定稿案基于单片机的超声波测距仪的设计与实现可行性研究报告.docx

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定稿案基于单片机的超声波测距仪的设计与实现可行性研究报告

基于单片机的超声波测距仪的设计与实现可行性研究报告

摘要：

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。

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。

本设计利用超声波在空气中的传播速度以及在发射器、障碍物和接收器之间传播的时间计算出障碍物的距离，通过一个四位的七段数码管显示出来。

系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。

硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和复位电路等。

硬件电路以AT89S52单片机为核心，并具有低成本、微型化等特点。

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

硬件电路和软件程序的有序配合，完善了整个超声波测距系统。

关键词：

AT89S52，超声波，测距仪，硬件，软件

1绪论

1.1课题背景，目的和意义

超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。

但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。

而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。

超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。

因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。

比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。

目前基于超声波测距的精度需求和盲区减小的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。

本文结合超声波精确测距的需要，进行了系统的硬件和软件设计，分析了影响超声测距精确度的多种因素，来有效提高测距系统的精度。

1.2现阶段本课题相关研究现状

F.GALton在1876年进行了气哨实验，代表着人类第一次产生的高频声波。

而我国于1956年开始超声的大规模研究。

迄今，我国对超声已经广泛地在的各个领域得到发展和应用，特别要提出的是，其中一些项目能够与国际水平相接近。

超声波测距与定位技术是关于声学以及仪器科学的综合性大学科，由超声波换能器、超声波发射和接收电路、控制电路等组成了利用超声波来测量距离值。

目前在各个领域中都得到了使用，并取得了很好的成果。

R.Kuc.提出了三维的仿生声纳系统，系统可以利用超声波自动的寻找被测目标物体。

它共有五个超声传感器构成这个系统最主要的感知装置。

发射超声波的换能器安装在十字架交叉点，有四个换能器用来接收超声波共分别安装在十字架的边缘位置上。

这样，被测目标的距离与方位能够依据空间几何关系就能算出。

G.Bucci和C.Landi提出了一种对于输入超声波信号的功率谱算法，该算法利用了信号进行傅里叶变换后功率谱密度中所包含的信号特征确定回波的前沿，更加精确的确定渡越时间。

F.Devand，G.Hayward和J.Soraghan受蝙蝠在夜空中捕食启发，提出了一种具有独特优点的自适应超声成像聚焦系统，对超声成像中图象畸变的消除有重要价值，提高超声图像的分辨率通过使用重叠的频率调制信号。

此使用了不同频率的超声波。

基本理论基础是使用时间和频率信息并且通过改进的算法来解决频域中的合成干涉图，因此该超声成像系统在三维空间有高分辨率的特点。

国内一些学者也作了相关研究。

同济大学设计了基于伪随机码的时延两步相关估计法。

该方法采用PRBS（伪随机二进制信号序列）作为发送信号，通过求互相关函数确定传播时间，由此达到非常高的抗干扰能力。

引入PRBS还节约了用于计算互相关函数通常所必需的乘法。

此外还设想并实现了一个两步相关法以减少处理时间。

借助于数学分析阐述了PRBS的生成，特点和参数选择。

这些思路在测量装置上得以实现。

通过用模拟的噪声信号进行的测试结果表明，测量装置具有很强的抗干扰能力。

哈尔滨工业大学分为两次进行粗测距和精测距。

粗测距先大概估测测距范围，具体的操作是先发送一串超声波，回波信号在控制器计算分析处理。

根据处理的结果设定尽可能合理的鉴幅阂值。

精测距是在此基础之上控制器发送另一串超声波，按照在粗测距中设定的阂值，精测距中的回波前沿被捕捉，实现精确测距目的。

目前，超声技术和扩频通信技术的结合在某些方面已经得到了应用。

西北工业大学应用扩频原理设计了一种液位测量系统，可控声源被使用在其中。

从国内外研究状况可以看出，影响超声波检测精度的因素是测量的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度。

国内外的研究成果使得超声波检测的精度得到了提高，这些处理方法都得到了很好的效果。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。

