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毕业设计论文超声波测距系统
毕业设计（论文）中文摘要
本文详细介绍了一种基于单片机的超声测距系统。
该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离。
在介绍了单片机性能和特点的基础上，分析了超声波测距的发展及基本原理，介绍了传感器的原理及特性。
由此提出了系统的总体构成。
然后简要介绍了利用51系列单片机设计测距仪的原理:
单片机发出的超声波，通过换能器发射出去，遇到被测物体后反射回来，计算此超声波从发射出到接受的时间差从而得出被测物体到测距仪的距离。
针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案做了论证。
设计了一种基于8051单片机的超声波测距系统。
介绍了超声波测距的原理及8051单片机的性能和特点，并在此基础上，给出了实现超声波测距方案的系统框图及软、硬件设计。
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，常用于距离的测量。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，且在测量精度方面也能达到要求。
测试结果表明，该设计满足设计要求，具有一定的实用价值。
关键词：
超声波；8051单片机；测距
1引言
近年来，随着单片机在我国的推广，以其简单实用、功能强、体积小而日益广泛的被广大设计师采用，尤其在控制领域中的应用更为突出。
本文论述了采用单片机技术研制成功的智能距离提示器的原理与方法。
该智能距离提示器主要是利用超声波探测传感器发送超声波来测试相对应的距离。
工作时，超声波发生器不断的发出一系列连续的脉冲，并给单片机提供一个短脉冲。
超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后，也向单片机提供一个短脉冲。
最后由单片机装置对接受信号依据时间差进行处理，自动计算出该智能距离提示器离障碍物之间的距离。
该超声波智能距离提示器具有测距原理简单，成本低，制作方便易于实时控制，并且在精度方面也能达到工业实用的要求等特点。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,传播速度仅为光波的百万分之一,纵向分辨率较高.超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感,因此超声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力,在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷达、物体识别等方面有着广泛的运用。
由于超声传播不易受干扰,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量.本文以超声波理论为依据，给出日常生活中可以方便使用的非接触式超声波测距装置的设计过程。
1.1超声波测距的原理
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t，然后求出距离S＝Ct／2，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。
单片机（AT89C51）发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。
图1-1超声波测距电路
表1温度与波速的关系表
温度/℃
-20
-10
0
10
20
30
100
波速/m/s
319
325
323
338
344
349
386
由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。
所以列出了几种不同温度下的波速,请看表1所示。
在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。
波速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。
只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：
d=s/2=（vt）/2
（1）
其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。
为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：
v=331.4+0.61T
（2）
式中，T为实际温度（℃），v的单位为m/s。
1.2压电式超声波传感器的原理
目前，超声波传感器大致可以分为两类：
一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。
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。
在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。
压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，且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，这时即为超声波接收器。
1.3反射式超声波测距仪的硬件电路设计
本系统硬件电路由单片机最小系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路构成，如图1-2所示。
图1-2
本超声波测距仪的具体工作过程如下，在单片机产生复位信号后，MC9S12DG128B产生一个控制信号，控制外围电路产生40kHz的超声波，经整形放大后加到超声波换能器发射出频率为40kHz的超声波。
同时，计数MC9S12DG128B内部的定时器，测量超声波信号从发出到接收所花的时间，并把经超声波换能器R接收到的超声波信号放大、滤波、整形，并作为接收信号来启动定时器的输入捕捉功能，完成一次超声波测距的时间操作。
