超声波测距分析.docx

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超声波测距分析

《单片机技术》课程设计说明书

超声波测距

系、部：

电气与信息工程

学生姓名：

凌昇

指导教师：

万系杰职称教师

专业：

电气自动化

班级：

电气1101

完成时间：

2013.12.22

摘要

超声波测距作为一种非接触性的光学测量方法，近年来得到了广泛应用。

它具有测量方便,不对被测物体产生损坏等优点。

超声波明显特征是方向性好，穿透性强。

尤其是在光不透过的固体中，它碰到杂质或分界面就有显著的反射。

因此，可以利用超声波实现对距离的测量。

距离是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差来确定的。

采用压电式超声波换能器。

装置包括单片机系统、显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分。

系统的软件部分则包括主程序、定时子程序、显示子程序和外部中断服务子程序。

为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。

完成了超声波测距仪的软硬件设计，实现了测量结果的显示，经系统调试可看出，LED数码管显示清晰稳定，测量结果稳定可靠，测距仪最大误差不超过5cm。

关键词：

超声波测距；51单片机

ABSTRACT 

Ultrasonic Ranging is a non-contact optical measurement method which has been widely 

applied in recent years. It has the advantages of measuring

convenience, not be the object produce damage. Obvious features of the ultrasound is directional, penetrating. Especially in light opaque solid, it met the impurities or the interface will have a significant reflection.. Therefore, we can use ultrasound to achieve the measurement of distance. The distance is got by measuring time difference that between emission ultrasonic and the echo of the measured object reflection received with piezoelectric ultrasonic transducer. The device includes a microcontroller system, display circuit, ultrasonic transmitter and ultrasonic detection receiver circuit. The software part of the system include the main program, timing subroutine display routines, and external interrupt service routine. The main program use C language for conducive to the program structure and easy to calculate the distance. I complete hardware and software design of the ultrasonic range finder, and achieve measured results display. According to system debugging, LED digital display clear and measuring results are stable and reliable and the range finder error is less than 5cm.  

Key words:

 ultrasonicrangefinder；51MCU

1 绪 论 

1.1课题设计的研究现状 

当我们的测距技术日渐趋于成熟，我们对测距的精度要求也日渐严苛，传统的测距技术在某些场合已经不能够满足人们的需要，如在井道，水位，管道等的长度测量方面，传统的测距方式已然不再适用。

在现代社会中，我们既要要求测量的准确性，又要避免人类在危险的环境下作业。

为此我们需要一种可以精确测量的非接触式的测距方式，于是超声波测距仪应用而生。

由于超声波是一种非接触式的测量方式，它具有不被光、粉尘或电磁波等外界因素干扰的一系列优点，由于自身抗干扰性好、方向性强、反射性好等优点越来越多地被人们作为一种测距识别手段[1]。

它利用超声波测距传感器的发射探头与接收探头工作时的时间差来计算出障碍物的距离，对被测目标无任何影响，再者超声波传播速度也在一定范围内与其频率无关。

这些独特的优点都使得超声波测距越来越受到人们的重视，也从70年代末期开始在生产领域广泛应用。

这也就是超声波常被用于测距的原因，如测距仪或物们测量仪等等都是通过超声波来实现的。

利用超声波检测距离比较迅速、方便，计算也较简单，易于做到实时检测，并且在精度方面也能够达到工业实用的要求，因此在工农业生产上也得到了广泛的应用。

超声波测距传感器按其可实现的检测距离可以分为大、中、小三种量程，小量程探测距离小于2m，工作频率60kHz～300kHz之间；中量程探测距离约为2m～l0m，工作频率在40kHz～60kHz之间；大量程探测距离约为20m～50m，工作频率处在16kHz～30kHz之间。

在我国的相关技术与发达国家相比也较落后，因此对这种能准确、高效、实时测量距离的方式的研究在我国尤其重要。

不论在国内还是在国外，超声波测距都占有着相当重要的地位，而它的应用也已经越来越广泛，但在国内，它的发展尚处于初期阶段，利用超声波测距技术还十分有限，在不久的未来，超声波测距仪也必将作为重要的测距手段而被社会广泛需要。

