简单测距数显装置的研究.docx
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简单测距数显装置的研究
简单测距数显装置的研究
摘要
随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。
本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51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和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
相关部分附有硬件电路图、程序流程图。
为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。
就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。
这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：
测量液位、井深、管道长度等场合。
可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。
关键词:
AT89C51；超声波；传感器；LED
Researchinginafewsimpledeviceofsurveyingdistance
ABSTRACT
Alongwiththescienceandtechnologyfastdevelopment,theultrasonicwavemoreandmorewillbebroadinthescienceandtechnologyapplication.Thisarticlehascarriedonthetheoreticalanalysistotheultrasonicsensorrangefinderpossibility,theusesimulationelectron,thedigitalelectron,themicrocomputerconnection,theultrasonicwavetransducer,aswellastheultrasonicwaveinmediumknowledgeandsoondisseminationcharacteristic,usestakeAT89C51monolithicintegratedcircuitasthecorelowcost,thehighaccuracy,themicrominiaturizednumeraldemonstratedtheultrasonicwavedistancegaugethehardwareelectriccircuitandthesoftwaredesignmethodhasdesignedthesystemoverallconceptinthisfoundation,finallyhasrealizedeachfunctionmodulethroughthehardwareandthesoftware.Therelatedpartattachesthehardwarecircuitdiagram,theprogramflowdiagram.Inordertoguaranteetheultrasonicrangingsensorthereliabilityandthestability,havetakenthecorrespondingantjammingmeasure.Ontheultrasonicwavedisseminationcharacteristic,theultrasonicwavetransduceroperationalfactor,theultrasonicwavelaunch,thereceive,thesupersonicweaksignalenlarged,thewaveshaping,thespeedtransformation,thevoicepromptelectriccircuitandthesystemfunctionsoftwareandsoonhavegiventhespecify..Provedaftertheexperimentthat,thissetofsystemsoftwareandhardwaredesignreasonable,antjammingabilitystrong,timelinessisgood,theprocesssystemexpansionandthepromotion,mayuseintheback-draftradar,thebuildingconstructionworksiteaswellassomeindustryscene,forexample:
Surveysituationsandsoonfluidposition,welldepth,pipelinelength.Maywidelyapplyintheindustrialproduction,themedicineinspection,thedailylife,pilotlessautomobile,automaticworksceneautomaticguidancecar,robot,liquidmeterandsoon.
Keywords:
AT89C51,ultrasonicwave,sensor,LED
目录
第1章前言4
1.1概述4
1.2超声波测距特性4
1.2.1超声波用于距离测量的优势4
1.2.2超声波测距仪5
1.3设计要求5
1.3.1内容及任务5
1.3.2拟达到的要求或技术指标5
第2章方案及原理6
2.1方案的选择6
2.1.1传感器的选择6
2.1.2单片机的选择6
2.2超声波测距的原理7
第3章硬件电路设计9
3.1AT89C51系列单片机的应用9
3.2传感器9
3.2.1传感器的定义及作用9
3.2.2压电式传感器9
3.3超声波发射电路10
3.4超声波接收电路与放大电路10
3.5显示电路11
3.8报警电路12
第4章误差和数据分析13
4.1测距计算中温度补偿13
4.2测距计算中误差分析13
4.3数据处理14
第5章软体设计16
5.1设计使用软件的介绍16
5.2外部中断子程序16
5.3测量距离子程序20
5.4定时中断子程序21
5.5总程序及其流程图22
第6章 总结24
6.1设计系统的实用性与价值性27
6.2设计系统的不足和改进方法27
致谢25
参考文献26
附录27
附录1软件编程27
附录2英文文献41
第1章前言
1.1概述
超声波是指超过人的听觉范围以上（16KHZ）的声波。
近二、三十年,特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。
超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。
超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。
超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。
它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的周期，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。
与传统超声技术完全不同，新的超声技术具有以下特点：
