08超声波测距仪的设计报告.docx
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08超声波测距仪的设计报告
浙江工业职业技术学院
课程设计报告
超声波测距仪的设计
组名第八组
成员徐佳倩王跳跳钱瑜姜婉怡
分院电气电子工程分院
专业电子信息工程技术程技术
班级12电子信息工程技术程技术2班
指导教师金永敏
完成日期2014年5月28日
超声波测距仪的设计
摘要我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。
当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
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，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。
关键词超声波测距仪多测距仪自动化智能化
目录
第一章系统设计........................................................................1
1.1总体方案设计.......................................................................1
1.1.1设计的目的..................................................................1
1.1.2设计的意义..................................................................1
1.2方案设计...............................................................................2
1.3方案论证...............................................................................2
第二章硬件模块设计.............................................................3
2.1各单元模块功能介绍及电路设计......................................3
2.1.1超声波测距原理..........................................................5
2.2电路参数的计算及元器件的选择.......................................5
2.3特殊器件的介绍.....................................................................6
2.4各单元模块的联接.................................................................6
第三章软件设计......................................................................7
3.1软件设计思想方法.............................................................7
3.2软件流程图..........................................................................8
第四章系统测试........................................................................9
4.1系统能实现的功能...............................................................9
4.2系统指标参数测试.................................................................9
4.3系统功能及指标参数分析.....................................................10
第五章设计总结.........................................................................11
致谢...............................................................................................12
参考文献........................................................................................13
附录一超声波测距电路原理图.......................................14
第一章系统设计
1.1总体方案设计
1.1.1设计的目的
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。
1.1.2设计的意义
超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：
1、超声检验
2、超声处理
3、基础研究
超声测距具有下面的优点：
（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体）。
（2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。
（3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。
因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。
1.2方案设计
超声波发生器可以分为两大类：
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。
目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。
根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89C58单片机作为控制器，由单片机产生40KHz的方波，并通过模组接口（J4）送到模组的CD4049，而后面的CD4049则对40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。
1.3方案论证
实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。
第2章硬件模块设计
2.1各单元模块功能介绍及电路设计
硬件部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。
图2-1超声波谐振频率调理电路图
由单片机产生40KHz的方波，并通过模组接口（J4）送到模组的CD4049，而后面的CD4049则对40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。
图2-2超声波回波接受处理电路图
