便携式超声波测距系统设计.docx

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便携式超声波测距系统设计

本科生毕业论文（设计）

题目：

便携式超声波测距系统的

研究与设计

学生姓名：

石某

学号：

专业班级：

自动化12102班

指导教师：

完成时间：

2016年5月10日

摘要

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。

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。

随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。

硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路，另外还有复位电路和LCD控制电路等。

我采用以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路。

整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、供电、温度测量、显示等模块组成。

发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计时器开始计时，超声波被发射后按原路返回,在经过放大带通滤波整形等环节,然后被单片机接收,计数器停止工作并得到时间。

温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正,结合两者实现超声波测距的功能。

软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

它控制单片机进行数据发送与接收。

另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等，空气的温度对超声波的速度影响也很大。

此外供电电源也会使测量差生很大的误差。

关键词：

STC89C52；超声波；测距。

Abstract

ultrasonicfrequencyintheabove20kHzreferstothesoundwave,itbelongstothecategory.Ultrasonicwaveingeneralalsofollowtherulesoftheelasticmedium,suchastheboundaryofthereflectionandrefractionphenomenonoccurringinthemediaandafterabsorbingattenuationetc.Becausetheseproperties,ultrasoniccanbeusedinmeasuringthedistance.Alongwiththescienceandtechnologyunceasingenhancement,ultrasonictechnologyhasbeenwidelyappliedinPeople'sDailylifeandwork.

Thethesismainlyincludestwoparts,thedesignthathardwarecircuitandsoftwareprogram.Thehardwarecircuitincludingmicrocontrollercircuit,launchcircuit,receivingcircuit,displaycircuitandpowercircuit,inadditiontoresetcircuitandcontrolcircuitLEDetc.IusedtoSTC89C52SCMisthecoreoflowcost,highprecision,miniaturizationdigitaldisplayultrasonicrangefinderhardwarecircuit.ThecircuitUSESmodulardesign,thesignaltransmissionandreception,powersupply,temperaturemeasurement,displaymodule.Thelaunchoftheprobesignalamplifieranddetectionafterthelaunchofthetimerstartedout,microcontrollertimer,ultrasonicwaslaunchedbytheway,afterthereturnonamplifiedbandpassfiltersorthopedicsetc,thenreceivedbyMCU,countertostopworkandtime.Aftertemperaturemeasurementofsingle-chipmicrocomputer,throughtheproceduretospeedadjustment,therealizationoftheultrasonicrangingfunction.Softwareprogrammainlybythemainprogram,presetsubroutines,launchprocedure,receivingsubroutines,displaysubroutinesetcmodules.Itcontrolchip.Anotherprogramcontrolchiptoeliminatetheemittingandreceivingultrasonicprobe.

Theactualenvironmenthasgreatinfluenceonultrasonic,suchasexternalelectromagneticinterferencesourcechannelinterferenceetc,thetemperatureoftheairofultrasonicvelocityaresignificantlyaffected.Besidessupplypowerwillalsomakegreatdifferencemeasurementerrors.

Keywords:

STC89C52,Ultrasonic,distance

Abstract..................................................................................................................II

第1章　绪论

从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70年代末期开始广泛应用于生产领域。

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。

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，因此在工农业生产上到了广泛的应用。

1.1超声波测距系统的研究背景与意义

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。

近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作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。

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。

随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

一般的超声波测距仪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。

在基于传统的测量距离存在不可克服的缺陷。

例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。

由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题。

随着人们生活水平的提高，城市发展建设的加快，城市车辆逐渐增多，因为停车不当而造成的交通事故也越来越多。

为了避免此类事故的发生，一个能够直观测出汽车与障碍物之间的距离的装置就变得十分重要。

它可以及时将车辆与障碍物之间的距离反应出来，给司机以更准确的信息和更多的反应时间，减少事故的发生。

此外，超声波测量距离技术还在工业控制、勘探测量、机器人定位和军事应用等领域得到了广泛的应用。

超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。

通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。

1.2超声波测距系统研究的可行性

采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境（如含粉尘）具有一定的适应能力。

因此，用途极度广泛。

例如:

测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距的优点是:

仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。

超声测距在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人的电脑等等。

由于超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，它的应用价值己被普遍重视。

如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。

机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。

超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。

超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。

它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：

距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。

利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。

本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。

从设计要求可知，本设计研究的是利用超声波传感器来测量距离。

要考虑其是否可行，首先必须了解超声波具有哪些特性。

所谓超声波就是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；沿直线传播，当频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；强度大、方向性好等特点。

因此，利用超声波的这些特性就可制成超声波传感器。

又由于超声波在空气中的传播速度较慢，一般为340m/s左右，这使得超声波传感器的应用变得非常简单，因此利用超声波传感器测量距离就不再困难了，由此可见，基于STC89C52的超声波测距系统的研究设计是可行的。

总之，由以上分析可看出:

利用超声波测距，在许多方面有很多优势。

因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。

1.3国内外发展状况

社会在进步，随着经济生活的发展，随着人们生活水平的不断提高，现如今社会，汽车已经渐渐的成为了人们日常生活中重要的一部分，我们知道我们越来越离不开汽车了，以车代步已经成为生活的一部分。