而随着计算机的迅速发展，超声波测距仪将更加智能化，精确化。

1.2课题设计的任务和要求 

1.2.1课题设计的任务 

此次课题的研究方向是超声波测距仪的软件设计。

软件主要工作流程是：

单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后将数据输出P0口显示。

软件系统总体划分为：

主程序模块，显示子程序模块，定时子程序模块，外部中断子程序模块。

主程序完成数据初始化，参数设置，以及各功能模块的调用。

 显示部分完成数据在LED数码管的显示。

中断服务程序中，提供了定时、计数功能，并且调用相关处理程序。

 故总体而言，此次选题的要求可概括为以下几点：

（1）.设计出超声波测距仪的硬件结构电路。

（2）.对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。

（3）.以数字的形式显示测量距离。

（4）.对设计的电路进行分析。

1.2.2课题设计的要求 

通过介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。

本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。

通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为V，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。

本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。

接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。

系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口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，计算距离,结果输出给LED显示。

利用本测距系统测量，范围应在10cm～200cm内，其最大误差控制在5cm。

1.3选题的意义 

超声波测距仪是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象着色、大小等的影响，较其它测距仪，它更加而潮湿、高温、粉尘、腐蚀气体等恶劣环境，具有不污染、高可靠、长寿命等优点，且易于维护。

超声波测距技术是一种原理简单、易于实现的非接触测量技术，被广泛地应用于工业、医疗、军事及日常生活等诸多领域。

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。

而本次研究的就是以AT89S52单片机为核心实现测距，有着非常重要的现实意义。

首先，有利于培养学生的独立科研开发能力。

其次，有利于学生进一步理解所学的专业知识，将自身所学与实践相结合，实现自身能力的锻炼与提高。

第三，更重要是培养团队合作意识，通过与搭档的共同努力，基于对超声波测距仪软硬件的了解，设计出一个简单，精度高，误差小的测距装置。

此题是分为两人一起来做的，目的在于使学生学会在团队中摆正自己的位置，根据自己的能力分担工作；培养同组内的合作意识及学习别人的长处，既能当好主角，也甘于当好配角，能脚踏实地的做好本职工作。

2 超声波测距原理

2.1超声波简介 

声波是一种能在气体、固体、及液体中传播的机械波，由于振动频率的不同可分为：

（1）次声波：

振动频率低于16Hz的机械波。

（2）可闻波：

振动频率在16～20kHz之间，这个频率范围内的声波可以为人类的耳朵所听到。

（3）超声波：

振动频率高于20kHz的机械波。

描述声波的物理量有两点：

（1）声压：

介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压。

随着介质中各点声振动的周期性变化，声压也在作周期性变化，声压的单位是Pa（N/m2）。

（2）声强：

声强又称为声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。

声强是一个矢量，它的方向就是能量传播的方向,声强的单位是W/m2。

2.1.1超声波的声学特性 

描述声波的声学特性的物理量有三点：

（1）声速：

声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质。

除水以外，大部分液体中的声速随温度的升高而减小，而水中的声速则随温度的升高而增加。

流体中的声速随压力的增加而增加。

其声速C也与温度有关，表2-1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。

（2）声阻抗特性:

声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介质的密度ρ与声速c之积，记作Z=ρc。

声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化,，取决于这两种介质的声阻抗特性。

两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。

例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比，接近于1:

80000，所以当声波垂直入射在空气与金属的界面上时，几乎是百分之百地被反射。

温度的变化对声阻抗特性值有显著的影响，实际中应予以注意。

（3）声的吸收：

传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一，固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。

例如：

均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。

2.1.2超声波的发生原理 

通常正常人耳朵的听力的声波范围是20Hz～20kHz，超声波是指振动频率在20kHz以上的声波。

因为它的振动次数甚高，超出了人类的听觉上限，人们把这种听不见的声波叫做超声波。

超声波和可闻声在本质上其实是一致的，它们的共同点都是机械振动波，是一种纵波，在弹性介质内传播。

它们在本质上是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率较可闻波频率高，波长也短，在一定范围内可沿直线传播，且具有良好的束射性和方向性。

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以制成超声波传感器。

有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。

为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路。

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。

超声波发生器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。

2.2超声波传感器的原理与特性 

2.2.1原理  

用超声波作为检测手段，应能发射超声波和接收超声波。

可将超声波与电量做转换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。

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）和磁致伸缩式超声波传感器。

（1）压电式超声波传感器  

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，它们都是利用压电材料（如石英，压电陶瓷等）的压电效应进行工作的。

利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动产生超声波，以此作为超声波的发射器。

而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号时，以此作为超声波的接收器。

在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器也可合成为一体，由一个压电元件作为"发射"和"接收"兼用，其工作原理为：

