基于51单片机超声波测距仪设计毕业作品.docx
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基于51单片机超声波测距仪设计毕业作品
毕设
业计
（20届）
基于51单片机超声波测距仪设计
所在学院
专业班级电子信息工程
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
摘要
由于超声波方向性很强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，所以超声波经常会被用在距离的测量，比如测距仪和物位测量仪等用超声波都可以实现。
利用超声波检测往往比较快、方便、计算简便、容易做到实时控制，而且在测量精度方面能够符合工业实用的要求。
超声测距是一种非接触式的检测方式。
和别的方法相比较，如电磁的或光学的方法，它不会因为光线、被测对象颜色等而受到影响。
当被测物处于黑暗、有毒、电磁干扰、有灰尘烟雾等恶劣的环境下，会有很大的适应能力。
论文简单讲述了超声波检测的发展和原理，介绍了超声波传感器的工作原理及特性。
在介绍超声测距系统功能的基础上，设计了系统的总体方案。
针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了设计，利用AT89C51单片机为核心控制芯片设计了超声波测距系统的硬件和软件部分，该测距仪测距距离在20cm～80cm左右，精确度是1cm，它具有精确度高，适应性强，可靠性好，操作简单等优点，有着广泛的应用前景。
关键词：
超声波；测距；单片机
Abstract
Becausetheultrasonicwavehasthefeatures,suchasstrongpoint,slowenergyconsumptionandalongdistancetransmissioninthemedium,italwaysusedforthedistancemeasurement.Suchasrangefindersandalllevelmeasurementcanbeachievedthroughtheultrasonicwave.Useofultrasonictestingisoftenmorerapid,convenientandsimpleterms,easytoachievereal-timecontrol,anditcanmeettherequirementsofindustrialutilityinthemeasurementprecision.Ultrasonicdistanceisanon-contactdetectionmethods.Comparedwithothermethods,it’snotinfluencedbylight,colorandothereffectsofthetestedobject.Whenthemeasuredobjectinthedark,toxic,smoggy,dustyandotheradversecircumstances,ultrasonicwavehasacertaindegreeofadaptability.
Thispapersummarizesthedevelopmentandfoundationalprincipleofultrasonicdetection.Thenitpresentstheworkingmechanizationandcharaetersofultrasonicsensor.itproposesthewholestructureofthesystembyintroducingthefunctionofultrasonicdistancemeter.Andthenthetransmission,receive,detection,displaysehemeofthisdistancemetersystemisbroughtout.SpecialaftertheapplicationofAT89C51microcontroller,itanalyzesthehardwareandsoftwarerealizationofeachpartinthissystem.Therangeofthemeasuringdistancein20c～80cm,accuracyis1cm.Besidesthesystemhavehighprecision,adaptability,reliabilityandeasytooperate,etc.
Keywords:
UltrasonicWave,MeasuringDistance,Signalchipcomputer
1引言
由于社会不断的进步发展，许多传统的测距方法已经无法满足我们的需求，例如在井深、液位、管道长度测量等场合。
传统的测距方法根本无法完成测量任务。
还有在很多要求实时测距的情况下。
传统的测距方法也不能很好地完成测量任务。
于是一种新的测距方法——超声波测距应运而生。
超声测距是一种非接触式的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等影响。
超声波传感器结构简单、体积小、信号处理可靠，所以检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。
因此，深入研究超声波测距的相关技术及方法，对超声检测的应用和普及更具有重要的现实意义。
1.1超声波简介
科学家们将每秒钟震动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。
当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了[1]。
因此，超声波是指频率超过20kHz的不为人耳所听见的声波。
通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫兹。
理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.如咽喉炎、气管炎等疾病,很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫震动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。
超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石等[2]。
超声波的特点：
（1）超声波在传播时，指向性很强，能量易于集中能量。
（2）超声波不仅能够在各种不同的媒质中传播，还可以传播足够远的距离。
（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。
在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域[3]。
1.2超声波的发展历史
超声波的发展史主要分类国际与国内两个方面。
相对而言，国际发展的要稍早一点，国内发展的要晚些，特别是超声波清洗机在工业上得到应用与认可，主要从珠三角与长三角发展地区开始，95年后慢慢被接受。
以下从两个方面做一一介绍：
一、国际方面：
自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。
1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。
1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。
40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。
1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。
二、国内方面：
国内在超声治疗领域起步稍晚，于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，至50年代开始逐步推广，并有了国产仪器。
公开的文献报道始见于1957年。
到了70年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。
40多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。
特别是20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症治疗史上的重大突破。
如今已在国际范围内推广应用。
高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。
而在21世纪（HIFU）超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术[4]。
