超声波测距仪的设计.docx

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超声波测距仪的设计

摘要

本设计采用以AT89S58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。

整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接受子程序、显示子程序、语音播报子程序等模块组成。

发射模块发射超声波，接受模块接受回波，单片机计算距离，显示测量结果。

各探头的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。

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。

超声波测距今年来得到了广泛的应用。

本设计的优点在于超声波明显特征是方向性好，穿透性强。

尤其是在光不透明的固体中，它碰到杂质或分界面就有显著地反射。

用超声波测距离时通过测量发射的超声波与接受到被测物体反射的回波之间的时间差来确定的。

关键词：

AT89S51，超声波，测距

WirelessTransmissionofUltrasonicRangefinder

Abstract

AtthecoreofthedesignusingAT89S51low-cost,highaccuracy,Microfiguresshowthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.

Aprecisionmeasuringdistancedesignusingultrasonictechnologyisintroducedinthearticle.Uponultrasonic,gooddiretionalityanddeeppenetrabilityaretwopearentfeatures,especiallyinnontransparentsolidbody.Trasonicmeasurementtheequationoftimewhichiscausedbytheflexedreturnwave.

Keywords:

AT89S51,SilentWave,MeasureDistance

第一章绪论

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，超声波将在测距仪中的应用越来越广。

但就目前的急速水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本：

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求；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖拽线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合与前还工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；搭理降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

毋庸置疑，无线的超声波测距仪将于自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。

随着测距仪的技术进步，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。

在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

1.1.2设计的意义

随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。

但是，由于历史原因合成时间的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。

因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。

城市污水给人们带来了困扰，因此，箱涵的排污疏通对打城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。

而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。

控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。

因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。

这就是我设计超声波测距仪的意义。

1.2超声波测距仪的现状和发展

1.2.1发展历史

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李茂山在《超声波测距原理及实践技术》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，他并未提及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，没有提及各种电路间的匹配。

1998年，曼内斯德马泰克（秦皇岛）有限公司推出了一种数字式超声波位移测量仪，李忠杰在《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。

中国科学院上海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，测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾。

王润田提出，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，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，这样在较大的范围内实现较高的测距精度。

而国外关于超声波测距研究的主力是莱卡公司。

1996莱卡Power型迪士通在日光下也能进行长距离测量。

1998莱卡迪士通推出basic型产品。

作为第二代的迪士通，它不仅代表了新的技术飞跃，在设计上也跃上新的台阶：

多功能底座、电池供电、快速测距等无不体现了莱卡对创新的执着。

1998莱卡迪士通推出memo和pro型，增加了数据存储功能和应用程序。

再次引发测量技术革命。

迪士通memo型能存储1000个测量值，实现智能化的测量，pro型则答应应用相关的程序进行高精密测量，成为莱卡迪士通家族中顶级的手持激光产品。

带内存的pro不光能直接用于测量，也能进行联机操作。

1999莱卡迪士通第三代classic产品诞生。

莱卡测量系统的手持激光测距仪取得了新的技术突破。

classic3取代basic，仍旧沿袭着手持测距技术世界领先的地位。

它保留了basic型诸如可靠、易于使用、精度高等使之成为行业首选产品的知名性能，又取得了要害性的进步：

体积更小、重量更轻、测距更快和价格更优。

耐用、防水的classic3堪称30m到100m乃至更远距离测量应用的理想工具。

2001创新不断，莱卡测量系统又创立了新的技术标准，率先在手持激光测距仪上采用字母数字单片机毕业论文式混合键盘。

新一代迪士通成为迪士通发展历程上新的里程碑。

它包括四类产品：

莱卡迪士通lite、迪士通classic4、迪士通pro4和迪士通pro4a。

2002测量从未如此简单！

莱卡测量系统推向市场的第五代迪士通产品中，新增了两款独特的型号，莱卡迪士通lite5和classci5。

一键按发使测量变得前所未及的简单便捷，在0.2m到200m之间，单次测量时间用不到1秒！

用lite5，每项工作如测距、计算面积或体积都能用已明确定义的按键容易实现。

classic5则以轻触式的键盘和为方便长距离测量而内置的望远镜给人留下深刻印象。

事实上，作为多年的市场领先者，莱卡测量系统深得信赖。

1.2.2研究现状

随着电子技术的发展出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。

前2种方法由于技术难度大成本高一般仅用于军事工业而超声波测距则由于其技术难度相对较低且成本低廉适于民用推广。

这项技术也可用于工业测量领域。

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，因而超声波常常用于距离的测量，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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。

