基于单片机的超声波测距系统方案.docx

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基于单片机的超声波测距系统方案

基于单片机的超声波测距系统

第一章绪论

1.1选题背景与研究意义

1.1.1选题背景

一般认为，关于超声的研究最初起始于1876年F1Galton的气哨实验。

当Galton在空气中产生的频率达300KHz,这是人类首次有效产生的高频声。

而科学技术的发展往往与一些偶然的历史事件相联系。

对超声的研究起到极大推动作用的是，1912年豪华客轮Titanic号在首航中碰撞冰山后的沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家们提出用声学方法来预测冰山，在随后的第一次世界大战中，对超声的研究得以进一步的促进。

近些年来，随着超声技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普与。

目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。

此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。

而我国，关于超声的大规模研究始于1956年。

迄今，在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。

中国测试技术研究所茂山在《超声波测距原理与实践技术》中详细地阐述了超声波的测距原理，并给出了实现超声波测距的具体框图，并讨论了影响超声波测距精度的几种原因。

在本文中，他并未提与超声波测距所需的一些具体电路，只是给出了测距一般所需的电路名称，没有提与各种电路间的匹配。

1998年，曼斯德马泰克（）推出了一种数字式超声波位移测量仪，忠杰在《数字式超声波位移测量仪的研究》一文中介绍了这种数字式超声波位移测量仪的结构，工作原理和功能，其数据处理借助于单板机，给出了程序框图，对仪表的各部分硬件电路做了较详细的说明，并列出了部分仪表的实测数据，并分析了误差产生的原因。

在此文中，给出了超声波测距仪在对液压缸位移进行测量时与其它位移传感器的优势所在，并给出了单片机的程序框图。

中国科学院声学实验室的王润田在《双频超声波测距》一文中提出了一种双频超声波测距的原理和方法，由于空气对超声波的吸收与超声波的平方成正比，因此，用来测距的超声波的频率不能很高，但另一方面频率越低，波长越长，测长的绝对误差就越大，测距的围加大与测量精度实际上是一对矛盾。

王润田提出，为了在一个较长的围达到测距的精度，在测距时同时发射两个频率的超声波，频率较大的测较近的距离，频率较小的测较长的距离，这样在较大的围实现较高的测距精度。

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，可用于识别透明与漫反射性差的物体（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。

在日常生活中，有各种各样的测距仪。

与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,在识别透明与漫反射性差的物体上也更有优势。

而且超声波还有其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点。

超声波测距是一种非接触式测量,广泛应用于倒车防撞雷达、机器人接近觉、海洋测量、物体识别等领域。

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。

1.1.2研究意义

本设计是超声波测距仪装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处器。

采用超声波传感器分时工作于发射和接收,利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离。

因此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。

在日常生活中起了广泛的作用。

超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，与激光测距、红外线测距相比，超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明与漫反射性差的物体上也更有优势。

由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用，如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别。

1.2超声波概论

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的，其频率在20kHz以上。

超声波在工业生产、医疗技术、日常生活中的应用越来越多。

超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性，由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点，常用于测量物体的距离、厚度、液位等。

我们知道，电磁波的传播速度为3×10m/s，而超声波在空气中的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的。

超声波在一样媒体里传播速度一样，即在相当大的频率围声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法和电磁波是类似的。

                          A=A（x）cos（ωt+kx）                                            

 A（x）=A0                         

式中，A（x）为振幅，A0为常数，ω为圆频率，t为时间，x为传播距离，k=2π/λ为波数，A为波长，为衰减系数。

 a为介质常数，f为振动频率。

在空气中，a=2×10，当振动的声波频率f=40kHz带入式可得 3.2×10/cm，即1/=31m;若f=30kHz,则1/=56m，它的物理意义是：

在（1/）的长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高衰减的越厉害，传播的距离越短。

声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。

考虑实际工程测量要求，选用频率f=40kHz的超声波。

1.2.1超声波的传播速度

由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的性质有关。

声波在20摄氏度的空气中传播的理论值为344米每秒，这个速度在0摄氏度下降到334米每秒。

声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次温度湿度和大气压也是其中的因素，而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。

