超声波测距.docx

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超声波测距

超声波测距

超声测距

该电子产品－超声测距仪是在按键的步进控制下实现在30cm～120cm的距离探测，并具有数码管实时显示探测距离值功能，设定距离值报警功能，手动调整报警范围等功能。

1.硬件电路原理设计

该超声测距仪其硬件电路框图如图1所示（虚线框图电路不在机器内部PCB电路板上）。

整个电路可分为电路板供电电路，超声波发射接收电路，控制、显示及报警电路三个大的部分。

交流220V的市电经经变压、整流滤波、稳压的处理后输出±12V和+5V的恒定直流电压供应整个电路各个部分电源使用。

脉冲产生电路产生的40KHz的脉冲信号经驱动电路驱动功率后进如超声波发射器，让其发出超声波。

超声波接收器接受到发射器发出的超声波信号后经信号方大、处理比较后进入单片机微控制器，单片机将进行计算分析后在数码管显示模块显示出当前测量距离值。

并与从按键处设定的报警上下限值进行比较，当超出其所设定值时，报警电路将启动，红色警报灯点亮。

图1硬件电路框图

下面将分别按照上面陈述的电路分三个部分进行分析，图2是其电路原理图

图2硬件电路原理图

1.1电路板供电电路设计

电路板供电电路如图2所示，220V的市电经变压器变压后输出两路交流15V电压，此电压经整流、滤波处理后输出±15V直流电压，分别经三端集成稳压芯片U1（7812）,U2（7912），输出恒定的+12V电压和-12V电压，这两路电压提供运放芯片所需电源及PCB板电路部分需要电压。

+12V电压经U3（7805）后输出恒定+5V电压，供应单片机、555芯片等芯片所需电源。

图2电路板供电电路原理图

1.2超声波发射接收模块设计

超声波发射接收模块电路如图4所示，单片机PD7端口控制脉冲产生电路的启动与否，脉冲产生电路由555芯片接成多谐振荡器，选取合适的元器件参数，U4（555芯片）第三脚将输出40KHz的矩形波脉冲信号，此信号经反相器U5（CD4049）接成的驱动电路后进入超声波发射器，由电压信号转换为机械信号，发射出超声波。

555芯片输出信号同时将此信号反馈到单片机PD3端口，当单片机接收到此脉冲信号的上升沿，将触发其内部定时技术器工作，开始测距。

此反馈接法也调高了测距精度。

超声波接受器接到发射器产生的超声波信号后（正弦波）经运放芯片U6（LM358）两路放大后输入运放芯片U7（LM311）的同向输入端进行信号比较，反向输入端的基准电压信号通过调节精调电位器VR2获取，此电压调节电路即超声测距仪测量灵敏度调整部分。

U7同时具有去除干扰信号等功能。

经电压比较后的得到+12V矩形波脉冲信号经反相器U5将得到+5V的矩形波脉冲信号，输入单片机PD2端口触发中断，单片机内部计数器停止计算。

对所测距离进行计算分析。

J2,J3端口连超声测距仪后面板的超声波发射接收器。

图4超声波发射接收模块原理图

1.3控制、显示及报警模块设计

超声测距仪采用ATMEGA16单片机作为微控制器。

其控制电路图如图5所示。

I/O口PA和PB部分端口分别连接前面板四位数码管的段选端和位选段。

ATMEGA16单片机内部具有上拉电阻，具有很强的带负载能力，因此I/O端口未加三极管驱动电路便与LED数码管相连，而限流电阻放置于前面板的数码管段选端上，减少PCB板的元器件数。