在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测量。
1.2超声波测距特
1.2.1超声波用于距离测量的优势
由于超声波频率较高，沿直线传播，绕射小，穿透力强，指向性强，传输过程中衰减少，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，遇到杂质或分界面时会产生反射波，因而超声波经常用于距离的测量。
超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个特点展开的。
超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。
超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。
超声波在反射、折射过程中，其能量及波形都将发生变化。
理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比。
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。
1.2.2超声波特性
超声波跟声音一样，是一种机械振动波，是机械振动在弹性介质中的传播过程。
超声波检测时利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的一门技术。
人耳所能听到的声波在20Hz～20000Hz之间，频率超过20000Hz，人耳不能听到的声波称为超声波。
声波的速度越高，越与光学的某些特性如反射定律、折射定律相似。
它的特点是：
频率高、波长短、定向传播性好。
声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小，因此对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。
另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时衰减更明显。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质的声波称为反射波；另一部分则透过分界面，在另一介质内继续传播的波称为折射波。
本次设计主要应用了超声波的反射定律。
1.3设计要求
熟悉掌握单片机与传感器的相关知识。
具备基本的模块电路设计能力，具备宏观设计硬件能力,利用所掌握的语言（汇编或C语言）实现软件设计，要求硬件布局合理,软件设计精练。
1了解单片机相关知识（定时器、显示器）
2了解感测技术相关知识（超声波测距，压电式超声换能器，超声波发生器，接受和放大滤波整流电路等等）
3熟悉电路（接收、发送超声波电路，滤波整流电路，温度补偿，报警电路等）
4调式、设计检验装置，进行初步计算
第2章方案及原理
2.1方案选择
2.1.1传感器的选择
方案一
磁致式传感器：
按结构方式不同，磁致式传感器可分为动圈式和磁阻式。
磁致式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组成。
超声波的发射原理是:
把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。
其接收原理是:
当超声波作用在磁致材料上时，使磁致材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。
但由于受外界温度、压力、电磁场的影响及自身结构的限制，在实际操作中产生了各种误差。
方案二
压电式传感器：
压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和磷酸二氢胺等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。
磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。
压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。
底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。
工作频率就是压电芯片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和芯片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
误差产生小。
综合上面所叙，系统的设计中选择用压电式超声波传感器。
2.1.2单片机的选择
单片机是微电子技术与计算机技术的结晶，单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
单片机现在成为集成电路大家族的重要成员 。
单片机技术正日臻完善，国内外的单片机热更是经久不衰。
单片机不仅用于智能仪器，电器设备，数据采集，自动控制及国防工业等技术领域，而且进入亿万家庭。
目前，单片机正朝着兼容性，单片系统化，多功能和低功耗的方向发展。
51系列单片机引脚与封装如图2.1所示。
图2.1.251系列单片机封装图
5l系列单片机中典型芯片（AT89C51）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8b的I／O端：
IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。
特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
5l系列单片机提供以下功能：
4kB存储器；256BRAM；32条I／O线；2个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。
空闲方式：
CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式：
保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。
5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。
充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
所以，单片机选用AT89C51。
2.2超声波测距的原理
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（time of flight）。
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12.0M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。
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51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2.2所示：
图2.2超声波测距器系统设计框图
第3章硬件电路设计
3.1AT89C51系列单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