他和温度的关系可以用以下公式来表达：

V=331.45+0.61T。

在使用时如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

本装置采用20摄氏度下的声音传播速度344米每秒。

1.2.2超声波的产生和使用频率

要利用和研究超声波，首先要设计和制作超声波发生器和检测超声波的探头。

总体上讲超声波发生器可以分为两大类：

一类使用电器方式产生超声波，一类是使用机械方式产生超声波。

电器方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛，液哨和气流璇笛等。

他们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不一样，因而用途也各不一样。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。

经分析和大量实验表明，频率为40KHZ左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。

1.2.3超声波传感器的主要用途

利用超声波的特性，制成不同功率与频率的超声波传感器，就可以应用在以下几个方面:

工业中有金属材料与部分非金属材料探伤;测量金属材料厚度;超声波加工;超声波焊接;超声波清洗等。

通信中有定向通信。

医疗中有超声波诊断仪;超声波血流计、洁牙器等。

家用电器中有遥控器、加湿器、防盗报警器、驱虫（鼠）器等。

测距中有汽车倒车防撞;装修工程测距;盲人探路等。

第二章方案论证

2.1超声波测距原理

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

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。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不一样，因而用途也各不一样。

目前较为常用的是压电式超声波发生器

超声波测距通常采用度越时间法,即利用s=vt/2计算被测物体的距离。

式中s为收发头与被测物体之间的距离,v为超声波在介质中的传播速度（v=331.41+T/273m/s）,t为超声波的往返时间间隔。

工作原理为:

发射头发出的超声波以速度v在空气中传播,在到达被测物体时被其表面反射返回,由接收头接收,其往返时间为t,由s算出被测物体的距离。

T为环境温度,在量精度要求高的场合必须考虑此影响,但在一般情况下,可舍去此法,由软件进行调整补偿。

由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，附表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。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，就可以求出距离。

这就是超声波测距原理。

表1温度与声速的关系

温度（℃）

－30

－20

－10

0

10

20

30

100

声速（m/s）

313

319

325

333

338

344

349

386

2.2系统的工作原理

系统的工作是由软件和硬件的配合过程。

先由微机使555使能端置1，继而555送出40kHz频率的方波信号经过压电换能器（超声波发射头）将信号发射出去与发射超声波,同时该时刻启动定时器开时计时。

该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。

同时,压电换能器（超声波接收头）将接收的回波与接收超声波,通过信号处理的检波放大，与通过三级放大后再送到比较器进行比较输出比较电压,输出电压经过三极管以后，使之电压与AT89C52的I/O口相匹配最后送至微机处理。

最后进行LCD液晶显示同时配上美妙的音乐。

超声波测距系统设计框图如图2.1所示。

图2.1超声波测距系统组成框图

2.3系统的组成

该超声波测距系统硬件电路组成比较简单，包括AT89C52单片机，超声波发射电路和超声波接收电路，电源部分与显示电路。

2.3.1单片机主机系统电路

AT89C52单片机采用CHMOS共以与高密度、非易失存储技术制造，与89cC51引脚和指令系统完全兼容，其部所含功能部件如下：

1个8位CPU；1个片振荡器计时钟电路；8KBPEROM；3个16位定时/计数器；21个特殊功能寄存器；4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线；1个可编程全双工串行口；8个中断源。

AT89C52构成的单片机系统是结构简单、造价低廉、效率较高的微控制系统。

2.3.2超声波发射电路

发射电路由555构成的多谐振荡器和超声波发射头组成。

2.3.3超声波接收电路

超声波接收电路包括由MC3403构成的三级回波放大电路以与LM358电压比较整形电路两部分,与超声波接收传感器T-40-16配合使用,实现超声波的接收功能。

2.3.4稳压电源

在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一的能量来源，稳压电源的主要任务是将50Hz的电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足负载的需要，直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。

其中，变压器将交流电源（220V50Hz）变换位符合整流电路所需要的交流电压；整流电路是具有但方向导电性能的整流器件，将交流电压整流成单方向脉动的直流电压；滤波电路滤去单向脉动直流电压中的交流部分，保留直流成分，尽可能供给负载平滑的直流电压；稳压电路是一种自动调节电路，在交流电源电压波动或负载变化时，通过此电路使直流输出电压稳定。