J6端子座连接前面板的按键模块。

J7为单片机JATA接口，使超声测距仪具有产品程序维护，升级功能。

图5控制电路原理图

超声测距仪的报警电路如图6所示。

当所测量距离范围在报警设置值内，单片机PC7端口将输出高电平控制继电器的导通。

此时报警指示灯点亮。

继电器输出端子座连接超声测距仪前面板的报警接口，此报警接口可外接电路设备（如电动机）作为超声测距仪的扩展功能。

图6报警电路原理图

2软件设计

2.1算法特点

应用中值法：

采样数据中的5个数据，舍去其中的最大值和最小值之后，求取平均值有利于测量的精确性，提高测量精度，减少实属浮动，是我们此次程序算法的一大亮点；算法：

超声波的速度等于2倍超声波的路程/时间，即V=2S/T，所以距离=V*T/2应用公式假设声速为340m/s，则1cm时间=1/17000=58.852us，所以130cm的时间等于58.852*130=7.647ms，在此我们选用了定时计数器T1、8分频，即定时计数器T1计数时间为1/1000000=1us，用以提高精度定时计数器T1计满所用的时间等于65535*1=65.535ms，超声波可以走65.535/58.852*1000=1113.556cm，所以有充足的量程，然后我们在这里应用了超声波的声速算法公式，即V=331.4*sqrt（1+T/273）（T为温度），让计算出来的数值更加精确，而我们的误差修正则用了计算值-实际误差系数的方法而不是乘以误差系数，因为实际测量时由于超声波接收换能器有个起振过程，所以决定了一开始本因接收到的超声波，没接收到，使测量时间恒长于实际时间，所以测量值恒大于实际值一定的值，而且当距离变远时，接收到的幅度下降不大，反而是噪声大幅提高，从而使最后的比较器连噪声也通过了，造成无法正常视数，所以，误差系数变化很小连1mm都没有，所以这里我们采用了做差的方法，在加上我们采用了double变量，精确到小数点后很多位，提高精度；误差累计修正及滤波：

一阶滤波，滤波系数为0.1软件滤波减少干扰，应用C语言的四舍五入函数ceil，避免累积误差和视数抖动；

2.2程序框图

开始端口初始化设置后，开始发射超声波，待接收到超声波发射反馈信号后进入外中断INT1中断程序，置位标志位后跳出死循环；延迟200us，待接收到超声波接收信号进入外中断INT0中断程序或者是定时计数器T1计满溢出进入相应中断程序，置位标志位后跳出死循环显示；开始进行计算,后将值显示。

然后再判断是否再报警距离以内，报警与否；接着按键扫描，判断是设置报警下限还是报警上限，是步进加1cm还是步进减1cm，最后延迟显示；不断循环。

图7超声测距仪主程序

图8超声测距仪子程序

3．创新点

3.1超声波发射模块中脉冲信号的产生。

超声波发射模块所需的脉冲信号由555芯片接成多谐振荡器电路产生矩形波脉冲信号，因所选取的超声波发射器在40KHz的脉冲信号驱动下，其发射功率将会最大，并且信号的占空比也会有影响，而50%的占空比最佳，图10是555多谐振荡器的基本接法，其脉冲周期T=t1+t2。

t1代表充电时间（电容两端电压从DDU上升到DDU所需时间）

t1≈0.7（R1+R2）C

t2代表放电时间（电容两端电压从DDU下降到DDU所需时间）

t2≈0.7R2C

因而有T=12t+t≈0.7（R1+2R2）C

对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个参数占空比q，

q=T/tP因此我们在此选用了10K电阻和10K滑动变阻器再加上102，实现这一目的，如图11所示。

并且我们在此应用了反馈信号，使测量值更加准确。

图9多谐振荡器电路图10多谐振荡器电路

3.2AVR单片机复位电路

AVR单片机内部有上电复位电路，开机时会自动产生复位电平，从而使单片机自动复位，因此我们节省了一些成本。

3.3按键和555驱动设计

由于考虑到AVR单片机单口内部都自带了上拉电阻，有很强的驱动能力，因此我们节省了按键部分的上拉电阻和555芯片控制部分的三极管和部分电阻，从而节约成本。

3.4上限过值报警

按键设置键时不但可以设置下限报警，还可以设置上限报警，当距离高于设置值时，自动报警。

3.5回差设置

为了避免视数抖动时，继电器反复开关伤害继电器本身，也不实用，所以我们设置了回差报警回差值为1cm。

附件

#include

#include

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

ucharTAB[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xFF,0xC6,0x89,0xC7,0xBF};