随着科学技术的快速发展，超声波的应用将会越来越广，这是一个蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
1.3本文研究的主要内容
本课题主要设计一种基于单片机的超声测距系统。
该系统以超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。
课题主要内容包括硬件设计和软件设计。
硬件设计主要包括单片机系统，超声波发射电路、超声波检测接收电路、数码管显示电路等。
软件部分拟采用单片机C语言编程，便于维护和修改，主要是利用中断完成信号发射和接受中间所耗时间的计算，并进行相关的数据处理以得到准确的距离。
全文共分6章，各章的主要内容如下：
第一章引言。
介绍课题来源，研究意义及发展趋势。
第二章介绍超声波测距的工作原理和两种基于不同原理的实现方式。
第三章主要是硬件设计的实现，介绍以不同方法实现其功能的过程。
第四章软件实际的流程和设计的实现，以模块为单位分别介绍各个模块实现其功能的过程。
第五章简单介绍了本次设计可能存在的误差。
第六章对本次设计的总结及体会。
2总体设计
2.1超声波测距的工作原理
超声波测距的原理可简单描述为：
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波时间的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波后就立刻停止计时。
从而测出发射和接收回波的时间差t。
然后求出距离S=Ct／2。
式中的C为超声波波速。
因为超声波是利用接收发射波来进行距离的计算，不可避免的存在发射与反射之间的夹角，所以可以根据图2-1得出距离s的计算方法。
设其大小为2α。
当α很小时，可直接按式S=Ct／2进行计算得到距离修正。
当α较大时，则必须进行距离修正，修正公式为S=Ct／2*cosα[5]。
图2-1测距原理图
2.2超声波测距仪的总体设计方案
2.2.1方案一：
一种单片化可重构的相位式激光测距仪
相位式测距就是利用一种遵循正弦规律连续变化的调制光波作为光源。
测距仪从A点发射调制光波，到达B点反射器后又反射回到测距仪，经历了2S的路程，且有：
S=1/2*C*φ/（2πf）。
C为光速，S为所测的距离，φ表示相位移；f是波的振荡频率。
可重构测距系统的总体框图如图2-2所示。
图2-2可重构测距系统框图
该系统主要由光电收发装置、外围模拟电路、单片化可重构自动数字测相电路、中央处理器、距离显示器及各数据通道、接口等组成。
（1）光电收发装置：
主要是用来发射和接收一种遵循正弦规律连续变化的调制光波——测距信号，它主要由电源、激光源、激光接收装置和光电转换电路组成。
（2）外围模拟电路：
完成光信号的调制、解调、放大和整形，主要由调制器和高频振荡器以及放大器等电路组成。
（3）距离显示器：
显示可重构自动数字测相电路输出的距离信息。
（4）中央处理器：
完成整个系统的协调工作，进行处理任务的调度，并可根据需要控制单片化自动数字测相电路的重构。
（5）单片化可重构自动数字测相电路：
是本次设计的核心，本设计的整个体系结构是可重构的，各个模块在多种测量模式下可以重用。
在微观上，该电路在测量过程中的参数可实时重构，比如可以实时地改变测尺频率，从而得到更高的测量精度和更快的测量速度[6]。
2.2.2方案二:
基于AT89C51单片机的超声波测距仪
超声波测距的原理是利用发射超声波到接受超声波所传播的时间来计算出传播距离。
我们平时用的测距方法有两种，一种是在要被测量距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式。
另一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式。
此次设计采用反射波的方式。
超声波测距系统的总体框图如图2-3所示。
图2-3系统总体框图
该系统的应用背景是基于AT89C51的超声波信号检测的。
单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，同时开启内部计数器T0，信号经过放大后通过超声波发射器输出；反射回来的超声波经超声波接收器作为系统的输入，对信号进行放大、检波处理。
锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示[7]。
其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。
在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定的，发射出的超声脉冲频带比较窄。
在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。
为了将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声波。
电路频率的选择应满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。
发射电压从理论上来
说是越高越好，因为对于同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声波功率就会越大[8]，这样在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对会简单一些。
但是，每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，就会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。
因此，工作电压不能超过这个极限值。
同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。
经常通过改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。
电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适用于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。
电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表而缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用[9]。
发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物反射回波引起的压电晶片产生的射频电压很小，才几十毫伏左右，要对这样小的信号进行处理就必须要放大到一定的幅度[10]。
接收部分就是由两级放大电路，检波电路及锁相环构成的，其中包括杂波抑制电路。
最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（AT89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标志。
2.2.3方案选择
基于上述两种方案的比较，方案一，测量参量看动态重构，具有很大的灵活性，但是系统结构比较复杂，稳定性不高。
方案二，基于51单片机的超声波测距仪精度高，功耗低，模块简单，稳定性高。
所以本次设计选用方案二。
3硬件设计
超声波测距仪系统的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。
采用AT89C51单片机和12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机采用P1.0端口控制发射和停止输出超声波换能器所需的40KHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
而显示电路采用简单实用的2位共阴LED数码管，段码用ZLG7289驱动。
3.1AT89C51单片机
3.1.1AT89C51的简介
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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，性价比高，是一种高效微控制器,可灵活应用于各种控制领域[11]。
其管脚图如图3-1所示。
图3-1AT89C51单片机管脚图
3.1.2AT89C51的主要性能参数
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·4K字节可重檫写Flash闪速存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·全静态操作：
0Hz--24MHz