同时，由温度传感器DS18B20测得当前的环境温度，读入单片机，然后经其处理，在液晶显示屏上显示相应的测量值以及当前温度。
2微控制器MC9S12DG128B
MC9S12DG128B是飞思卡尔公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。
其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存储控制及加密方面有较强的功能。
MC9S12DG128B微控制器采用增强型16位S12CPU，片内总线时钟频率最高可达25MHz；片内资源包括8kBRAM、128kBFLASH、2kBEEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模块；PWM模块可设置成4路8位或2路16位，可宽范围选择时钟频率；它还提供2个8路10位精度A/D转换器、控制器局域网CAN和增强型捕捉定时器，并支持背景调试模式（BDM）。
2.1超声波的发射电路
超声波发射电路一般由超声波反射器T、40kHz的超音频振荡器、驱动（或激励）电路等组成，本设计利用门电路产生40kHz的超声波，组成的超声波发射电路见图2-1。
图2-1超声波发射电路
图中，与非门74LS00和LM386组成超声波发射电路，用74LS00构成多谐振荡器，通过调节20k的电位器，可产生超声波发射的40kHz信号，其中U3A为驱动器，电路振荡频率f≈1/2.2RC，单片机的控制信号由U2A输入。
为增大超声波的发射频率，本设计利用了单运放LM386，发射距离可达4m。
2.2超声波的接收电路
超声波接收电路如图2-2所示。
接收头采用与发射头配对的超声波接收器R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。
为了进行信号的整形，在设计中的CMOS电平的6非门芯片CD4069，可以减少电路的复杂程度，提高电路的带负载能力。
整形后的信号由C1耦合给带有锁定环的音频译码集成块LM567的输入端3脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平跃变为低电平。
图2-2超声波的接收电路
3DS18B20温度补偿电路
根据上文中式可知，温度对声速的影响较大，若不进行补偿，将会带来测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。
系统采用数字温度传感器DS18B20来采集温度，DS18B20是美国DALLAS公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。
它的测量温度范围为-55℃~+125℃，精度可达0.0675℃，最大转换时间为200ms。
数字式温度传感器和模拟温度传感器最大的区别是：
将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。
因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。
该协议定义了几种信号类型：
复位脉冲、应答脉冲时隙；写“0”、读“1”时隙，读“0”、读“1”时隙。
初始化后，传感器输出两个字节的温度，进行数据处理后得到实际温度的值，利用式
（2）可计算补偿声速。
3.1液晶显示电路
字符点阵系列模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型显示模块。
分4位和8位数据传输方式。
它提供5×7点阵+光标和5×10点阵+光标的显示模式。
提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM，可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个5×8点阵的图形字符的字模数据。
它提供了丰富的指令设置：
清显示，光标回原点，显示开/关，光标开/关，显示字符闪烁，光标移位，显示移位等。
提供内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。
OCM2X16显示两行字符，每行可以显示16个字符。
本设计采用OCM2X16，显示两行字符，一行显示当前的环境温度，一行显示所测距离。
图3-1液晶显示电路
3.2系统软件设计
系统软件包括主程序、温度采集子程序、定时器计时子程序、计算子程序、液晶显示子程序等。
主程序包括初始化和各个子程序的调用，最后把测量结果用液晶显示屏显示出来。
图3-2系统软件设计图
4超声波传感器
4.1超声波传感器的原理及结构
超声传感器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，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。
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内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。
4.2超声波发射电路
超声波发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器T构成，单片机P1.0端口输出的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。
上拉电阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04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。
接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转为电信号，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其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
4.3超声波检测接收电路