//定义数组用以数码管显示查表，分别为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，无，C，H，L，-

ucharH=1,L=0,Back=0,Gi=0,Go=0,Clear=0,Out1=0,Out2=0,Out3=0;

//定义标志位，H为高位设置标志位、L为地位设置标志位、Back为按键返回标志位、Gi为延迟重复标志位、Go为按键跳出标志位

//Clear为无接受信号标志位、Out1为外反馈信号中断标志位、Out2为接收信号中断标志位、Out3为定时器溢出标志位

uintJuLi=30,Max=120,Min=30,Distance=0;

//定义变量，JuLi为之前距离值及显示变量、Max为最大值设置变量、Min为最小值设置变量，Distance为当前距离值变量

interrupt[EXT_INT0]voidext_int0_isr（void）

{

TCCR1B=0x00;

Out2=1;

Clear=0;

GICR=0x00;

GIFR=0x00;

}

//外部中断INT0服务子程序，当接收到外部接收信号下降沿时进入终端服务子程序

//关闭定时计数器T1，置位中断标志位Out2，清零无接收信号标志位Clear，关闭外中断

interrupt[EXT_INT1]voidext_int1_isr（void）

{

TCCR1B=0x02;

Out1=1;

GICR=0x40;

GIFR=0x40;

}

//外中断INT1服务子程序，当接收到外部反馈信号下降沿时进入终端服务子程序

//开启定时计数器T1，置位中断标志位Out1，开启外中断INT0

interrupt[TIM1_OVF]voidtimer1_ovf_isr（void）

{

TCCR1B=0x00;

Out3=1;

Clear=1;

}

//定时计数器T1溢出中断服务子程序，当无接受到信号时，定时计数器计满自动中断，表明无接收到信号

//关闭定时计数器T1，置位标志位Out3，置位无接收信号标志位Clear

voidPanDuan（void）//报警判断子程序

{

uchara;

if（Clear==1）//判断是否无接收到信号，（是，将要判断的距离设置在最大值和最小值之间）

{

a=JuLi;

JuLi=（Min+Max）/2;

}

if（JuLi>Min&&JuLi

{

PORTC.7=0;

}

if（JuLiMax）//判断是否在安全距离之外，（是，开报警器）

{

PORTC.7=1;

}

if（JuLi==（Min+Max）/2）//判断是否被设置在最大值和最小值之间，即无接收到信号，（是，还原距离值）

{

JuLi=a;

}

}

voidDelay_X（uintDisPlay）//按键延迟服务子程序

{

uchari,j,ab[4];

uintx;

for（j=0;j<25;j++）//重复延迟25次，延迟时间为25*4等于100ms

{

x=DisPlay;//将显示的数值送入显示变量x中，避免动态扫描出现无显示情况

for（i=0;i<3;i++）//将显示的值送到数组ab【4】中

{

ab[i]=x%10;

ab[i]=TAB[ab[i]];

x=x/10;

}

if（H==1）//判断是显示高位H，还是低位L

{

ab[3]=TAB[12];

}

if（L==1）

{

ab[3]=TAB[13];

}

for（i=0;i<4;i++）//移位显示数值

{

PORTA=（0x01<

PORTB=ab[i];

delay_ms

（1）;

PORTB=0xFF;//***重点***//避免会出现不该又显示的，显示了视数值的像

}

}

Gi++;

if（Gi==5）//判断重复显示次数是否为5，即延迟为5*100等于500ms，避免按键时跳出按键程序

{//置位按键返回标志位Back

Back=1;

}

}

voidJia（void）//步进加1cm子程序

{

Back=1;//置位返回标志位Back，即按下加键后，设置键有返回功能

PanDuan（）;//判断警报与否子程序调用，//***重点***//在设置时，一旦先前距离在设置警报距离内，开警报

if（H==1）//判断是设置高位

{

if（PORTD.5==0&&Max<120）//判断是否按下加键，同时要求设置距离不大于量程最大值测量距离，（是，步进加1）

{

Max++;