关于汽车的各种新技术也层出不穷，但是放眼望去，绝大多数的厂家和研究机构的研究方向过多的集中在了设备本来已经相当高级的车上。

而在平日的生活当中我经常会遇到这样的问题，如来到一个大型的停车场，要来购物或者有非常着急的事情，但是却往往找不到要停车的位置[6]。

然而现在通常在有的有显示空车位停车场当中又不能智能引导汽车走到空着的车位。

在这种特殊的情况下，有通常会发生各种各样棘手问题而束手无策，譬如：

有很多车会堵在停车场门口处，又譬如浪费了很长时间找到车位又被其他车辆所占据，会导致打架的事情，直接导致家用车货车的搁浅，引起极大的不便。

再如长时间驾驶后在没有需要的停车位置的情况下停车休息，由于极度疲劳导致的贵重钱物丢失现象以及大型长途货车在停车场门口马路很窄的情况下由于很多待于停车的车辆堵车引起的倒车不便等等。

针对这些具体而实际的问题提出解决方案，节约资源时间，所以我们做一个智能车辆引导系统更具有现实意义。

随着计算机技术、自动化技术发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要。

例如，传统的如钢卷尺接触式测量仪器在测量一定距离时，这种仪器对高于3m的顶板安设困难，且测量不准确；对于横向变形量的测量，若安设于两侧之间，则妨碍人、车来往，如果不固定安设装，则测量精度很低，难以监测微小变形。

在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别，尤其在在工件运输过程中进行识别，则问题更为复杂与困难，因此人们急切需要各种非接触式的测距仪[7]。

我们目前的非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达，红外线等。

但激光和雷达测距仪造价偏高，红外线测量距离又太短，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点：

1）对于设计停车场来说，超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离，很合适；

2）针对停车场停车当中有的车有天窗，是玻璃或其他透明物质制的。

超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（如玻璃、抛光体）；

3）停车场应该是日夜工作的，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；

4）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。

因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。

在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用[8]。

超声检测的原理主要是利用超声波作为载体，即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质木身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。

我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。

超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化[10]。

五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。

如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。

五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。

随后，上海同济大学研制出CTS一10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg，该仪器性能稳定，波形清晰。

但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。

直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS一10型仪器。

1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。

从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。

随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。

如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg。

七十年代，英国CN.S公司推出仅有3.5Kg重的PLJNDIT便携式超声仪[11]。

1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。

该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5Kg。

同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。

从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广一应用无损检测技术奠定了良好的基础。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。

进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。

随后具有检测、记录、存储、数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声仪研制呈现一派繁荣景象[12]。

其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单.，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。

与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。

过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。

高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基木情况一样，才可充分发挥其特有功能。

仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。

[13]综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体力型。

电声型主要有：

1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。

流体动型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”[14]。

电子测距仪要求测量范围在0.10～5.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

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，公式L=（△t/2）*C简单易算，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。

超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合[15]。

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。

所以就顺其自然的选择用超声波探测仪来进行探测停车位是否有车了。

1.4系统设计的功能简介

该测距系统由12锂电池经过整压成+5V稳压电源进行供电驱动，利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，以超声波探头为接口部件，应用单片机技术计算超声波在空气中传播的时间（超声波的速度为声速）并处理成相应的距离，然后再通过LCD显示实测距离的数字仪表。

其主要功能如下：

1）测距范围为<3m；

2）显示方式为LCD显示屏显示；

3）具有较强的抗干扰能力，安装简单；

4）体积小、功耗低，能嵌入其它系统。

第2章　设计总体目标

2.1设计要求及系统指标

根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离，设计出一个便携式超声波测距系统。

系统测量范围：

0-3m，测量误差：

1cm。

要求设计系统的硬件电路和软件程序，并进行调试或系统仿真。

2.2总体方案选择

2.2.1方案比较

方案一外线测红距，如图2-1红外线测距系统基本框图：

图2-1红外线测距系统基本框图

方案二超声波测距，图2-2超声波测距系统基本框图：

图2-2超声波测距系统基本框图

2.2.2方案论证

方案一红外线测距 

红外线测距利用的是红外线传播时的不扩散原理，当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接收到，再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。

红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。

方案二超声波测距

超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20kHz的机械波。

超声波测距的原理是根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。

超声波测距仪在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片，根据发射和接收的时间差，最终计算出超声波发生器到障碍物的实际距离,完成测距，最后在LED显示电路中显示测量的距离。

2.2.3方案选择

根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单的方案。

红外线测距的优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。

而超声波在介质中传播不易受干扰,方向性好,能量集中度高,传播距离远等特点经常被用于距离的测量,它具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好，还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。

在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。

从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。

根据对以上两种种传感器性能的比较。

我们最终决定选用超声波测距作为此测距的设计方案。

2.3超声波测距的理论与原理

2.3.1超声波的基本理论

超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。

该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。

因此，我国对超声波的研究特别活跃。

超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。

超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。

按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：

用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。

超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在10Hz到10亿KHz，其中通常的频率大约在10000Hz到300万Hz之间。

超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。

于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用：

1超声波的传播速度

超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：

横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；表面波——质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。

横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。

为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。

超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。

2超声波对声场产生的作用

（1）机械作用

超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。

超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大。

有时足以达到破坏介质的程度。

（2）空化作用

在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。

（3）