2.3.5LED显示系统电路

测控系统中常用的测量数据显示器有发光二极管显示器（简称LED或数码管）和液晶显示器（简称LCD）。

这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，本系统输出结果选用2个LED显示。

本系统采用8段共阴型LED，每位数码管部有8个发光二极管，公共端由8个发光二极管的阴极并接而成，正常显示时公共端接低电平（GND），各发光二极管是否点亮取决于a-dp各引脚上是否是高电平。

2.3.6音乐播放模块

在音乐播放模块中，硬件电路主要是由功率放大器LM386和声器构成。

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。

第三章系统硬件电路的设计

硬件电路主要分为单片机系统与显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路和电路音乐回放电路等部分组成。

3.1AT89C52单片机

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B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，片配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。

本设计中选择了部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。

如图3.1所示。

图3.1单片机的最小电路

3.1.1时钟电路

计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲

是由单片机控制器中的时序电路发出的。

单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。

为了保证各部件间的同步工作。

单片机部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。

要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。

因此选择了部时钟方式。

利用蕊片部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL两端跨接晶体或瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入部时钟电路如图1所示，外接晶振时，C1和C2值通常选择为30PF左右。

C1，C2对频率有微调作用。

晶体的频率围可在1.2～12MHZ之间选择。

在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。

可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机蕊片靠近。

3.1.2复位电路

有图可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与Vcc电源接通。

复位是单片机的初始化操作。

单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

因而，复位是一个很重要的操作方式。

但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。

3.2超声波发射电路

发射电路由555构成的多谐振荡器和超声波发射头组成。

3.2.1多谐振荡器

采用555构成多谐振荡器可以实现宽围占空比的调节!

并且电路设计简单!

占用面积小。

如图3.2所示，由单片机AT89C52的P2.3口发出同步脉冲信号!

该同步脉冲启动多谐振荡器!

使其输出40KHZ的高频电压信号!

经过整形直接加至超声波换能器探头!

根据逆压电效应!

产生振动频率为40KHZ的超声波。

图3.2超声波发射电路

接通电源后，电容C被充电，VC上升，当VC上升到

2/3VCC时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使VC下降。

当VC下降到1/3VCC时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。

电容器C放电所需的时间为

当C放电结束时，T截止，VCC将能过R1，R2向电容器充电，VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间为

当VC上升到

2/3VCC时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为

由于555部的比较器的灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压的温度变化的影响很小。

图3.3555的工作波形图

从555的工作波形图，可看出占空比是固定不变的。

为了调解的方便，我把R1和R2都换成了电位器，就形成了占空比可调的电位器。

使的超声波的发射电路更加具有高效性。

也能满足波尽可能的减小失真。

从面达到测距更长的效果。

3.2.2超声波传感器

从图3.2超声波的发射电路上看还有一个超声波传感器。

它具有把电信号转化为机械信号，同时又能把机械信号转化为电信号的功能。

在设计中选择了压电式超声波发声器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器部结构如图3.4所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

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，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，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器了。

本文所采用的超声波传感器是T/R-40-16（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16表示其外径尺寸，以毫米计）