超声波接收处理部分电路前级采用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，比较电压为LM311的3管脚的输入，可由J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式。
图2-3电源接口
J3为外部电源接口，最高电压不要超过12V，J2为电源选择跳线，VCC_5即为由61板通过10PIN排线引入模组的电源；VCC即为模组的放大器、调理电路的供电电源。
当用户使用61板为其供电时，要把VCC与VCC_5V短接；而使用外部电源时，要把VCC与VCC_IN短接。
图2-4测距模式选择跳线
模组提供了测距模式选择跳线J1，可以选择短距测量模式、中距测量模式，或距离可调模式。
跳线选择LOW时为近距测量模式，选择HIG时为中距测量模式；选择SET时为距离可调模式。
图2-4横组接口
用户只需要把前面的电源输入跳线J2、测量模式选择跳J1设置好后，用排线把J5与SPCE061A的IOB口低八位相接，J4与IOB口高八位相接，即可使用了。
2.1.1超声波测距原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离。
D=C*t/2
（1）
C为超声波波速,D为距离。
2.2电路参数的计算及元器件的选择
超声波传感器谐振频率：
40KHz；
模组传感器工作电压：
4.5V~9V；
模组接口电压：
4.5V~5.5V；
2.3特殊器件的介绍
超声波传感器：
采用谐振频率为40KHz的发射、接收分立传感器组，最高驱动电压：
20V。
2.4各单元模块的链接
图2-5结构示意图
一般应用时，只需要用两条10PIN排线把J5与SPCE061A的IOB口低八位连接，J4与IOB口高八位连接，同时设置好J1、J2跳线就完成硬件的连接了。
不同测距模式的选择只需改变测距模式跳线J1的连接方法即可。
第3章软件设计
3.1软件设计思想方法
接收回路中测得的超声波信号共有两个波束，第一个波束为余波信号，即超声波接收头在发射头发射信号（一组40KHz的脉冲）后，马上就接收到了超声波信号，并持续一段时间。
另一个波束为有效信号，即经过被测物表面反射的回波信号。
超声波测距时，需要测的是开始发射到接收到信号的时间差，需要检测的有效信号为反射物反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号，这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。
软件控制脉冲发射、检测回波信号：
模组配套的Demo程序采用的是脉冲测量法，由SPCE061A控制模组发生40KHz的脉冲信号，每次测量发射的脉冲数至少要12个完整的40KHz脉冲。
同时发射信号前打开计数器，进行计时；等计时到达一定值后再开启检测回波信号，以避免余波信号的干扰。
采用外部中断对回波信号进行检测（回波信号送到单片机的为一序列方波脉冲）。
接收到回波信号后，马上读取计数器中的数值，此数据即为需要测量的时间差数据。
为减小测量数据的误差，Demo程序中对测距数据的处理方法是：
每进行一次测距，测量4次，即取得4组数据（实际测量的次数与具体的程序设计有关，以程序为准，这里以4次为例），经过处理后得到这一次测距值。
3.2软件流程图
图3-1测距操作函数程序流程图
图3-2EXT1外部中断流程图
第4章系统测试
4.1系统能实现的功能
三种测距模式选择跳线J1（短距、中距、可调距）：
短距：
3cm~43cm左右（根据被测物表面材料决定），精度1cm；
中距：
44cm~85cm左右（根据被测物表面材料决定）；
可调：
范围由可调节参数确定，当调节在合适的值时，最远测距130cm左右；
4.2系统指标参数测试
硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。
用物体挡在超声波发射接受头上，再用卷尺去测量两者之间的高度，比较误差。
表4测试参数记录表
物体遮挡距离
实际测量距离
误差（物体遮挡距离-实际测量距离）/实际测量距离
15
15
0
20
20
0
46
45
0.022
37
36
0.028
56
54
0.037
78
76
0.026
4.3系统功能及指标参数分析
本次实验我们的基本要求是：
1、能显示测得的距离。
2、距离测量范围为20~80cm。
3、测距响应时间为1秒。
4、能利用按键控制超声波测量。
本次实验测试时，我们组能够显示测得的距离，距离测量范围为3~130cm，能利用按键控制超声波测量。
在短距测量时，物体遮挡距离与实际测量距离一样，精度高；在中距测量时，开始出现误差，误差小；再增加距离，其误差更大。
第5章设计总结
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
超声波测距仪由超声波发生电路、超声波接收放大电路、计数和显示电路组成。
硬件部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。
软件部分主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。
超声波测距的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。
这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。
在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0端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。
致谢
本论文是在金永敏指导老师的悉心教诲指导下完成的，在整个毕业设计期间，得到了导师的认真指导和帮助，导师的严谨学风和渊博学识使本人受益匪浅，在此表示诚挚的敬意和由衷的感谢。
同时要感谢分院领导和老师给我们提供了良好的环境和热心指导。
参考文献
[1]胡萍.超声波测距仪的研制:
计算机与现代化，2003.10.
[2]时德刚，刘哗.超声波测距的研究:
计算机测量与控制，2002.10.
[3]华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：
武汉华中科技大学出版社.2002.
[4]李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：
北京航空航天大学出版社.1993.
[5]陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术（第二版）.武汉：
华中理工大学出版社.1999.
[6]徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社.1999.
[7]苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：
人民邮电出版社.1993.
[8]张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：
中国科技大学出版社.1993.
[9]何莉,曾宪文,徐霞.基于PIC单片机的超声波测距系统[J]:
压电与声光，第26卷第2期,2004,4.
[10]九州.放大电路实用手册.沈阳：
辽宁科技出版社.2002.5.
附录一超声波测距电路原理图
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