超声波测距仪的设计毕业论文.docx

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超声波测距仪的设计毕业论文

摘要

随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。

还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。

于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。

超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。

而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。

超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。

目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，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。

在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。

此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。

随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。

目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。

与其他测距方法相比较，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。

关键词：

超声波；测距；电子电路

Abstract

Withthedevelopmentofsociety,thetraditionalrangingmethodonmanyoccasionshasfailedtomeetthedemandsofthepeople,forexampleinthewelldepth,liquidlevel,pipelengthandsoon,thetraditionalrangingmethodcan'tfinishthetaskofmeasurement.Andinmanyrequirementsundertheconditionofthereal-timelocation,thetraditionalmethodisalsodifficulttoperformacompletemeasurementrangeoftasks.Theseuniqueadvantagesofultrasonicmoreandmoreattentionbypeople.

Atpresentthedemandforultrasonicaccuratelocationismoreandmorebig,suchasoilterminalandtheliquidsurfacewatertankprecisemeasurementandcontrol,theobjectofthestomatasizeintestingandmechanicalinternaldamagedetection,etc.transportationandotherindustrialareasalsohavewidelyapplication.Inaddition,inmaterialscience,medicine,biologicalsciencesandalsoaccountedforaimportantpositionin.

Alongwiththecomputertechnology,automationtechnologyandthedevelopmentofindustrialrobotsandthewidespreadapplication,locationproblemisbecomingmoreandmoreimportantComparedwithotherrangingmethod,ultrasonicranginghasthefollowingadvantages:

（1）tolightandcolorultrasonicnotsensitive,canbeusedtoidentifytransparentanddiffusesexualdifferenceofobjects（suchasglass,polishingbody）.

（2）ultrasonicoutsidelightandtheelectromagneticfieldstonotsensitive,andcanbeusedinthedark,dustorsmoke,electromagneticinterferenceisstrong,suchastoxicbadenvironment.

（3）ultrasonicsensorsimplestructure,smallvolume,lowcost,technicaldifficultiessmall,informationprocessing,simpleandreliableeasytominiaturizationandintegration.Performanceoptimization;Performancesimulation;Automaticexchangeopticalnetwork

KeyWords:

Ultrasonic；ranging；electroniccircuit

第1章绪论1

1.1课题背景及设计意义1

1.2本课题研究的主要内容2

第2章系统方案论证4

2.1超声波测距仪的设计原理4

2.2超声波测距技术选型4

2.3控制器选型6

2.3.1单片机选型7

2.3.2AT89S51主要性能参数及功能8

2.4超声波发生器选型8

2.5超声波接收传感器选型9

2.6显示单元选型9

2.7语音播报电路选型10

2.8温度传感器的选型10

第3章系统的硬件结构设计12

3.1单片机最小系统12

3.2超声波发射电路13

3.3超声波检测接收电路15

3.4显示单元电路16

3.5语音播报电路18

3.6电源电路设计20

第4章系统的软件设计22

4.1超声波测距仪的算法分析22

4.2主程序流程图22

4.3超声波发生子程序和超声波接收程序24

第5章系统调试仿真26

5.1proteus软件简介26

5.2仿真调试结果27

第6章总结与展望29

参考文献30

致谢31

附录程序清单32

第1章绪论

利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波（20kHz以上的机械波），借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。

本文阐述的是利用超声波进行一些特殊场合距离测试。

1.1课题背景及设计意义

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。

但就目前的急速水平来说，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，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，满足日益发展的社会需求。

但是，由于历史原因合成时间的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。

因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。

城市污水给人们带来了困扰，因此，箱涵的排污疏通对打城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。

而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。

控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。

因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。

这就是我设计超声波测距仪的意义。

超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。

1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。

此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。

由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于超声处理技术中。

20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。

1917年，法国物理学家PaulLangevin用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。

随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器[1]。

材料科学的发展，使得应用广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜（PVDF）[2]等。

产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。

产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。

如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。

利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波（20kHz）以上的机械波），借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。

由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，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声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。

它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。

超声波方法在某些方面具有突出的优点：

（1）超声波对色彩、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）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，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

因此超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。

特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，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。

1.2本课题研究的主要内容

本次课题设计的目的为：

具有超声波测距功能，测量距离0.20m~5.00m测距精度±1㎝；具有测量距离数值无线传输功能；实时显示测量的距离，显示格式为：

X.XXm。

汉字提醒显示：

距离在0.40m~1.00m，显示“危险距离”并用红色LED灯指示；距离在1.00m~2.00m，显示“保持距离”，并用黄书LED灯指示；距离在2.00m以上，显示“安全距离”并用绿色LED灯指示。

具有实时语音播报功能，实时播报测量距离数值，格式：

X.XXm,实时播报时间间隔≤10s，实时播报声音清晰明亮、无明显失真，在1m距离处人耳能准确分辨。

语音播报要与显示同步。

超声波是指频率高于20KHz的机械波。

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。

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[2]。

本设计主要是基于AT89S51芯片为核心的超声波测距仪，74LS04组成的超声波发射电路、并有超声波处理模块CX20106A、液晶显示等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LCD显示电路语音播报电路。

