超声波测距毕业设计正文.docx

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超声波测距毕业设计正文

1绪论

1.1课题背景

近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波做出精确测量已成可能。

随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。

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。

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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

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。

一般的超声波测距可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

1.2课题研究的目的及意义

本课题的目的是根据超声波测量距离的原理设计出一种超声测距电路，它具有测量精度高、响应速度快、数码显示直观、操作方便、便于携带等特点，并具有一定的应用前景。

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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

道路交通事故是现代社会的一大公害,与之相关的先进安全技术研究日益受到重视。

基于智能交通系统的汽车防撞系统是先进安全技术的一项重要内容,国内外相继开展了相关的研究,但迄今为止在该领域还存在许多尚未解决的问题。

探讨和研究一种在高速公路汽车防撞系统。

在正常行驶时,该系统不报警,当自车与前车之间的距离小于所设定的安全距离并有可能发生碰撞时,该系统将发出报警信息,提醒驾驶员采取相应的措施,以避免碰撞事故的发生。

高速公路汽车防撞系统的研究符合国内外汽车智能化的发展趋势,该系统的应用可以保证高速运行车辆的安全性,提高公路运输效率,具有广泛的应用前景和经济前景。

特别是在空气测距中，由于空气中波速较快，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。

如今，超声测距技术在国防、汽车工业、公路监测及日常生活中也无处不在。

1.3超声波测距的研究现状和发展趋势

迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。

能够全天候工作的毫米波雷达是最为理想的测距传感器，这己是目前国际上公认的结论。

超声测距传感器也可以全天候工作，而且价格低廉、便于安装使用，也是一种较为理想测距传感器。

因此，倘若不考虑从国外进口价格昂贵的毫米波雷达，那么，超声传感器的作用距离问题，就成了当前开发超声测距系统的瓶颈制约。

根据声学理论，超声换能器的机电能量转换效率、超声波传播过程的能量衰减和回波接收电路的处理增益是影响超声传感器作用距离的主要因素。

因此，为扩大超声测距的范围，不能仅仅依赖于大功率超声测距传感器，还必须从以下两个方面采取措施：

其一、优化换能器的机械结构、电子线路和机电阻抗匹配参数，以提高换能器的机电能量转换效率；其二、增加滤波电路或采用基于微处理器的自适应噪声抵消器对回波信号进行预处理，增大后续信号处理算法的处理增益，以提高超声测距仪的输出信噪比。