单片机（AT89C51）发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，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、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示，若测得的距离超出设定范围系统将提示声音报警电路报警。
AT89C51通过外部引脚P3.3输出脉冲宽度为25／us、载波为40kHz的超声波脉冲串，加到射随器的基级，经功率放大推动超声波发射器发射出去。
超声波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波。
而通过P1.0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INT0引脚，当INT0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。
工作时，微处理器AT89C51先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。
由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。
当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。
再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。
3.2传感器
3.2.1传感器的定义及作用
传感器是一种以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。
传感器是摄取信息的关键器件，它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，有换能芯片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高，波长短，绕射现象好，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体，固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显着反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业，国防，生物医学等方面。
以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。
习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
3.2.2压电式传感器
常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器（或称压电式超声波探头）和磁致式超声波传感器。
本论文采用的是压电式超声波传感器,主要由超声波发射器（或称发射探头）和超声波接收器（或称接收探头）两部分组成。
超声波传感器结构如图3.2.2下：
共振板
电极
压电芯片
图3.2.2超声波传感器结构
压电超声波转换器的功能：
利用压电晶体谐振工作。
内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，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，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。
超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。
3.3超声波发射电路
超声波发射器两端输入10个40KHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质，传播到被测面，由被测面反射，被超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号，超声波经气体介质转播到接收器,经滤波，放大，整形,输入到控制微处理器。
简要说明：
输入信号先通过一个RC滤波，滤除杂波干扰，使信号更加稳定，正反馈电路是由超声波探头负端经过二极管，通过Q6回到探头正极，LC电路起到调谐作用。
发射电路图如下图3.3.2所示：
图3.3.2超声波发射电路图
3.4超声波接收电路
超声波接收器包括超声波接收传感器，信号放大电路及波形变换电路三部分。
反射回来超声波被接收传感器接收后，变换成非常微弱的正弦波电信号，因此必须经过交流放大电路放大，正弦波信号不能直接被微处理器接收，必须进行波形变换，转变为微处理器可以识别的高低电平信号（方波信号），处理器对信号进行采样分析，再进行数据处理，得出测量距离，输出信号送显示模块显示数值。
接收电路
电路说明：
本电路由三部分组成，稳压，滤波放大，整形。
78D05起到稳压作用，C2、C3两电容起到滤波作用，LM358是放大器，输入信号经过滤波后输入到358放大器的2端口，从7端口输出到LM576，经过整形由8端口输出。
LM576起到一个微处理器的作用，电路图如下图3.4所示：
图3.4超声波接收电路图
3.5显示电路
为节省单片机I\O接口，从性价比以及功能实用性的角度考虑，本次设计取用74LS164驱动。
其峰值电流可达40mA，最高串行扫描频率为30KHz。
显示电路采用简单实用的8段共阳LED数码管，使用4条线串行接口传送数据。
LED显示方式为动态显示，各显示位段引脚并联在一起，共享一个74LS164驱动器，多片级联时可控制更多的LED。
图3.5单片机及显示电路原理图
3.6报警电路
电路中采用TL7404非门,原理简单，电路准确可靠。
从发射及接受电路中进行信号采样，经AT89C51信号处理，作为报警电路输入信号，一端经两次非门到扬声器正极，另一端经非门得到低电平，接到扬声器负极。
电路中只要一个输入信号便可以驱动扬声器工作，并使用两非门迭加，保证电路工作的稳定可靠性，防止误报警情况。
电路图如图3.6所示：
图3.8报警电路
图3.6报警电路
第4章误差和数据分析
4.1测距计算中温度补偿
温度补偿是在求取声速过程中一个必要环节,本次设计测距仪采用查表法进行温度补偿。
采用查表法进行温度补偿的目的是为了避开复杂的浮点数运算及浮点结果中各字节的提取操作,这样既保证了一定的精度要求,又可以避免浮点运算,在基于微处理器的系统中通常可将浮点运算改为定点运算。
查表法的前提是,必须事先得到温度与声速的二维关系表,表格的密度可以根据精度的需求和微处理器资源的分配来决定。
由于表格中的典型温度点有限而且是离散分布的，为了提高精度可以采取小区间插值计算法，例如，测得温度为23℃，而表格中与之最接近的特征温度点为20℃和30℃，对应的声速分别为344和349，即温度变化为10，声速变化为5，也即温度每增加2℃声速增加1，于是进行最简便的线性插补得到声速为345。
表格可按照以下公式计算得到：
C=331.4+0.61*T…………4.1
式中，C为超声波在空气中的传播速度，T表示温度，0℃时超声波在空气中的传播速度为331m/s,25℃时为346.65m/s。
根据以上公式可得到对应的大致表格：
温度（℃）
声速（m/s）
折合后的声速
对应的十六进数
-30
313
8492
212CH
-20
319
8654
21CEH
-10
325
8817
227
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