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超声波测距完整版

西安航空职业技术学院

超声波测距仪课程

课程设计说明书

设计题目：

超声波测距仪

专业：

电子信息工程技术

班级学号：

1002101

姓名：

余新旺

指导教师：

洪云飞

2011年11月23日

教务处印制

西安航空职业技术学院

课程设计任务书

课题名称：

超声波测距仪

设计内容：

根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。

技术条件或要求：

（1）.了解超声波测距原理。

（2）.制作实物

指导教师（签名）：

教研室主任（签名）：

开题日期：

2011年月日完

摘要本设计采用STC89C52单片机为核心,阐述了超声波测距的硬件和软件设计方法，制作出低成本、高精度、微型化带数字显示的超声波测距电路。

整个电路采用模块化设计，由STC89C52单片机控制电路、超声波发射电路、接收电路、DS18B20温度补偿电路及LCD1602显示电路五部分组成。

软件主程序由定时中断子程序、外部中断子程序两大部分组成。

信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。

经实验证明，这个电路软硬件具有设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，精确度高等特点，测量距离最大为1.9m。

可以有效地解决物体的短距离测量和避障。

关键词：

超声波；STC89C52；DS18B20温度补偿

1绪论

1.1课题设计目的及意义

1.1.1设计的目的

随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广。

如声纳的发展趋势基本为：

研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

展望未来，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。

测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

此超声波电路的设计能使我们在设计制作的过程中更加深刻理解超声波测距的原理及其优点。

1.1.2设计的意义

利用超声波传播受外界影响变化小，传播距离远，超声波测距能够达到很好的效果，此次电路设计，一方面能够对超声波的产生及传播有更加系统的理解，另一方面能够使自己将超声波传感器与其它电路连接共同运用的能力得到提高，为实现多个系统相结合打下扎实的基础。

1.2超声波测距电路的设计思路

1.2.1超声波测距原理

超声波发射头发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由超声波接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。

由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，表1.1列出了几种不同温度下的声速。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距环境温度变化高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

温度（℃）

-30

-20

-10

100

声速（m／s）

313

319

325

323

338

344

349

386

表1.1

2电路方案设计与论证

2.1系统整体方案的设计

方案一：

根据设计要求综合各方面的因素，可采用AT89C52单片机作为主控制器，用LCD实现数字显示，cx20106a作为超声波接收解码芯片，40KHz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图2-1所示。

图2-1

方案二：

本设计主要由超声波发射，超声波接收与信号转换，按键显示电路与温度传感器电路组成。

系统框图如图2.2所示。

放大

滤波

接收

蜂鸣器

按键设置

发射

驱动

STC89C52单片机

LCD显示

图2-2

以上两种方案，方案一电路简单，用cx20106a作为接收电路容易搭建，但调试接收解调电路调试困难，很难将发射出的超声波信号接收解调出。

方案二，要求对信号进行专门的放大、滤波。

比较及整形，相比方案一用cx20106a作为接收电路，电路搭建麻烦，但接收容易，且加有温度补偿电路DS18B20并用LCD显示鉴于以上分析，我们选用方案二。

2.2距离测量

方案一：

相位检测法；通过比较发射波和反射波的相位，推算出时间t，进而得出距离。

此法精度高，但检测的范围有限。

且要做到精确的相位检测，硬件电路相当复杂。

方案二：

声波幅值检测法；检测回射波的幅值。

在发射功率一定的情况下，回射波幅值随测量距离的增大而衰减，而回射波幅至的大小将直接影响测量的精度。

此法易受反射波的影响，反射回波幅值的大小直接影响者测量的精度，在发*射功率一定的情况下，随着测量距离的增大，反射波幅度衰减较大，不易测量。

因此该方案只适合粗略测量，精度达不到题目中的要求。

方案三：

度越时间检测法；检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即度越时间。

度越时间与超声波在气体中传播速度相乘即得声波传播的距离。

此法不用考虑反射信号的大小，只检测反射信号的有无，通过精确的定时，即可求出距离。

适当的增大发射功率可测量较长的距离。

鉴于方案三程序编写简单，固我们选用方案四。

3系统的硬件电路设计

硬件电路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检测接收电路三部分。

单片机采用STC89C52。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.3端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用P3.2的外中断的0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用LCD1602液晶屏，超声波发送驱动电路采用9012三极管组成的放大电路。