}

Delay_X（Max）;//延迟100ms显示，避免按键抖动，也保证的按键有自动累加功能，即按住加按键会步进加1cm

}

if（L==1）//判断是设置低位

{

if（PORTD.5==0&&Min

{

Min++;

}

Delay_X（Min）;//延迟100ms显示，避免按键抖动，也保证的按键有自动累加功能，即按住加按键会步进加1cm

}

}

voidJian（void）//步进减1cm子程序

{

Back=1;//置位返回标志位Back，即按下减键后，设置键有返回功能

PanDuan（）;//判断警报与否子程序调用，//***重点***//在设置时，一旦先前距离在设置警报距离内，开警报

if（H==1）//判断是设置高位

{

if（PORTD.6==0&&Max>Min）//判断是否按下减键，同时要求设置距离不小于最小值，（是，步进减1）

{

Max--;

}

Delay_X（Max）;//延迟100ms显示，避免按键抖动，也保证的按键有自动累减功能，即按住加按键会步进减1cm

}

if（L==1）

{

if（PORTD.6==0&&Max>30）//判断是否按下减键，同时要求设置距离不小于量程最小测量距离，（是，步进减1）

{

Min--;

}

Delay_X（Min）;//延迟100ms显示，避免按键抖动，也保证的按键有自动累减功能，即按住加按键会步进减1cm

}

}

voidHorL（void）//最小报警距离和最大报警距离设置判断程序

{

uchara=0;

while（a==0）//第一次按下设置键后，在案件程序下死循环

{

if（PORTD.5==0）//判断是否按下加键，是（跳入加子程序）

{

Jia（）;

}

if（PORTD.6==0）//判断是否按下减键，是（跳入减子程序）

{

Jian（）;

}

if（H==1）//判断延迟显示为高位还是低位

{

Delay_X（Max）;

}

if（L==1）

{

Delay_X（Min）;

}

if（PORTD.4==0&&Back==1）//判断是否第二次按下设置键，同时返回标志Back是否置位，（是，设置各标志位）

{//***重点***//设置显示低位设置，同时置位跳出按键程序标志位Go

H=0;

L=1;

Back=0;

Gi=0;

Go=1;

}

if（PORTD.4==0&&Back==1&&Go==1）//判断是否第三次按下设置键，同时返回标志Back是否置位，即跳出按键标志位Go是否置位，

{//（是，设置个标志位）//***重点***//设置下次按下设置键时一样从高位开始显示，

H=1;//跳出死循环标志为a置位

L=0;

Back=0;

a=1;

Gi=0;

Go=0;

}

}

delay_ms（200）;//延迟200ms，防止设置键按键抖动

}

voidKey（void）//设置键按键判断子程序

{

uchari;

for（i=0;i<10;i++）//重复10次，判断是否按下设置键

{

if（PORTD.4==0）

{

HorL（）;

}

}

}

voidLED_Show（uchard）//数码管动态扫描显示距离子程序，变量d为延迟显示时间

{

uchari,j,ab[4];

uintx;

doublea,b;

Key（）;//***重点***//确保在延迟显示距离时，设置键依然有效

a=Distance;//将现在测量到的距离送入变量a中

b=JuLi;//将之前测量到的距离送入变量b中

if（Clear==1）//判断是否无接收到接收信号，（是，保留之前的距离值）

{

a=JuLi;

}

a=ceil（0.9*a+0.1*b）;//一阶滤波，滤波系数为0.1软件滤波减少干扰，应用C语言的四舍五入函数ceil，避免累积误差和视数抖动

JuLi=a;//将处理后的当前距离值送入显示变量JuLi中

for（j=0;j

{

if（JuLi<=130&&JuLi>=100&&Clear==0）//判断是否在130cm到100cm之间，同时接收到信号，（是，显示为XXX）

{

x=JuLi;

for（i=0;i<3;i++）

{

ab[i]=x%10;

ab[i]=TAB[ab[i]];

x=x/10;

}

ab[3]=TAB[10];

for（i=0;i<4;i++）

{

PORTA=（0x01<

PORTB=ab[i];

delay_ms

（1）;

PORTB=0xFF;