超声波检测接收电路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所示，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。
5集成电路CX20106A简介
集成电路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。
适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
CX20106A红外遥控接收器集成电路的特性：
CX20106A是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，采用单列8脚直插式，超小型封装，＋5V供电。
实际上，人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元——CPU。
单片机除了进行运算外，还要完成控制功能。
所以离不开计数和定时。
因此，在单片机中就设置有定时器兼计数器。
到这里为止，我们已经知道了单片机的基本组成，即单片机是由中央处理器（即CPU中的运算器和控制器）、只读存贮器（通常表示为ROM）、读写存贮器（又称随机存贮器通常表示为RAM）、输入/输出口（又分为并行口和串行口，表示为I/O口）等等组成。
实际上单片机里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运算和控制时，都能有节奏地进行。
另外，还有所谓的“中断系统”，这个系统有“传达室”的作用，当单片机控制对象的参数到达某个需要加以干预的状态时，就可经此“传达室”通报给CPU，使CPU根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施。
单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带”，即所谓的“内部总线”。
此总线有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中断系统等就分布在此“总线”的两旁，并和它连通。
从而，一切指令、数据都可经内部总线传送，有如大城市内各种物品的传送都经过干道进行。
MCU--51CPU和存储器。
单片机8051的CPU由运算器和控制器组成。
A运算器
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。
累加器ACC是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。
在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。
寄存器B主要用于乘法和除法操作。
标志寄存器PSW也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。
其每位的具体含意如下所示。
PSWCYACFORS1RS0OV－P对用户来讲，最关心的是以下四位。
a、进位标志CY（PSW.7）。
它表示了运算是否有进位（或借位）。
如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。
b、辅助进位标志AC。
又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则AC为1状态，否则为0。
c、溢出标志位OV。
MCS－51反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。
d、奇偶标志P。
反映累加器ACC内容的奇偶性，如果ACC中的运算结果有偶数个1（如11001100B，其中有4个1），则P为0，否则，P=1。
PSW的其它位，将在以后再介绍。
由于PSW存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字。
运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机（又称布尔处理机）。
其功能在介绍位指令时再说明，如图5-1：
图5-1DIP塑封引脚图引脚功能DIP塑封引脚图引脚功能
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，
适合于电源电压范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。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益
模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性（Features）：
＊内部频率补偿。
＊直流电压增益高（约100dB）。
＊单位增益频带宽（约1MHz）。
＊电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）。
＊低功耗电流，适合于电池供电。
＊低输入偏流。
＊低输入失调电压和失调电流。
＊共模输入电压范围宽，包括接地。
＊差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。
＊输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。
参数：
输入偏置电流45nA；
输入失调电流50nA；
输入失调电压2.9mV；
输入共模电压最大值VCC~1.5V；
共模抑制比80dB；
电源抑制比100dB。
LM358应用电路图：
如图5-2：
图5-2
6超声波传感器测距模块的硬件设计
超声就是指频率高出可听频率极限（即在20kHz以上的频段）的弹性振动，这种振动以波动形式在介质中的传播过程就形成超声波。
超声波技术应用于流量测量的原理是：
由超声换能器产生的超声波以某一角度入射到流体中，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息，利用接收到的超声波信号就可以测量流体的流速和流量。
