基于51单片机的超声波测距系统的毕业设计说明Word文档格式.docx
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利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。
因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。
同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。
1.2国超声检测发展综述
在基于传统的测力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，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防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。
1.3超声波测距存在的问题与课题的意义
我就影响超声测距误差的几个因素做了分析，并为本系统选择了比较适合的传感器，即由一支发射探头UCM-T40KI和一支接收探头UCM-R40KI的收发分体式传感器。
本节在此基础上就如何具体设计本系统进行详细分析。
系统计划在实验室实现小围测距，测试距离约为0.2m—3m米，系统整体结构如图所示。
图1-1系统设计方案图
发射电路采用单片机P1.0端口编程输出40kHz左右的方波脉冲信号，同时开启部计数器T0。
由于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求，驱动超声传感器UCM-40T发射超声波距离足够远，故在此电路上加功率放大电路。
从接收传感器探头UCM-40T传来的超声回波很微弱（几十个mV级），又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的。
本系统设计此部分电路时采用一级放大和带通滤波电路，中心频率40KHz左右，放大滤波电路均采用了高速精密运算放大器TL082，输出信号大约在5V左右。
由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应信号常为下降沿脉冲信号，故信号在放大电路后通过LM393构成的比较电路，将正弦信号转换成方波信号，用方波的负跳变作单片机的中断输入，使得单片机知道已接收到超声信号，部计数器停止计时。
1.4本文主要研究容
本系统硬件部分由STC89C51控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、声音报警电路和LCD显示电路组成。
超声波测距器的系统框图如下图所示：
图1-2系统设计总框图
由单片机STC89C51编程产生10us以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。
一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。
发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。
单片机利用声波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的距离，并由单片机控制显示出来。
由时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。
计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。
图1-3时序图
第2章超声波测距原理与方法
2.1超声波简介
超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。
超声波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。
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。
2.1.1超声波的三种形式
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。
2.1.2超声波的物理性质
（1）超声波的反射和折射
当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；
另一部分透射过界面，在相邻介质部继续传播。
这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。
（2）超声波的衰减
超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。
（3）超声波的干涉
如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。
由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。
2.1.3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，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）热学作用
如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。
2.2超声波传感器介绍
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。
他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
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。
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，便产生超声波。
反之，如果两极间未外加电压，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。
超声波传感器结构如下：
图2-1超声波传感器外部结构图2-2超声波传感器部结构
2.2.1超声波测距原理及结构
电能或机械能转换成声能，接收端则反之。
本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式 超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。
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。
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，就成为超声波接收器。
在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。
超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
超声波测距的方法有多种：
如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。
本设计采用往返时间检测法测距。
其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。
测试传输时间可以得出距离。
假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·
s－1表示，则有关系式（2-1）
s=vt／2（2-1）
在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式（2-2）对超声波传播速度加以修正，以减小误差。
v=331．4+0．607T（2-2）
式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。
它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。
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。
流体动力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，超声传感器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把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”。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英，妮酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等。
其具有下列的特性:
把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变;
相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其部产生一定方向的电场。
所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。
因此，用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。
前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向
A
压电晶片
B
在一定围是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
图2-3双压电晶片示意图
双压电晶片如图2-3所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。
图2-4双压电晶片的等效电路图
双压电晶片的等效电路如图2-4所示，
为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗,并联电阻Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感，
为损耗串联电阻。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率ƒo。
发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样，超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。
在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。
双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。
