亮。

通过七段发光二极管亮暗不同的组合，可以显示多种数字、字母及其它字符。

本设计中LED显示采用共阴极连接，即把七个发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。

每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端连接阳极端输入高电平时，发光二极管点亮，输入低电平时则不亮。

2.4.2显示译码器

由于LED显示器的共阴极结构，对共阴极数码管来说，则为共阴极接地，相应的BCD-七段译码器的输出驱动a～g接阳极。

数码管为共阴极，选用输出为高电平有效的显示译码器。

驱动共阴极数码管的BCD-七段的译码器CMOS电路为CD4511。

CD4511管脚分配图如图2-7。

图2-7CD4511管脚分配图

表2-1为CD4511功能表。

D、C、B、A为BCD码输入端，分别与单片机的相应的I/O端口连接。

为消隐功能端。

＝1，正常显示：

＝0字型消隐。

为灯测试端，

＝1，正常显示；

＝0显示器显示8。

LE为锁存端，LE＝0，不锁存，译码器输出随输入BCD码变化；

当LE由0变1时，将输入的BCD码锁存。

由单片机8051对测量的数据进行计算处理后，以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由CD4511芯片把BCD码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。

表2-1CD4511功能表

输入

输出

LE

D

C

B

A

a

b

c

d

e

f

g

显示

Φ

1

8

消隐

2

3

4

5

6

7

9