上世纪70年代以后，由于集成电路技术的迅猛发展，高性能、高稳定性的锁相技术的出现与应用，才使实用的超声波流量计得以迅速发展。
超声波流量计结构简单，压力损失小，而且使用方便，因而得到了广泛的应用。
谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。
超声波测距的基本工作原理是：
发射探头发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，利用公式S=0．5ct就能算得从探头到障碍物的距离，式中：
S为所测的距离，c为超声波在介质中的传播速度．￡为超声波从发到收所经过的时间。
如图6-1：
图6-1
根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计；根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计；根据对信号的检测原理，超声波流量计非接触测量方法分为：
传播时差法、多普勒法、波束偏移法及流动超声法等不同类型，其中传播时差法又分为直接时差法、相位差法和频差法。
双频超声波多普勒流量计能够产生两组异频、相互独立的超声波信号，两种频率用于识别和排除一系列的错误信号，他能有效去除噪声信号，并将准确识别出的多普勒信号进行平方放大。
6.1硬件电路设计方法
总体的系统设计
整个系统的硬件结构可以分为两太模块：
超声波发射、接收探头及滤波放大电路的设计和数字系统的设计，如图1所示。
发射探头发射两个己知的固定频率的独立超声波信号，接收探头负责接收含有流体的流速信息的超声波。
接收到的超声波分别被前置放大电路、带通滤波器放大器、混频器及低通滤波器处理获得含有流体流速信息的低频模拟多普勒信号，再送到数字系统部分的DSP（TMS320F2812）的模／数（A／D）转换器进行模数转换。
TMS320F2812内部定时中断子程序进行数据采样，采集的数据送人环形数据缓冲区内，然后TMS320F2812对采样数据进行加窗处理、FFT变换求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。
单片机C8051F236通过SPI从DSP中读出流速的数据，再根据输入的仪表参数进行流量、累计流量等所需要的数据量的计算，并通过液晶显示器显示。
除了测量以外，还可以通过键盘选择执行安装、测试、设置仪表和现场参数等多种操作。
超声波测距系统的一般结构
一般情况下，超声波测距系统的基本结构如图6-2所示。
图6-2超声波测距系统的基本结构
系统常采用频率为40kHz的方波信号由单片机内部产生。
为了避免温度对声波传播速度的影响，都采用温度补偿以适应在不同环境下正常工作的需求。
时间的精确测量可由单片机内部单独的计数器完成，也可由外部的计时电路完成。
6.2多路同步超声波测距系统
系统由单片机、FPGA模块、6对收发同体的超声波换能器、功率放大电路、回波高增益放大电路、带通滤波电路以及比较整形电路等组成。
系统组成框图如图6-3。
图6-3系统组成框图
本系统中。
单片机系统与FPGA系统是测距仪的核心部件，用来协调各部分元件工作。
单片机控制器单元主要是启动超声波发射与计时计数器开始计数的同步以及接收到回波后对其计时计数器的值进行处理等运算。
FPGA单元主要用来产生超声波的发射脉冲频率125kHz与计时计数器的频率（>170kHz），通过微控制器MCU来启动超声波的发射，FPGA发射一定数量（这里选择8至10）的脉冲串之后，停止发射同时启动计时计数器计数，超声波途经障碍物返回。
当超声波换能器接收到回波信号之后，将其信号送入FPGA内部，用来控制计时计数器的停止，将所得的计数值送入单片机。
第一路到第五路超声波换能器用于测量距离，测量距离的五路超声波换能器按等间距分别安装在测距仪的固定板上，系统采用收发同体的探头，其波束角很小，有效的保证了各探头到被测物体的垂直测量距离。
第六路超声波换能器安装在测距仪的左侧，在测距仪的右侧安装一块标准档板，较准确的测量当时环境下的声速，用于温度补偿。
控制或显示模块用于调整平衡或输出显示测量距离的目的。
6.2.1FPGA内部各组成模块设计
FPGA主要实现125kHz的超声波的发射与接收以及六路超声波从发射到接收之间时间的测量。
其内部结构如图6-4所示。
图6-4
FPGA主要由发射模块、顺序执行计数器、数据选择器、计时计数器与接收模块五部分组成。
其中：
发射模块完成脉冲串的发射与计数器的启动，主要由96分频器、发射脉冲串计数器和发射脉冲串的控制器三部分组成。
顺序执行计数器模块主要由六与非门、计数器和非门组成。
所有的接收模块接收完数据后，通过与非门及非门输出高电平（FINISH端口），以触发单片机使单片机处于接收数据状态，单片机发出信号使顺序执行计数器开始计数，计数值每次加1，输出端口便是相应的计时计数器，单片机便从相应的计时计数器中读取计数值。
数据选择器与顺序执行计数器完成计数值数据的读取。
计时计数器模块主要完成测量脉冲发出去到接收到的时间间隔和脉冲的计数，主要由启动与关闭计数器控制、12分频器、16位计时计数器、二选一数据选择器及8位数据锁存器组成。
接收模块主要接收回波信号和关闭计数器，当接收模块接收到信号以后，便启动计数，达到计数值，就输出高电平，用来关闭计时计数器停止计数。
为防止信号串扰，在信号发射时，CUAN端输入高电平，对其信号进行屏蔽，如图6-5：
图6-5计时计数器模块
经过实验室调试，本文给出的基于单片机与FPGA相结合的多路同步超声波测距系统与其它系统具有如下优势：
（1）抗环境影响因素能力强。
在工作环境中，对声速影响的因素很多。
（2）采用125kHz的频率，同时采用多路超声波精确同步测距。
（3）采用FPGA与AT89C51结合的方案，由FPGA来完成多路超声波传播时间的精确测量，AT89C51完成信号的启动以及数据的处理。
与常规系统相比，虽然增加了FP-GA硬件，但是系统也舍弃了一些系统所采用的温度补偿模块，大大提高了系统的精度和系统的灵活性，如图6-6：
图6-6
系统总电路图如图6-7所示。
系统总共有6个模块，分别是电源模块、发射模块（超声
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