这两处的支点就成为振子振动的节点。
金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波;
接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。
2.2.2超声波传感器选择
超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头（接收纵波）、斜探头（接收横波）、表面波探头（接收表面波）、收发一体式探头、收发分体式双探头等。
超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。
一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。
其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波;
收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多;
频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。
本文中选用的探头是4OKHz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40KI和一支接收传感器UCM-R4OKI组成，其特性参数如表2-5所示。
表2-5传感器特性参数表
型号
UCM-T40K1
UCM-R40KQ
结构
开放式
使用方式
发射
接收
中心频率
频带宽
灵敏度
声压
指向角
容量
2.2.3超声波测距的原理
超声波测距方法主要有三种：
1）相位检测法：
精度高，但检测围有限；
2）声波幅值检测法：
易受反射波的影响；
3）渡越时间法：
工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：
检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。
设l为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，则有l=ct/2。
综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。
图2-6测距原理
由于超声波也是一种声波，其声速c与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米／秒。
表2-7列出了几种温度下的声速：
表2-7声速与温度的关系表
温度（摄氏度）
－30
－20
－10
10
20
30
100
声速（米／秒）
313
319
325
323
338
344
349
386
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速c是基本不变的，计算时取c为340m/s。
如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。
在本系统中利用AT89S52中的定时器测量超声波传播时间，利用DS18B20测量环境温度，从而提高测距精度。
空气中声速与温度的关系可表示为：
（2-3）
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：
L=1/2（331.4+0.6T）t。
（系统中应用该式进行温度补偿）
如果为了进一步提高测量精度，本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的设计：
。
（系统中应用该式进行角度补偿）
2.2.4发射脉冲宽度
发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。
减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。
但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。
在具体设计中，比较了25µ
s（l个40KHz方波脉冲），100µ
s（4个40KHz方波脉冲），200µ
s（8个40KHz方波脉冲），800µ
s（32个40KHz方波脉冲）的发射脉冲宽度，作为发射信号后的接收信号。
最终采用短距离（2m）发射200µ
s（8个40KHz方波脉冲）发射脉冲宽度;
长距离（2m外）发射800µ
s（32个40KHz脉冲方波）的发射脉冲宽度，同时单片机编程避开盲区。
此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。
2.2.5测量盲区
在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。
此时，在短时间放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。
不同的检测仪阻塞程度不一样。
根据阻塞区的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。
由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间围，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下:
图2-8传感器回波测距原理分析图
如图所示，当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。
因此，在一段较长时间，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平Vm;
另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。
当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。
在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。
为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。
由图2-8可见，从b点以后，接收的信号低于闽值，相当于测距的远限。
另外，从图中A点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。
从c点以后，发射信号低出阈值Vm，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高时，把oc这段时间规定为盲区时间。
从距离上说，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。
因此，cb为可测距围;
b点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。
2.3本章小结
本章首先介绍了超声波的形成、超声波在传播过程中的反射折射规律以及如何衰减;
通过详细分析超声传感器的部结构以及影响超声传感器的几个重要参数给出本系统设计中所用超声传感器的特性参数;
分析了超声波测距的基本原理，并在此基础上给出了测距的几种常用方法以及传感器指向角、工作频率、环境温度、发射脉冲宽度和测量盲区对超声测距精度的影响。
第3章系统硬件设计
系统硬件主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成。
随着超声波测量技术的不断提高，用超声波测量任何目标物体，都存在着超声波的发射和接收问题。
不论超声波传感器的大小、形状、灵敏度有何不同，其工作原理都有是一样的（都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能，即在媒质中产生超声波），要提高超声测量的精度或分辨力，必须从超声波的发射和接收两方面入手，这也是设计超声测量仪器的关键和难点所在。
发射电路采用单片机P1.0端口编程输出40KHz左右的方波脉冲信号，同时开启部计数器T0。
由于单片机端口输出功率很弱，在此电路上加功率放大电路使测量距离满足要求，驱动超声传感器UCM-40T1发射超声波距离足够远。
由于从接收传感器探头UCM40T传来的超声波回波很微弱（几十个mV级），又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑。
这里使用CX20106A集成电路对接收探头接受到的信号进行放大、滤波，信号经过P2.7端口送入单片机中进行处理。
为节省硬件考虑，显示电路采用动态扫描显示。
通过单片机编程将部计数得到的时间数据，转换为距离信息，通过三位LED数码管显示。
3.1发射电路设计
超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40－16T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。
40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：
采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。
编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40－16T以声波形式发射到空气中。
发射部分的电路，如图3-1所示。
图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
图3-1超声波发射电路框图
3.1.1发射电路设计方案
一、发射电路输出波形分析
1.发射波形的重复性
为获得高分辨力，发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性;
此外，所发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动，以便接收时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。
为避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰。
由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波，其“波形”应与晶片振动规律相同。
发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波形的重复性。
通常发射电路按发射方式分为:
单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。
测距所用超声波一般
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