只有这样，才可能研制出功耗低、量程大（20～40m）而且价格低廉的超声测距系统。

毋庸置疑，超声传感器的研制成功，不仅有益于促进科技进步、加快国内超声测距系统的开发进程，而且具有相当广阔的市场前景。

2超声波测距原理

2.1超声波

2.1.1超声波概念

超声波是一种机械波，是机械振动在媒介中的传播过程。

超声波是人耳听觉阀值以上的振动，频率范围在10kHz到1THz之间，常用频率大约在10kHz到10MH之间。

超声波的波型分纵波、横波、瑞利波和表面波。

超声波按传播方式可分为纵波和横波。

纵波的传播方向与质点的振动方向一致，纵波可以在气液和固体中传播。

横波的传播方向垂直于质点的振动方向，横波只能在固体中传播。

超声波的物理性质有：

反射与折射、衰减与吸收、叠加与干涉等。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

2.1.2超声波传播速度

由于超声波也是一种声波，超声波在传播介质中的传播的速度和介质的特性有关。

理论上，在13℃的海水里，声音的传播速度是1500m/s。

在25℃的空气中传播的速度是344m/s。

超声波的传输特性和声波一样，超声波在空气中传播时，空气的温度、大气压力、湿度等都对超声波的声速有影响，其中温度对速度的影响最大。

超声波在空气中传播时，传输速度和温度的关系可以由公式（2-1）来表示：

C=331.45+0.61T（2-1）

在测量过程中，如果温度变化不大，则可以认为声速是不变的。

如果对测量精度要求较高，为了减小误差，避免因环境温度变化而带来的偏差，必须对环境温度进行检测，通过温度补偿的方法对声速进行校正，以实现能够精确测量。

2.1.3超声波频率

超声波在传播过程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为

（2-2）

其中，

衰减系数，b为介质常数，

为振动频率。

在空气中，

。

其物理意义为，声波在空气中传播，由于空气运动摩擦的原因，能量被吸收损耗。

由公式（2-2）可知，超声波的频率越高，衰减也就越大，其传播的距离也就越短。

传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。

如图2-1所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，波的传播距离也就越短。

图2-1声压在不同距离下的衰减特性

超声波传感器的工作频率是测距系统的主要参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损耗，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感其的尺寸。

对于不同占空比的超声波，其发送接收效率不同，一般占空比为50%频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳。

2.2超声波测距原理

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离

测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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12.0MHz晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。

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要求。

超声波发生器可以分为两类：

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。

本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

通常，超身波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动，便产生超声波。

在超声波探测电路中，发射端输出一系列脉冲方波，输出脉冲个数与被测距离成正比。

超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。

本文硬件设计采用超声波往返时间检测法,其测量原理图如图2-2所示。

图2-2超声波测距原理图

传感器发出超声波,但并不是单独发射一个脉961冲,而是一串的几个脉冲,并对测量逻辑电路提供一个短脉冲,开始计时,超声波接收器接收到遇到障碍而返回的脉冲串1前端,同样也对测量逻辑电路提供一个短脉冲,计时结束,这就得到了超声波运行时间间隔t（s）,结合空气中超声波传播速度v（m/s）,根据运动定律,我们便得到所要测量的目标距离。

S=Vt/2（2-3）

这就是渡越时间测距法。

其中,超声波在空气中传播的速度V和空气的温度有关。

根据设计要求并综合各方面因素，波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。

其系统原理框图如图2-3所示。

可以采用STC89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图2-3所示：

图2-3超声波测距系统原理图

2.3温度补偿

在理想气体中,超声波传播速度可表述为:

（2-4）

其中,

为气体的比热值,R为气体常数,T为热力学温度,

为气体的分子量。

由（2-4）可知:

声速与热力学温度的平方根成正比,温度越高声速越大。

实验表明,实用的温度值经验公式为:

（2-5）

3超声波测距方案的选择

3.1超声波测距方案的设计要求

超声测距电路具体设计要求：

（1）测距系统:

由传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。

（2）控制系统:

本系统以单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各种接口电路进行控制，发射脉冲，接收返回的信号，结合温度补偿从而测出距离。

（3）电源电压：

220V±10%50Hz（或9V电池）；测量范围：

0.5~4.5M；

分辨率：

0.01M；测量精度：

≤±2%；响应时间：

≤2S；

3.2系统方案比较与选择

方案1：

利用分立模块的超声波测距应用电路设计

系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分。

超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制（如图3-1所示）；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。

显示模块是一个8位段数码显示的LED；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。

电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供系统各部分电路使用。

图3-1超声波测距模块组硬件框图

优点：

具有历史数据存储功能、出错管理功能。

缺点：

能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高。

方案2：

基于STC89C52单片机的超声波测距应用电路设计

超声波测距应用电路主要以单片机STC89C52为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。

一般情况下，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的距离s，即S=Vt/2，这就是常用的时差法测距;其中,超声波在空气中传播的速度V和空气的温度有关。

在理想气体中,超声波传播速度可表述为:

（3-1）

其中,

为气体的比热值,R为气体常数,T为热力学温度,

为气体的分子量。

由（3-1）可知:

声速与热力学温度的平方根成正比,温度越高声速越大。

实验表明,实用的温度值经验公式为:

（3-2）

对于T值,可使用温度传感器采集并送给单片机进行计算。

在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：

测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步;当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。