图3.4超声波传感器结构

3.3超声波接收电路

超声波接收电路包括由MC3403构成的三级回波放大电路以与LM358电压比较整形电路两部分,与超声波接收传感器T-40-16配合使用,实现超声波的接收功能。

图3.5超声波接收电路

3.3.1放大电路与其参数的设计

当测量距离较大时,超声波的回波较弱,这时候就需要将信号放大,否则其转换成电信号的幅值也会比较小。

如图3.5所示,设计中,采用三级放大电路,将信号最大能放大50万倍。

其中运算放大器IC3A、IC3B放大倍数为100倍,IC3C放大倍数为可调的。

根据公式Au=R6/R4（以第一级放大电路为例）,可以求得各放大电路的参数。

计算后,取值如下，R3=10K，R4=10K，R6=1M，R7=1M。

第三给放大是可调的Au=Rx/R2.其中R2=10K。

Rx为500K可调的滑动变阻器。

所以放大倍数是在（0～50）之间。

从图3.5中，可以看到各个运放的基准电压都是可调的。

这样更有利于达到自己想要的理想结果。

超声波接收头接收到的40kHz反射波交流信号。

电容C5、C9、C12的作用为滤掉直流信号,对电容的大小无特别要求,所以一律选为1000PF。

其中的放大电路是由MC3403构成的。

MC3403是四低功耗运算放大器。

它的引脚结构如图3.6所示。

图3.6MC3403的引脚结构

3.3.2电压比较电路与其参数的设计

电压比较器的功能是比较两个电压值的大小,例如,将一个信号电压U1和另一个参考电压UR进行比较,在U1>UR和U1

比较器的输出通常只有高电平和低电平两个稳定状态,因此它相当于一个受输入信号控制的开关,当输入电压经过阈值时开关动作,使输出从一个电平跳转到另一个电平。

系统中,比较器的作用是将信号电压与设定的基准电压相比较,当信号电压大于基准电压时,比较器输出正脉冲,Q1导通,P2.5接收负脉冲信号,单片机CPU发出中断,记录发射信号与接受信号之间的时间,并计算距离。

在比较器的设计中要考虑两点因素:

第一,要使Q1导通;第二,要使经过三极管以后的电压与AT89C52的P2.5口相匹配。

为了在实际应用时能得到合适的参数,将R10设计为最大阻值为5.1kΩ的电阻,这样,R10的阻值便可得到满足上述条件的电压信号。

用做电压比较器的的LM358，从图3.5可以看出比较器的的基准电压是可调的，因为从超声波接收的信号，要求有很高的灵敏度和精度，从放大电路出来的电压变化是非常微妙的，必须配和可调的基准电压采能满足进行比较达到达到设计中的需要。

LM358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

图3.7为LM358的引脚结构图。

图3.7LM358的引脚结

3.4LCD液晶显示部分结构

在显示模块中，选择了JM12864J型图形点阵液晶显示模块进行显示。

通过硬件电路和软件结合使得在液晶中显示如图3.8所示。

JM12864J一共有有20个引脚，包括数据引脚，控制引脚和电源引脚，硬件电路非常简单。

强大的功能主要是通过软件实现。

图3.8LCD显示屏

3.4.1LCD的参数和性能与引脚介绍

JM12864J是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器与128×64全点阵液晶显示器组成.可完成图形显示,也可以显示8×4个（16×16点阵）汉字.LCD显示器是把LCD显示屏和控制模块结合在一起组成一个的整体。

主要技术参数和性能:

Ø电源:

VDD:

+5V；LCD外接驱动电压为-3.0∽-8.0V

Ø显示容:

128（列）×64（行）点

Ø全屏幕点阵

Ø七种指令

Ø与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线.

Ø占空比1/64

Ø工作温度:

-10℃∽+60℃,存储温度:

-20℃∽+70℃

显示器模块的外部接口是通过它的外接引脚，由外部对其进行读写操作共同形成的。

外部引脚提供了接口的通道，而外部单片机对模块的读写操作则执行了单片机的模块之间的信息交流，也就是显示容的交流.JM12864J一共有20个引脚，外部引脚编号为1～20。

外接引脚编号、符号与其含义如表2所示。

表2外部引脚与含义

管脚号

管脚名称

电平

管脚功能描述

1

VSS

0V

电源地

2

VDD

5.0V

电源电压

3

V0

-

液晶显示器驱动电压:

0～-5V

4

RS

H/L

RS=“H”,表示DB7~DB0为显示数据

RS=“L”,表示DB7~DB0为显示指令数据

5

R/W

H/L

R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7~DB0

R/W=“L”,E=“H→L”,DB7~DB0的数据被写到IR或DR

6

E

H/L

使能信号：

R/W=“L”,E信号下降沿锁存DB7~DB0

R/W=“H”,E=“H”DDRAM数据读到DB7~DB0

7～14

DB0～DB7

H/L

数据总线

15

CS1

H/L

H:

选择芯片（右半屏）信号

16

CS2

H/L

H:

选择芯片（左半屏）信号

17

RESET

H/L

复位信号,低电平复位

18

VOUT

-10V

LCD驱动负电压

19

LED+

DC+5V

LED背光板电源

20

LED-

DC0V

LED背光板电源

3.4.2AT89C52和LCD显示器模块的接口

AT89C52和LCD显示器模块的接口包括硬件接口和软件接口两个部分。

硬件接口是指AT89C52和LCD显示器模块的信息逻辑接线方法。

软件接口是指AT89C52对LCD显示器模块的显示控制方法与程序。

下面分别介绍这两种接口方法。

3.4.2.1AT89C52和LCD显示器模块的硬件接口

AT89C52和JM128