·三级加密程序存储器
·128x8字节内部RAM
·32个可编程I/O口线
·2个16位定时/计数器
·可编程串行通道
·低功耗空闲和掉电模式[12]
3.1.3复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要的作用是把PC初始化为000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以启动。
51单片机的复位电路由片内、片外两部分组成。
通常因为系统运行等的需要，常常需要人工按钮复位，复位电路如图3-2所示，只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一点时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。
图3-2复位电路
3.1.4时钟振荡电路
本系统选用单片机AT89C51，51芯片有一个高增益反相放大器，XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，在芯片的外部通过这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。
连接如下图3-3所示。
单片机外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C6、C7接在反相放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
为便于CPU处理数据，让计时器每计一次数就是1us，振荡器采用了12MHz的石英晶体。
对外接电容C6、C7虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，这里电容使用30pF±10pF[13]。
图3-3时钟振荡电路图
3.2超声波传感器
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。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，常用的超声波传感器有两种，压电式超声波传感器和磁致式超声波传感器[14]。
由于本次设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波传感器来实现,它主要由超声波发射器（或称发射探头）TCT40-10F1和超声波接收器（或称接收探头）TCT40-10S1两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进行工作的。
下图3-4为压电式超声波传感器的结构图。
图3-4超声波换能器结构图
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类[15]。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，是超声波检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。
当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。
前者用于超声波的发射，后者用于超声波的接收。
由于超声波在空气中传播是会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应该选择频率高的传感器，而长距离的测量时应该选择频率低的传感器。
3.3超声波发射与接收电路的设计方案
超声波发射与接收电路是整个系统的重要部分，因此确定一种好的设计方案关系整个系统的精确性和安全可靠性。
本文通过多种方案比较，以达到最佳方案确定。
3.3.1设计方案一
1、发射电路
利用555时基电路振荡产生40kHz的超声波信号，使之与传感器的40kHz固有频率一致。
12V电源保证555时基电路具有足够的驱动能力。
P1.1为超声波发射控制信号，由单片机控制。
超声波发射电路如图3-5所示：
图3-5超声波发射电路原理图
2、接收电路
图3-6是超声波接收电路，超声波接收电路采用集成电路CX20106A。
集成电路CX20106A可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能，因为其载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波接收电路。
适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力[16]。
其工作过程为：
当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶片工作，使机械能转化为电信号，集成电路CX20106A接到电信号后，对所接收的信号进行检测，若其频率在38kHz-40kHZ左右，则输出低电平，否则输出高电平。
图3-6超声波接收电路图
3.3.2设计方案二
1、发射电路
本系统用单片机P1.0发射出一组方波脉冲信号，其输出波形稳定可靠，但输出电流和输出功率很低，不能够推动超声波发射传感器发出足够强度的超声信号，所以在此间加入一个单电源乙类互补对称功率放大电路，如图3-7所示。
功率放大电路的主要任务是向负载提供一定的不失真（或失真较小）的输出功率。
概括起来说，功率放大电路就是要在保证晶体管安全运用的情况下，获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。
图3-7发射电路图
2、接收电路
图3-8接收电路图
超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。
本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大，接收电路如图3-8所示。
超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即40kHz。
该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。
3.3.3设计方案三
1、发射电路
图3-9超声波谐振频率发射电路图
NE555和电容电阻组成的电路产生40KHz的方波，以使超声波传感器产生谐振；而后面的CD4049则对40KHz频率信号进行调理。
采用555多谐振荡器可以实现宽范围占空比的调节，并且电路设计简单占用面积小。
2、接收电路
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。
如图3-10所示。
NE5532是高性能噪声运放，它具有很好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽。
图3-10超声波回波接收处理电路
3.3.4方案的选择
为获得较高的分辨力，发射电路的设计应保证发射的超声波形有良好的重复性。
此外，发射波形应该尽量单纯，即发射波的发射频率应近似为统一频率的振动波，以便于接受时可以采用滤波器进行滤波消除干扰。
发射电路设计的主要目的是抬高输入到发射探头的电压及其功率。
接收放大器的作用是放大有用信号，并抑止其它噪声与干扰，从而达到最大的信噪比，以利于检测电路的正确检测。
综合比较以上三种方案，方案一中使用CX20106A主要是简单易用，电路简单，减少了生产调试的麻烦，有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求，但必须保证接收到的信号为40KHZ，否则无法解调出，不确定因素太大。
第二种方案是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。
这种方法的优点是无须驱动电路，但缺乏灵活性。
而且采用功率放大器会比较耗电。
方案三相对来说电路比较复杂，但稳定性好，可靠性强，适应性好，测量比较精确。
因此，本次超声波发射与接收电路选择方案三。
3.4总体硬件框图
图3-11总体硬件框图
如图3-11所示，51单片机控制NE555工作，产生40KHz的脉冲方波，通过由CD4049组成的后级电路功率放大，驱动超声波发射探头，发射超声波。
超声波遇到障碍物后就会产生反射波，当接收探头接收到发射波后，经过一级放大电路放大100倍，再经过二级放大电路放大100倍，达到放大10000倍的效果。
再通过由LM311组成的检测电路，输出不同的电平来产生上升或下降沿触发，转换成数字脉冲去触发51单片机的外中断引脚。
4软件设计
4.1软件的设计要求
在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。
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