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。

1.3方案论证

方案一：

CPLD实现

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。

是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。

其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

由于此方法过于复杂，所以对于本课题不适合。

方案二：

模拟电路实现

结合模拟电路的一些放大特性等来实现，其精确性比较高，在一些电路中较常用，深的广大用户的喜爱，功耗小，质量高，使用方便，但价格较贵，对本次设计不易，而且可靠性差，比较复杂，控制不方便，所以此方法对于本课题不适合。

方案三:

数字电路实现

通过数字电路的一些编码和解码特性来设计，但它的精确度不高，容易出现一些不良因数，识字电路虽然集成大于模拟电路但是控制还是不很方便。

所以不适合本设计的要求。

方案四：

单片机实现

MCS-51系列单片机的推广应用进一步促进我国工业技术的改超以及其他的领域的技术更新，自动化，小型智能化方向迈进并且51系列为人们熟悉，市场占有高，开发系统多，单片机应用的重要意义还在于、它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和方法。

原来必须由模拟电路，数字电路实现的大部分功能，现在已通过单片机由软件方法来实现了，因此超声波测距仪采用单片机为核心进行设计。

方案的比较：

方案一的设计复杂，不易检查错误；方案二的设计不易控制；方案三的设计电路烦琐；所以单片机的以其电路简单，方便，成本低等的优点，便于我们使用。

本设计使用单片机实现。

1.4本设计相关说明

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，其中硬件部分主要由超声波发射和接收系统、信号控制和处理系统以及信号的输出和显示系统三个部分组成。

采用AT89S52来实现对各个子模块的控制。

单片机计数器乘以机器周期就是超声波所经历的时间，再用时间乘以声速除以二就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将距离在数码管上予以显示。

软件部分主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。

具体的硬件、软件设计细节，将在本文第二章、第三章和第四章中详细阐述。

1.5基于单片机的超声波测距系统

基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为38kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。

超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。

这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个低电平，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给数码管显示。

利用单片机计时准确，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。

许多超声波测距系统都采用单片机控制的方法。

最常用的超声测距的方法是回声探测法，本设计就使用这种方法。

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。

超声波在空气中的传播速度为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S，即：

S=340t/2。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。

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。

如下图所示：

图1-1超声波的测距原理

超声波传播的距离为:

（1.1）

式中:

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.

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

时.V=349.2m/s）;

（1.2）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

1.6硬件的设计

硬件电路的设计主要包括单片机系统及超声波发射与接收电路、单片机控制与处理电路以及输出与显示电路三部分构成。

图1-2为硬件结构框图。

图1-2硬件结构图

1.7论文结构的设计

仅通过以上介绍可能不能详细的阐述本设计的功能和设计思想，下面将从超声波测距仪的发射与接收、信号的控制和处理、信号的输出与显示以及程序等几个部分详细讲解。

其中将附带系统框图或程序框图，从功能到结构详细介绍。

1.8本章小结

本章概要介绍超声波测距系统的软硬件的基本结构，超声波测距系统的前景和功用，对采用的方案进行了论证。

通过介绍知道以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。

2超声波测距仪的发射与接收系统

单片机给超声波发射系统提供驱动信号，发射系统产生38KHZ的超声波，此时单片机处于计数状态，当超声波遇到障碍物时返回，超声波接收器接收到回波，同时接收系统将给单片机一个低电平信号中断计数。

从而计算出超声波传输的时间，通过单片机的处理计算出障碍物的距离并反馈给显示电路显示。

如图2-1所示。

图2-1发射与接收结构框图

2.1发射系统

发射电路主要由超声波发射器、74LS04反向放大器和一些必要的电路构成，单片机产生的脉冲信号通过74LS04反向放大驱动超声波发射器发射38KHZ的超声波。

如图2-2所示。

图2-2发射系统结构框图

2.1.1超声波发射器

图2-3发射器实物

发射器的作用是形成与被检测对象相作用的超声波束，它的特性包括共振频率、方向性、电声变换效率、稳定性等。

按照应用领域的不同，超声波束可以是强方向性的、扇状的、无方向的形状，还有些发射器附带有调整层，以便发射器与媒质的音内阻抗相匹配。

超声波发射器的驱动机构包括，反压电效应、电致伸缩效应、动电效应、电磁效应、磁致伸缩效应等，它恰好是上述超声波接收的相反作用，所以从结构上看，发射与接收呈一一对应的关系。