主要实现超声波测距并指示功能。

依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路。

本系统成本低廉，功能实用。

本设计框图如图1.1所示：

图1.1超声波测距系统框图

第2章系统方案论证

本章节阐述超声波测距仪的设计原理，测距技术选型。

通过对比各类型控制器选择单片机为控制器并最终选择AT89S51单片机，并说明了选择原因以及功能、特性。

在超声波发生器的选择上选用了适合近距离测量的电气方式超声波发生器并采用反射波方式进行测距。

超声波接收传感器采用了性价比较高的压电晶片，其工作频率、灵敏度下文将会介绍。

显示单元通过分析各类型显示屏采用了12864液晶显示屏。

2.1超声波测距仪的设计原理

超声波测距仪工作原理：

单片机发出40khz的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接受器将接受到得超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行辨别、计算，得出距离数并显示和送语音播报模块播报。

其计算公式为：

S=340t/2（2.1）

2.2超声波测距技术选型

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340米/秒，由控制器负责计时，控制单元使用12.0MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级[3]。

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。

根据设计任务、控制对象和现有条件本系统硬件电路采用由单片机最小系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路无线通信电路以及语音播报电路构成。

本超声波测距仪的具体工作过程如下，单片机控制的振荡源产生40kHz的频率信号来驱动超声传感器。

每次发射包含6个脉冲左右,当第一个超声波脉冲发射后,计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，得到从发射到接收的时间t后,单片机读取温度值补偿声速,利用测距公式可计算出被测距离，同时由无线通信模块将测量数据传到下位机进行显示和语音播报。

系统总体框图如图2.1；图2.2所示。

图2.1发射模块

图2.2接收模块

2.3控制器选型

控制器可分为DSP、FPGA、单片机等。

本设计通过对比分析选择了单片机作为整个系统的控制器。

下面分别对这三种控制器进行论述，并说明的选择单片机作为控制器的理由。

DSP控制器：

DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。

再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

　　DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：

（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

　　（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

　　（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；

FPGA控制器：

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

单片机控制器：

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。

它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。

单片机的主要特点有：

（1）具有优异的性能价格比。

（2）集成度高、体积小、可靠性高。

（3）控制功能强。

（4）低电压，低功耗。

通过以上的分析，DSP控制器功能很强大性能也很好，但是对于本设计来说，有些很好的功能可能用不上而且DSP成本较高，而FPGA的性能同样很好，但本设计有些功能FPGA不能很好的满足。

因此控制器的选择为单片机。

2.3.1单片机选型

单片机又分为很多种类，例如AVR、凌阳单片机和51单片机等等，下面对单片机进行进一步的分析论述。

AVR单片机：

ATMEL公司研制开发的一种新型单片机，PIC单片机相比具有一系列的优点：

运行速度较快；芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大；所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写；多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；IO口可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器；PWM；SPI、USART、TWI、I2C通信口；丰富的中断源等。

凌阳单片机：

整合了多个常用的功能模块，让我们在进行系统开发的时候不用外加过多的硬件就可方便的完成一个系统的设计，这就是人们常说的SoC（Systemonchip）技术；耗电少，可以满足很多手提设备、掌上设备低能耗的需求；可方便的用来实现声音录制、播放，Midi音乐合成和语音识别；可方便的完成一系列乘加的运数，实现一些数据处理比较容易；芯片里具备在线仿真调试电路，使调试和程序下载更加方便，也把仿真器和烧录器的成本给节省下来了。

51单片机：

有优异的性价比；集成度高、体积小、有很高的可靠性；控制作用强；扩展性能好，非常容易构成各种应用系统。

以上三种单片机的开发过程和编程思维都是相似的。

AVR单片机功能强大，功耗低，一般小型都可以满足。

而凌阳单片机是一款功能强大的语音处理单片机。

51单片机比较基础、成熟，一般教学都用这种单片机。

因此，对于本系统的功能特点和要求，在此选用51单片机作为本系统的控制核心。

51单片机全称AT89S51单片机，是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4Kbytes的课反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度。

非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89S51单片机可以为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

由于其集成度高，体积小且可靠性强，有很好的扩展性能易于构成多种应用系统，所以我们在本次设计里采用AT89S51单片机。

2.3.2AT89S51主要性能参数及功能

AT89S51单片机性能参数有：

与MCS—51产品指令系统完全兼容；4K字节可以重复擦写Flash闪速存储器；1000吃擦写周期；全静态操作范围为0Hz—24Hz；三级加密程序存储器；128×8字节内部RAM；32个可编程I/O口线；6个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。

AT89S51提供以下功能：

k字节Flash闪速存储器；128字节内部RAM；32个I/O口线；两个16位定时器/计时器；一个5向量两级中断结构；一个双工串行口通信；片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89S51可以降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，当允许RAM，定时/计数器，串行口及中断系统继续工作。

掉电式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一个硬件复位。

2.4超声波发生器选型

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发生器来实现。

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。

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[4]。

测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。

超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用材料是压电式陶瓷。

由于超声波在空气传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择高频率的传感器，而长距离测量时应用低频率的传感器。

2.5超声波接收传感器选型

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。

构成晶片的材料可以有许多种。

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性能指标为。

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。

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。

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。

因此超声波接受传感器应该应用集成电路CX20106A，CX20106A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与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图2-3）。

实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当更改电容CS的大小，可以改变接收电路的灵