用9014组成放大电路作为超声波接收解调芯片，电路调试简单，抗干扰能力强。

3.151系列单片机的功能特点及测距原理

3.1.151系列单片机的功能特点

单片机的最小系统包括：

时钟振荡电路、复位电路、电源电路、程序储存控制电路。

时钟振荡电路必须在XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，晶体振荡器常用12M，电容用33pf；复位电路采用上电复位，,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I：

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。

该单片机外围电路如图3-1所示。

图3-1

3.1.2单片机实现测距原理

主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0、T1工作模式为16位的定时计数器模式，/总中断允许位EA接高电平。

首先调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟200ms（这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。

由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离。

S=V*t/2

V=331.5+0.607T

其中T为环境温度，t为超声波来回所用的时间（t=T0*0.000001s，T0为计数器计的数值）

3.2超声波发射元件及电路

3.2.1压电式超声波传感器

压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志（R为接收，T为发射）。

压电式超声波换能器（如图3-2）主要技术指标如下：

中心谐振频率：

40±1kHz，静电容量：

1500pF。

灵敏度：

≥-70dB/V。

最大输入电压：

20V。

绝缘电阻：

≥100MΩ。

温度特性：

-20-+60℃，灵敏度变化<10dB。

湿度特性：

90%-95%RH，放置100h，灵敏度变化<3dB。

外形尺寸：

φ16×22mm。

结构：

空气型。

使用距离：

收、发相对，有效传输距离≥15米。

反射接收，有效距离4-7米。

条件：

接收头配60dB放大，具有体积小、灵敏度高、性能可靠等特点。

图3-2

3.2.2超声波发射电路

超声波发射电路（如图3-3）的工作原理是，由单片机的P1.3口发射出40Khz的脉冲信号，因为单片机的P1.3口电流较小，且电压不大，没有足够的功率推动超声波换能器发射超声波，所以采用9012三极管连接的放大电路，将P1.3口的信号进行电压和电流的放大，从而已足够的功率发出超声波，增加测距的长度。

图3-3超声波发射

3.2.3超声波接收电路

超声波接收电路的设计原先计划采用cx20106a作为接收芯片，因为它可以锁定固定的40Khz信号，但通过实际搭接电路进行测试，发现干扰信号较多，而且当发射头发射的信号不稳定时很难锁定信号，是接收效果不佳。

通过翻阅资料我采用如图3-4电路。

工作过程是：

当超声波发射头发出信号时，由接收头接收，因为接收到的信号很小，所以首先必须进行放大，9014组成的放大电路不仅能够放大电流，同时能将幅度放大，由于外界环境中干扰信号较多，所以采用104进行滤波，只有高频信号能通过，，多级104能够提高电路的抗干扰能力，，最后一级9014组成的电路实际是一个开关电路，当没有接收到信号时，9014不能导通，P3.2为高电平，当接收到的信号经过放大推动后级9014导通时，P3.2接的0.7v左右的导通电压，此时为低电平，当单片机判断此端口为低电平时，立刻进入中断，进行运算处理。

D4的作用是判断是否接收到信号，接收到是亮，否则暗。

图3-4超声波接收

3.3LCD1602显示电路

3.3.11602基本资源

1602是一种专门用于显示字母、数字、符号的液晶显示模块，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。

（1）1602主要技术参数：

显示容量:

16×2个字符；芯片工作电压:

4.5—5.5V；工作电流:

2.0mA（5.0V）；模块最佳工作电压:

5.0V；字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm。

（2）各个管脚功能：

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表3.1所示

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

电源地

数据

VDD

电源正极

数据

液晶显示偏压

数据

数据/命令选择

数据

R/W

读/写选择

数据

使能信号

数据

BLA

背光源正极

数据

BLK

背光源负极

表3.1引脚接口说明表

（3）各管脚解法详解

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

3.3.21602硬件电路

LCD1602的硬件电路连接如图3-5所示

图3-5LCD1602

3.4DS18B20温度补偿电路

3.4.1DS18B2的简介

温度补偿采用MAXIM公司的DS18B20作为温度传感和测量装置，与传统的热敏电阻有所不同，DS18B20可直接将被测温度转化成数字信号，以供单片机处理，它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。