双向超声波测距的系统主要有几下部分组成（如图3-2所示）：

LED显示模块，STC89C52芯片，超声波发射模块，超声波接收模块，电源模块、温度补偿六大模块组成。

图3-2系统设计总体框图

优点：

双向测距，精度高，功耗低。

在电路中我们采用51芯片它的优点是：

精简指令使其执行效率大为提高；彻底的保密性；

其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。

基于上述两种方案的比较，方案1，测量盲区较长，结构复杂且稳定性不高。

方案2，能进行双向测距，精度高，功耗低，模块简单，稳定性高。

所以选用方案2。

4系统硬件设计

4.1硬件电路整体结构说明

超声波测距系统设计框图如图4-1：

图4-1超声波测距器系统设计框图

系统主要由4个部分组成：

单片机控制部分，数码管显示部分，超声波发射部分和超声波接收部分。

系统采用STC89C52单片机对CX20106A红外接收芯片和HC-SR04系列超声波转换模块的控制。

单片机通过P1.1引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测P1.2引脚，当P1.2引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。

计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

在设计时将超声波发射电路和超声波检测接收电路两部分看做成一个模块，单片机系统及显示电路单独作为一个模块来控制超声波发送与接收。

超声波发射和超声波检测接收所组成的模块有四个接口分别为：

VCC、TRIG、ECHO、GND，其中VCC接5V的电源，TRIG为触发信号输入接STC89C52单片机的P1.2口，ECHO为回响信号输出接STC89C52单片机的P1.1，GND和STC89C52单片机应共地。

该模块提供2cm到450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm。

该模块的基本工作原理为：

采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；模块接收单片机发送的40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=（高电平时间*声速）/2。

单片机控制电路通过程序来控制超声波发送与检测接收和驱动数码管显示所测的距离。

4.2电源设计

在本系统中，使的电源为+5V的直流电，电源电路如图4-2所示

图4-2电源电路图

电源电路采用三端集成稳压电路L7805CV进行稳压。

该电源电路的输入为220V，50Hz的交流电，利用4个二极管的单向导电性组成一个桥式电路将正弦交流电转换为单向脉动电压。

然后用两个电容C1和C3将脉动直流电压中交流分量滤除，形成平滑的直流电压。

再将经滤波所得到的电压经过三端集成稳压电路LM7805进行稳压以保证输出电压为稳定的5V直流电压。

L7805CV集成稳压器是将功率调整管﹑取样电阻﹑基准电压﹑误差放大﹑启动和保护等全部集成在一块芯片上，具有特定的输出电压的稳压集成电路。

其三端分别为电压输入端﹑电压输出端和公共接地端。

L7805CV集成稳压器输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；输出电流不能太大，1.5A是其极限值。

大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；输入输出压差也不能太小,大小效率很差。

4.3STC89C52单片机

控制部分本系统选用的是STC89C52单片机。

控制部分本系统选用的是STC89C52单片机。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89X52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。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

此外，STC89C52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

1．主要特性：

8K字节程序存储空间；

512字节数据存储空间；

内带2K字节EEPROM存储空间;

可直接使用串口下载；

2．管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。

P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（计时器0外部输入）

P3.5T1（计时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C52的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。

STC89C52单片机引脚图如图4-3所示。

图4-3STC89C52单片机引脚图

4.4单片机控制与显示系统

单片机控制与显示系统采用STC89C52单片机来作为主控，系统采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差。

单片机用P1.1端口输出超声波换能器所需的40kHz方波信号，利用外中断INTO口检测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，断码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。

单片机系统及显示电路如图4-4所示。

图4-4单片机控制与显示系统

4.5单片机复位电路

在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。

为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。

只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。

单片机复位电路通常采用以下几种方式：

a、上电自动复位

在通电瞬间，由于R·C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

图4-5上电复位电路

b、按键电平复位

通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。

c、系统复位

在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。

这特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。

考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。

4.6时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。

X1是接外部晶体管的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。

图4-6晶振电路

电路中的C1和C2一般取20PF左右，而晶体振荡器的频率范围