}

}

if（JuLi<100&&JuLi>=10&&Clear==0）//判断是否在99cm到10cm之间，同时接收到信号，（是，显示为XX）

{

x=JuLi;

for（i=0;i<2;i++）

{

ab[i]=x%10;

ab[i]=TAB[ab[i]];

x=x/10;

}

ab[2]=TAB[10];

ab[3]=TAB[10];

for（i=0;i<4;i++）

{

PORTA=（0x01<

PORTB=ab[i];

delay_ms

（1）;

PORTB=0xFF;

}

}

if（JuLi<10&&JuLi>=6&&Clear==0）//判断是否在9cm到6cm之间，同时接收到信号，（是，显示为X）

{

x=JuLi;

for（i=0;i<1;i++）

{

ab[i]=x%10;

ab[i]=TAB[ab[i]];

x=x/10;

}

ab[1]=TAB[10];

ab[2]=TAB[10];

ab[3]=TAB[10];

for（i=0;i<4;i++）

{

PORTA=（0x01<

PORTB=ab[i];

delay_ms

（1）;

PORTB=0xFF;

}

}if（JuLi>130||JuLi<6||Clear==1）//判断是否在130cm以上或者6cm一下或者无接收到信号，（是，显示为----）

{

x=JuLi;

for（i=0;i<3;i++）

{

ab[i]=TAB[14];

}

for（i=0;i<4;i++）

{

PORTA=（0x01<

PORTB=ab[i];

delay_ms

（1）;

PORTB=0xFF;

}

}

}

}

FaShe（doubleT,doubleXiShu）//发射超声波子程序，变量T为温度系数，变量XiShu为误差系数

{

uchari;

uintz=0,ad[5],min,max;

doublex;

for（i=0;i<5;i++）//重复发射和接收5次，作为采样，供精准运算使用

{

TCCR1A=0x00;

TCNT1H=0x00;

TCNT1L=0x00;//设置定时计数器T1初始值为0

GICR=0x80;

GIFR=0x80;//启用外中断INT1

MCUCR=0x0E;//设置外中断INT1为上升沿中断，INT0为下降沿中断

MCUCSR=0x00;

TIMSK=0x04;//设置定时计数器为8分频

SREG.7=1;//开启总中断

PORTD.7=1;//发射超声波

while（!

（Out1==1））;//判断是否接收到反馈信号，（是，跳出死循环）

delay_us（200）;//延迟200us发射超声波

PORTD.7=0;//关闭发射超声波

delay_us（200）;//延迟200us避免超声波直波干扰

while（!

（Out2==1||Out3==1））//判断是否接收到超声波接收信号或者是定时计数器计满，（是，跳出死循环显示）

{

LED_Show

（1）;

}

ad[i]=TCNT1L;//将定时计数器T1的低位数据送入数组ad【5】

ad[i]=ad[i]+TCNT1H*256;//将定时计数器T1的值计算出来并送入ad【5】

Out1=0;

Out2=0;

Out3=0;//清零所有中断标志位

SREG.7=0;//关闭总中断

LED_Show（10）;//延迟显示时间为10*4=40ms，避免超声波回波干扰，超声波走1cm的时间为1/17000=58.852us

}//即超声波走130cm的时间为58.852*130=7.647ms，因此我们延迟足够长的时间

min=max=ad[0];

for（i=1;i<5;i++）//计算出测量5次中的最大值和最小值

{

if（max

if（min>ad[i]）min=ad[i];

}

for（i=0;i<5;i++）//计算测量5次值的和

{

z=z+ad[i];

}

x=（z-min-max）/3;//计算舍去最大值和最小值，求平均值

//**************************重点***********************//

//中值算法

//采样数据中的5个数据，舍去其中的最大值和最小值之后，求取平均值

//有利于测量的精确性，提高测量精度，减少实属浮动，是我们此次程序算法的一大亮点

x=x*331.4*sqrt（1+T/273）/20000-XiShu;

//**************************重点**********************//

//时间算法

//超声波的速度等于2倍超声波的路程/时间，即V=2S/T，所以距离=V*T/2

//应用公式假设声速为