2.1.2六位反向放大器74LS04

74LS04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。

74LS04的管脚如图2-4所示。

图2-4HD74LS04内部结构

2.1.3超声波发射电路设计

如图2-5所示。

发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射器T构成，单片机P3.1端口输出的38kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波发射器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波发射器的两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上位电阻R4、R5一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波发射器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

图2-5超声波发射电路原理图

压电式超声波发射器是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发射器内部有两个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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。

超声波发射器与接收器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

2.2接收系统

超声波接收电路由超声波接器、CX20106A红外线遥控接收前置放大电路和一些必要的电路构成，反射回来的回波由超声波接收器捕捉，然后通过CX20106A的放大反馈给单片机终止计数器计数。

图2-6接收部分结构框图

2.2.1接收前置放大电路CX20106

CX20106A红外线遥控接收前置放大电路，多适用于电视机。

内部电路由前置放大器，自动偏置电平控制电路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。

CX20106A是CX20106的改进型，二者之间的主要差别在于电参数略有不同。

CX20106A也同样适用于超声波测试，主要频率在38KHZ~41KHZ，在超声波应用中通常选取38KHZ。

2.2.2CX20106A的引脚注释

l脚:

超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚:

该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。

3脚:

该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF。

4脚:

接地端。

5脚:

该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率

，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，

≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率

≈38kHz。

6脚:

该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚:

遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。

8脚:

电源正极，4.5V～5V。

2.2.3超声波接收电路设计

T40K发射的超声波在空气中传播，遇到障碍物就会返回，返回的部分有超声波接收器接收。

超声波接收部分是为了将反射波（回波）顺利接收到，超声波接收换能器R40K将接收到的反射波转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后得到一个低电平送给单片机的3.2（INT0）引脚，以产生一个中断。

 在这里我采用的是集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。

实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

超声波接收电路如下所示：

图2-7超声波接收电路

2.3发射与接收系统产品装配

综上所述，制作PCB板，装配实物，实物图如图2-8.

图2-8发射与接收系统实物图

2.4本章小结

本章先系统介绍发射系统，从结构功能入手并简要介绍了发射器和74LS04反向放大器；根据原理图详细介绍发射系统的功能结构，信号的具体走向。

介绍完发射系统用相同的方式介绍了接收系统，因为接收器和发射器结构完全相同也就没在介绍，其中重要元器件为CX20106A红外线遥控接收前置放大电路，接收的信号因为有一定的损失，所以将接收到的信号放大再送入单片机。

3信号的处理、控制与输出显示

3.1信号的处理与控制

本设计采用12MHZ晶振，通过振荡电路驱动单片机工作，单片机将12MHZ的频率分频为超声波发射器能够使用的频率为38KHZ的脉冲信号通过P3.1脚发射出去，且单片机计数器计数，接收系统的接收到回波信号后，输出单片机P3.2脚，单片机通过读取P3.2脚信号并停止计数。

单片机通过计数个数先计算出超声波传送的时间，再通过声速计算出接收器与障碍物的距离。

如果接收电路在定时器没有记完的时候要加上没有计完的部分。

电源电路向单片机提供工作电压，当程序出错时复位电路可以让程序回到第一条程序进行执行，当我们按下开关按钮的时候产生发射信号，开关弹起结束发射信号。

图3-1信号的处理与控制结构框图

3.1.1微处理器的介绍

对于信号的处理将使用一块AT89S52单片机，单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器（Microcontroller）。

单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

3.1.2微处理器AT89S52

AT89S52简介：

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图3-2AT89S52引脚分布图

AT89S52芯片共40引脚:

1~8脚:

通用I/O接口p1.0~p1.7

9脚:

  RST复位键

10~11脚:

RXD串口输入TXD串口输出

12~19:

I/Op3接口（12.13脚INT0中断0  INT1中断1

14~15:

计数脉冲T0T116.17:

WR写控制RD读控制输出端）

18~19:

晶振谐振器20地线   

21~28p2接口高8位地址总线

29:

psen片外rom选通端  单片机对片外rom操作时29脚（psen）输出低电平

30:

ALE/PROG地址锁存器

31:

EA/ROM取指令控制器高电平片内取低电平片外取

32~39:

p0.7~p0.0

40:

电源+5V

3.1.3最小系统和复位电路

单片机正常工作时，需要一个时钟电路和一个复位电路来构成单片机的最小系统。

时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号，其有两种时钟方式：

外部时钟和内部时钟。

外部始终是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片单片机同时工作，以便于同步。

本设计使用12MHZ晶振，采用外部时钟方式，AT89S52内部有一个可控制的负反馈反向大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器构成一个自激振荡器。

外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容值虽然没有严格的要求，但是电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、震荡器的稳定性、快速性以及温度稳定性。

出于对测距精度的考虑，本设计采用12MHZ的晶体振荡器，c1和c2的电容值约为30PF。

复位是单片机的初始化操作，只要RST引脚出至少保持两个机器周期的高电平就可以实现复位。

在RST端出现高电平后的第二个周期，执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至RST端变低。

单片机的复位电路有两种：

上电复位和手动复位。

本设计采用手动复位方式。

当按下复位按钮时，电容迅速放电，使RST端迅速变为高电平，复位按钮松开后，电容通过电阻充电，逐渐使RST端恢复低电平。

3.2输出与显示

本系统采用三位一体LED数码管显示所测距离值，码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P0口，分别接数码管a~g和SP端，位码输出端口分别为单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口.数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动

图3-3输出与显示结构框图

3.2.1LED数码管显示原理

LED数码管是通过点亮不同的段码组合来显示数字和字母的。

外观如下图3-4所示。

LED数码管从结构上可分为共阳极和共阴极两种类型。

结构如图3-5，3-6所示，从图3-5和图3-6中我们可以看到共阳极和共阴极数码管的唯一区别在于公共端的极性不同，但两者的显示原理是相同的。

共阴极和共阳极数码管内部都集成了8个LED发光管，这8个LED发光管分别表示段码值：

A.B.C.D.E.F.G.DP。

当对应的LED发光管被点亮时，对应的段码值就会亮起来，通过点亮不同的段码组合，来显示不同的数字和字母来。

具体的对应关系见图3-7（共阳极LED数码管段码表）。

图3-4LED数码管外观图

图3-5共阳极LED数码管内部结构图

图3-6共阴极LED数码管内部结构图

图3-7LED数码管共阳字型（段码）表

3.2.2LED数码管驱动显示原理

要想让LED数码管正确的显示数据，首先要了解一下LED数码管的驱动显示原理。

在单片机系统中，LED数码管的驱动方式主要有动态显示和静态显示两种类型，每种类型的驱动电路各部相同。

本设计使用LED动态显示，动态显示的原理就是，把所有LED数码管相同的段码连在一起，作为数据总线，连接至单片机的I/O端口上，每个LED数码管的公共端单独留出来，作为区分LED数码管的地址线，分别连接到单片机的I/O端口上，在某一时刻，单片机发送要显示的数据到LED数码管的数据总线上，同一时刻接通需要显示数据的数码管的公共端，这样对应的数码管就亮了，而没有选通公共端的数码管，虽然数据端上有数据存在，但是公共端未接通，形不成通路，所以段码就不会亮。

这样就把要显示的数据和数码管的位置就对上了，总体一句话，把待显数据放在数据总线上，同时接通某一数码管的公共端，点亮数码管后，延时一定时间（一般5---10ms左右），然后断开刚才数码管的公共端；再向数据总线发送下一组数据，接通另一个数码管的公共端，再延时一定时间，断开数码管的公共端；用同样方法使所有的数码管都显示一