超声测距是一种非接触式的检测方式。

与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光芒、被测对象颜色等影响。

对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。

因此在液位测量、机单片机毕业论文械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。

特殊是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很轻易检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。

因此本设计也是利用超声波来测量距离。

1.3本课题研究的主要内容

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（timeofflight）。

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。

本设计主要是基于AT89S51芯片为核心的超声波测距仪，74LS04组成的超声波发射电路、并有超声波处理模块CX20106A、液晶显示等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LCD显示电路语音播报电路。

主要实现超声波测距并指示功能。

依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路。

本系统成本低廉，功能实用。

第二章系统方案论证

2.1超声波测距仪的设计思路

2.1.1超声波测距原理

发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体是被反射返回，由接受器接受，其往返时间为t，有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，下表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，则应该通过温度补偿的方法加以校正。

表2—1超声波波速与温度的关系表

温度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速（m/s）

313

319

325

323

338

344

349

386

2.1.2超声波测距仪原理框图

单片机发出40khz的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接受器将接受到得超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行辨别、计算，得出距离数并送LCD显示并送语音播报模块播报。

2.1.3课题设计的要求

设计一个超声波测距仪，要求：

1）具有超声波测距功能，测量距离0.20m~5.00m测距精度±1㎝。

2）具有测量距离数值无线传输功能。

3）实时显示测量的距离，显示格式为：

X.XXm。

4）汉字提醒显示：

距离在0.40m~1.00m，显示“危险距离”并用红色LED灯指示；距离在1.00m~2.00m，显示“保持距离”，并用黄书LED灯指示；距离在2.00m以上，显示“安全距离”并用绿色LED灯指示。

5）具有实时语音播报功能，实时播报测量距离数值，格式：

X.XXm,实时播报时间间隔≤10s，实时播报声音清晰明亮、无明显失真，在1m距离处人耳能准确分辨。

语音播报要与显示同步。

2.2超声波测距方法的选择

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

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12.0MHZ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。

根据设计任务、控制对象和现有条件本系统硬件电路采用由单片机最小系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路无线通信电路以及语音播报电路构成。

本超声波测距仪的具体工作过程如下，单片机控制的振荡源产生40kHz的频率信号来驱动超声传感器。

每次发射包含6个脉冲左右,当第一个超声波脉冲发射后,计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，得到从发射到接收的时间t后,单片机读取温度值补偿声速,利用测距公式可计算出被测距离，同时由无线通信模块将测量数据传到下位机进行显示和语音播报。

系统总体框图如图所示。

图2-1发射模块

图2-2接收模块

2.3超声波发生器选择

超声波发生器可以分为两类：

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。

本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。

此次设计采用反射波方式。

测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。

超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用材料是压电式陶瓷。

由于超声波在空气传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择高频率的传感器，而长距离测量时应用低频率的传感器。

2.4超声波接受传感器

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

因此超声波接受传感器应该应用集成电路CX20106A，CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图2-3）。

实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当更改电容CS的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

此部分电路在集成芯片上

2.5显示单元选择

显示单元是计算机系统开发时使用的主要设备之一，它可将计算机的运算结果、中间结果、存储器地址以及存储器、寄存器中的内容显示出来，从而实现人机对话。

可以做显示器的有：

LED,LCD,CRT等。

CRT就是常见的显像管式的显示器。

优点是颜色视觉效果好，视角宽，可靠性高，便宜；缺点是体积大耗电多，有微量的X射线辐射。

LED就是发光二极管。

LED一般适合做大屏幕的显示设备，最突出的有点那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如显色性、对比度等都不如CRT显示器。