测量范围在之间，测量分辨率可选9位或12位，在范围内保证精度．因此完全可以满足普通条件下的测温要求。

DS18B20采TO一92型封装只有3个引脚，一根电源线，一根地线，一根数据线，每片DS18B20有一个64位串行代码存储器。

DS18B20具有以下特点：

采用单线技术，与单片机通信只须一个引脚；通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，简化了分布式温度检测的应用；实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；可通过数据线供电，电压范围为3~5.5V；不需备份电源；测量范围为-55~+125度，在-10~+82度范围内的误差为±0.5度；数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择，可配置实现9~12V的温度读数；将12位的温度值转换为数字量所需时间不超过750ms；用户定义的、非易失性的温度告警设置，用户可自行设定告警的上下限温度。

由于超声波在空气中传播其速度易受湿度、温度、压强的影响，其中温度的影响最大，因此用常温下超声波速度331.5m/s来计算不同温度下的超声波测距的距离是有很大误差的，这就需要根据经验公式：

V=331.5+0.607T对超声波的波速进行补偿，本电路采用DS18B20进行现场温度采集，不需要外围电路，可直接与单片机相连，通过它可实时采集现场温度，对声速进行补偿，从而提高测量精度。

3.4.2温度传感器（DS18B20）的引脚分布图如图3-6所示

图3-6

3.5电路整体电路图（见附录一）

4系统软件的设计

超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。

我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，而且语言简单易，所以采用C语言编程。

4.1超声波测距仪的算法设计

超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。

由于超声波传播速度很快，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约200ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断0接收返回的超声波信号。

接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，根据公式D=S/2=（V×t）/2cm计算距离。

其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，v为声速，t为声波来回所用的时间。

4.2主程序流程图

软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图4-1所示。

图4-1

4.3软件的调试程序（见附录二）

5系统制作与调试

5.1电路安装与调试

（1）超声波发射和接收采用Φ16的超声波换能器UCMT40（T发射）和UCMR40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求，如果将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。

（2）完成焊接之后，首先需要检查整个电路的焊接是否正确，是否有接错与短路。

尤其注意电源是否短路，每个焊点有无虚焊。

还需注意晶振和配套电容要与芯片晶振接口18、19脚要尽量接近；晶振在焊接时管脚尽量短；有极性的电解电容正负不要接反；注意三极管各引脚的极性。

（3）进行具体测试与调试。

首先检测单片机P1.3输出频率是否达到40KHZ，如果没有频率输出，那么最小系统或者在烧录时出现问题；再接下来检测输出的超声波传感器是否有40KHZ，以上测试正常说明输出部分没有错误；接着检测接收电路，当超声波接受管接收到40KHZ的频率的时候P3.2为低电平，遮挡接收管，使其接收不到信号时，P3.2脚输出高电平；然后检测显示电路，编写一个简单的程序，检测给P3.2一个低电平，单片机是否可以使LCD1602正常显示。

最后全部检测正常后，烧入完整的程序后就可以检测了。

（4）硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。

根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。

根据所设计的电路参数和程序，测距电路能测的范围为0.03～1.7m，最大误差不超过1.5cm。

电路调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化电路使其达到实际使用的测量要求。

5.2测量数据

5.2.1测试方案

超声波测距电路的检测较为简单，可以先测量距离墙壁10cm的距离，然后匀速移动超声波探头使其不断远离墙壁，看显示距离是否和实际距离相同。

。

5.2.2测试数据

利用上述方法，我们对距离进行了测量，数据如下表5.1：

实际距离（m）

0.10

0.70

1.20

1.50

测试距离（m）

0.101

0.201

0.503

0.705

1.22

1.52

误差

0.001

0.003

0.006

0.02

表5.1

通过以上述数据分析可知：

（1）测量误差<1.5cm；

（2）测量盲区约为3cm；

5.2.3实验误差分析

实验过程中，引入测量误差的原因主要有:

（1）发射与脉冲计数必须同步开门，接收回波与停止计数必须同时进行（处理时间忽略）。

前者很容易做到，后者由于时间太短，很难完全准确地做到，这样就导致了误差的产生；

（2）衰减导致的误差，由于超声波在传播途中受空气热对流扰动、尘埃吸收的影响，回波幅度随传播距离成指数规律衰减，使得远距离回波很难检测。

结束语

完成情况：

此次电路设计基本达到设计要求，测量距离最大为生生死死m，最小为生生死死m，测量精度为符合法规和法国

所得收获：

通过几周的努力，基于单片机的超声波测距仪设计的毕业设计终于在我的努力下完成了。

设计能够成功的完成是与余老师细心的指导和帮助分不开的，在此表示忠心的感谢。

在这次毕业设计过程中。

通过资料的查阅，制定方案等一系列过程，极大的丰富了我的专业知识，使我的理论与实际动手能力又有了一个很大的提高，特别是在单片机编程方面又学到了不少新的东西。

毕业设计使我有机会把自己平时理论学习能够运用到实际中去，理论与实践相结合使我对自己的毕业设更加得心应手，在设计过程中同样也发现自己在各方面还存在不少问题，值得一说的就是自己有时候做事还是比较急躁，记得程序做好以后，我就马上迫不及待装机进行测试，但结果大失所望，显示、输出什么都没有。

测试单片机，ALE无信号，竟然连EA都没有接，迫使单片机无法正常工作。

当然，经过自己修复后一切正常。

经过这次也使我真正的认识单片机管脚的重要性，也从此得到了一个教训，做事一定有条理，不能急躁的去干，否则造成大返工，吃亏终就是自己。

毕业设计对我来说，是三年来所学的所有知识的一个非常全面的综合性应用，涉及的理论知识面也很广，需要了解各方面的知识，是理论与实践相结合的最好体现，也是对我们大学三年生活的一种肯定，所以我们大家都是用心去把它做到最好，毕业论文的编写经过了很长的时间，也发现了很多问题，但是在发现问题并解决问题的同时，不仅巩固了自己的知识，更加锻炼了自己的动手能力。

致谢

首先，我要感谢我的导师余平生老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严格要求，同时也感谢本校的一些老师在毕业设计期间所给予我得帮助。

在我毕业论文写作期间，各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀，没有您们这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计，借此机会，向您们表示由衷的感激。

同时还要感谢系实验室在毕业设计期间提供给我们优越的实验条件。

接着，我要感谢我的同班同学。

在毕业设计的这段时间里，你们给我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助还有工作上的支持，在此也真诚的谢谢你们。

同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，在和他们的相互帮助和启发中，才有我今天的小小收获。

最后我要深深地感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。

还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的朋友，在此无法一一列举，在此也一并表示忠心地感谢！

参考文献

[1]胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10

[2]时德刚.刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10

[3]李全利.单片机原理及应用技术.北京：

高等教育出版社，2004.11

[4]李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：

北京航空航天大学出版社，1993.6

[5]陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术（第二版）.武汉：

华中理工大学出版社，1999.4

[6]徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，1999.6.

[7]苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：

人民邮电出版社，1993.7

[8]张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：

中国科技大学出版社，1993.10

[9]九州.放大电路实用设计手册.沈阳：

辽宁科学技术出版社，2002.5

[10]周雪.模拟电子技术：

西安电子科技大学出版社2005.7

附录

附录一电路整体电路图

附录二软件的调试程序

#include

#include"LCD.h"

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

//data__________________________________________________

ucharTime_Data[]=

{

'0',

'1',

'2',

'3',

'4',

'5',

'6',

'7',

'8',

'9'

};

//===============================超声波模块定义

sbitRemPin=P3^2;//接收端（）这个不能修改，因为是外部中断（INT0）的引脚

sbitTxPin=P1^3;//发射端

//***********************************************************************

//ds18b20数字温度传感器控制引脚定义

sbitdq_ds18b20=P3^3;//定义控制DS18B20

//**********************************************************8

voiddelay25us_40

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