将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。

因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。

（2）磁滞式超声波传感器 

磁滞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，使磁滞材料振动,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。

本项目所用的压电式超声波发生器。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的 。

超声波换能器内部结构如图2-1所示，它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换能器了。

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。

超声波测距原理为：

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（S），即：

S=340t/2

这就是所谓的时间差测距法也有称为渡越时间法TOF（time of flight），见图2-2。

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以具有发送和接收声波 的双重作用，即为可逆元件。

一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。

超声波传感器的谐振频率（中心频率）有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。

谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。

2.2.2特性 

现以MA40S2R接收器和MA40S2S发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表2-2示出的就是这种超声波传感器的特性。

传感器的标称频率为40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。

超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。

另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。

MA40S2R/S传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。

图2-3表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。

2.3 超声波测距仪的测距原理 

超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。

其中，相位检测法精度高，但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射介质的影响。

因此，当前超声波测距一般使用渡越时间法。

本系统的特点是采用AT89S52单片机作为控制器，控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，用动态扫描法实现测距的LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器产生，超声波测距系统组成框图见图2-4。

如图2-5所示，超声波测距系统是由控制电路、超声波接收电路、超声波发射电路、显示电路及电源电路几部分组成的。

超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压为+5V左右，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。

下面将分别介绍控制电路也即单片机最小系统、发射电路、接收电路、及显示电路。

2.3.1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。

单片机最小系统主要由AT89S52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12MH。

晶振和两个33pF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RST管脚一方面由VCC接22μF的电容与按键并联在接个1K的电阻至地，实现按键复位。

复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。

而且单片机最小系统也是本次课题设计的控制中心，由它负责超声波的发出与接收，计算并处理测量结果，最后将结果通过P0口显示出来。

可以说它是整个设计的核心所在，好比大脑之于人类的重要性。

如图2-6即为单片机最小系统。

图2-6单片机最小系统

2.3.2超声波发射电路 

超声波发射电路如图2-7所示，AT89C52通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为25μs,40kHz的20个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。

由于超声波的传播距离与它的振幅成正比，为了使测距范围足够远，可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。

发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。

驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。

发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。

本设计中采用的是由单片机发出40kHz的方波，单片机P1.0输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。

另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。

加上拉电阻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波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

该测距电路的40kHz方波由单片机编程产生，方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。

每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。

图2-7发射部分电路图

2.3.3超声波接收电路 

超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz毫伏级的电压信号,需要经过放大、处理、用于触发单片机中断INT0。

一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同信号大小变化较大，需要放大倍数大约为100到5000倍，另一方面传感器输出阻抗较大，这就需要高输入阻抗的多级放大电路，这就会引入两个问题：

高输入阻抗容易接收干扰信号，同时多级放大电路容易自激振荡。

参考各种资料最后选用了SONY公司的专用集成前置放大器CX20106达到了比较好的效果。

CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。

其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载。

其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。

功能可描述为：

在接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其输出脚7脚输出低电平。

芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。

如图2-8所示：

图2-8内部结构框图

超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。

超声波接收器包括超声波接收探头、CX20106A处理两部分，如图2-9。

超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。

由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，经过CX20106A处理后产生负跳变，引起单片机的外部中断。

图2-9接收部分电路图

2.3.4超声波测距仪显示电路 

超声波测距系统的显示要求比较简单，测量结果采用十进制数字显示。

只需能显示0-9的数字，且显示稳定无闪烁即可。

因此显示部分采用七段半导体数码管即LED。

根据各管的极管接线形式，可分为共阴极型和共阳极型。

在共阴极接法中，LED数码管的g-a七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不发亮。

而在共阳极接法中，刚好与共阴极接法向反。

LED数码管具有亮度大，响应速度快等优点。

LED显示器有静态显示和动态显示两种。

本设计中采用动态显示方式，以实时显示距离变化。

电路图如图2-10所示。

本设计采用单片机直接驱动LED的方法，从而简化了显示电路。

但是，在制作超声波测距系统的过程中，由单片机直接驱动LED显示，电流较小，LED虽然有显示但是比较暗，因此用了74HC573来对电流进行放大可解决这个问题。

图2-10显示电路图

2.4本章小结 

本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理产生超声波的。

超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分、显示电路以及电源部分构成。

超声波的测距原理，它包括对单片机的最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路及显示电路的介绍。

3 超声波测距系统软件设计 

3.1 超声波设计概述 

本系统采用模块化设计，由主程序、定时子程序、显示子程序及外部中断服务子程序组成。

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