但是考虑到本设计需要显示测量距离，补偿温度以及危险，保持，安全等警告信号。

所以选择采用128*64液晶模块。

2.6语音播报电路选择

语音播报语音芯片有很多种，例如WT1380、WT588D等。

WT1380具有多种报警功能，定时器功能，时钟输出功能，中断输出功能以及语音播报功能。

它的语音功能和万年历功能可以同时工作，主频采用RC振荡，副频采用32.768K晶振精确分频。

可以计算年、月、日、时、分、秒等信息，并可以将时间信息反馈给主控单片机。

因而，WT1380是一款性价比极高的语音时钟芯片。

但是本设计不要求芯片有可以计算年、月、日、时、分、秒等信息的复杂功能。

所以播报电路采用WT588D系列的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片。

WT588D系列语音单片机是广州唯创科技有限公司联合台湾华邦共同研发出来的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片。

功能多音质好应用范围广性能稳定是WT588D系列语音单片机的特长，弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺陷，MP3控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制I/O口扩展输出模式，让应用人员能将产品投放在几乎可以想象得到的场所。

WT588D是一款功能强大的可重复擦除烧写的语音单片机芯片。

WT588D让语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路，高度集成的单片机技术足于取代复杂的外围控制电路。

配套WT-APP上位机操作软件可随意更换WT588D语音单片机芯片的任何一种控制模式，把信息下载到SPI-Flash上即可。

软件操作方式简洁易懂，撮合了语音组合技术，大大减少了语音编辑的时间。

2.7温度传感器的选择

大家知道，声音在不同温度的空气中传播速度是不同的，所以这里要考虑到温度补偿的问题。

温度传感器有很多种，例如温度传感器AD590。

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。

AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

输出电阻为710WM。

它的精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

但是考虑到成本问题我选用TS-18B20数字温度传感器。

该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量。

温度范围为-55°C至+125℃。

-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C

温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。

第三章系统的硬件结构设计

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、语音播报电路、温度补偿电路、无线传输、超声波发射电路和超声波检测接受电路五部分。

单片机采用AT89C51或其兼容系列。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。

单片机用P3.6端口输出超声波换能器所需的40KHz的方波信号，利用外部中断1口检测超声波接受电路输出的返回信号。

显示单元部分采用12864液晶模块。

3.1AT89S51单片机的功能及特点

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4Kbytes的课反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes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，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89S51单片机可以为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

3.1.1主要性能参数

Ø与MCS—51产品指令系统完全兼容。

Ø4K字节可以重复擦写Flash闪速存储器。

Ø1000吃擦写周期。

Ø全静态操作：

0Hz—24Hz。

Ø三级加密程序存储器。

Ø128*8字节内部RAM。

Ø32个可编程I/O口线。

Ø6个中断源。

Ø可编程串行UART通道。

Ø低功耗空闲和掉电模式。

3.1.2功能特性概述

AT89S51提供以下功能：

Ø4k字节Flash闪速存储器；

Ø128字节内部RAM；

Ø32个I/O口线；

Ø两个16位定时器/计时器；

Ø一个5向量两级中断结构；

Ø一个双工串行口通信；

Ø片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89S51可以降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，当允许RAM，定时/计数器，串行口及中断系统继续工作。

掉电式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一个硬件复位。

图3-1，AT89S51单片机

3.2单片机最小系统

其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。

如图3-2所示，单片机最小系统主要由AT89S51单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。

在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。

在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20F的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源。

其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动。

因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。

图3-2，单片机最小系统

3.3单片机测距原理

单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离

S＝Ct

2（2-1）

式中的C为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法，限于实际需要，本电路只采用单路超声波发射接收。

由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

3.4超声波发射电路

压电式超声波换能器是利用