超声波测距大学本科毕业论文

摘要

随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。在社会生活中应用超声波测距技术已很广泛，如汽车倒车雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，因而超声测距技术的研究和开发具有实际意义。

本文介绍了一种利用超声波测距的系统，该系统是一种基于STC12C2052 单片机的超声波测距系统，它根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。通过单片机的I/O口控制超声波发射电路发出40KHz的超声波，反射波经由超声波检测接收电路、放大电路送入单片机外部中断端，通过计算超声波的发射和返回的时间，确定超声波发生器和反射物体之间的距离，完成测距。该系统可实现4米内测距，盲区20厘米。

关键词：超声波；测距；单片机

Abstract

With the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. It is applied widely by ultrasonic to measure distance,such as cars reversing radar，range finder and level measurement and so on.Because of the strong point of ultrasonic, low energy consumption,long distance transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultrasonic.

In this paper ,it introduces a system to measure distance by ultrasonic,which is based on the STC12C2052.The theory is based on the principles of reflection of ultrasonic spreading in the air. The system uses ultrasonic sensors as a detector, and applies MCU and the time difference of ultrosonic spreading in the air to measure the distance. The system consists of the main controller module, ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module and display module. The MCU I / O port controls ultrasonic transmitter to send 40 KHz ultrasonic, and the reflecting singal is received by the ultrasonic receiver circuit, and it is amplified,and finally,it starts the interruptor of the MCU.The MCU calculates the time of launch and return of ultrasonic to get the disctance between the ultrasonic generator and the reflective objects. The range of measurement is within four meters,with the blind spot of 20 cm。

Keywords：Ultrasonic；Distance measurement；Microcontroller

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作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

目录

1 绪论 (1)

1.1 研究背景和意义 (1)

1.2 本领域的研究历史与现状 (2)

1.3 课题主要内容和课题研究方案 (2)

2 超声波测距系统的工作原理 (1)

2.1 超声波概述 (1)

2.2 压电式超声波传感器原理及特性 (2)

2.3 超声波测距 (4)

2.3.1 超声测距原理 (4)

2.3.2 超声波测量中盲区及近限和远限 (5)

2.3.3 提高测距仪性能的若干措施 (6)

3 系统硬件设计 (7)

3.1 电路工作原理及设计 (7)

3.2 主要电路具体设计及主要元器件介绍 (7)

3.2.1 电源电路 (8)

3.2.2 微处理器电路 (10)

3.2.3 超声波发射电路 (13)

3.2.4 超声波接收电路 (14)

3.2.5 显示电路 (16)

4 系统软件设计 (21)

4.1 软件设计的总体方案 (21)

4.2 主程序流程图 (21)

4.3 子程序流程图 (23)

5 超声波测距的误差分析 (26)

5.1测量结果 (26)

5.2误差分析

结论 (29)

致谢 (30)

参考文献 (31)

附录A 英文原文 (32)

附录B 中文翻译 (39)

1 绪论

超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其他方法相比，如激光测距、微波测距等，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。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义。

1.1 研究背景和意义

超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。

超声波测距是一种极有潜力的方法，本文结合超声波的特性设计了一个简单实用的超声测距系统。

1.2 本领域的研究历史与现状

目前国内超声波测距仪的发展主要采用引进加仿制等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。我国在该领域的发展相对国外还有很大差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性差、企业技术力量及装备差等问题。

深圳长泉机电C&Q超声波超声测距仪能快速测算距离、面积、体积，操作简易，使用方便，便宜实用，在建筑装饰、房产评估、园林绿化、展馆布置、管线铺设、体育活动等领域有广泛应用。可储存2个测量数据或计算结果，可计算面积和体积;可作连续测距和单次测距;可省电的自动关闭电源功能;公英制单位转换。

深圳市杰创立仪器有限公司生产的UD2500型超声波测距仪，可以实现公英制直接转换；测量基准选择；记忆/调出记忆数据；计算面积和体积；五组不同的记忆体；累加长度和；自动关机功能；LED背光显示；按键声提示；出错声提示；确认声音提示:面积测量功能；距离测量功能；体积测量功能；累加求和功能。

国内外的学者在提高超声波测距精度方面也作了大量的研究，影响超声波测距精度的因素包括所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度，其中传输时间的精度影响较大。许多人提出采用降低传输时间的不确定度来提高测量精度，目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或者二者的结合是主要的降低传输时间不确定度的方法。厦门大学的童峰提出了一种回波轮廓分析法[2]，该方法在测距中通过两次探测求取回波轮廓包络曲线来求得回波的起点，通过这种方法使测量精度有了很大的提高。意大利的Carullo 等人介绍了一种自适应系统，发射特殊的波形来获得好的回波包络，设置一定的回波开启电平，并采用自动增益的控制放大器。也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度[1]。

1.3 课题主要内容和课题研究方案

本课题主要内容是设计一个超声波测距系统,由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出发射点到障碍物的实际距离。

课题研究方案是根据设计要求并综合各方面因素，采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，

本设计要进行近距离测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器—压电式超声波换能器。

2 超声波测距系统的工作原理

2.1 超声波概述

声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关。对于液体介质，只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。

声速是随着介质及其状态(如温度)的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。

声速与介质的许多特性有关，有的关系非常直接，可有精确的理论公式，有的关系比较间接而复杂，但在特定条件下，也可建立一些经验公式，例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、某些液体的比重等，都可以与声速建立一定关系，这样就可以通过声速来测定这些特性参数。由于介质的温度、压强和流速等状态参量的变化都会引起响应的声速变化，因此出现了超声温度计和超声流量计等。在声速已知的介质中，可以利用身波传播距离L和传播时间t的关系L=vt，进行超声测距，超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。

声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。

由物理学可知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波型相同时，波速相同，入射角度等于反射角。当波在界面处生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波

速与折射波在第二介质中的波速之比。

超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传声介质的密度ρ与声速c的乘积，用Z表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利(rayl)。

超声波在弹性介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生原因可分为三个方面:

(1)由于波前的扩展而产生的能量损失；

(2)超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减；

(3)由于介质内耗所产生的吸收衰减。

2.2 压电式超声波传感器原理及特性

为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。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，或者超声波探头[3、4]。压电式超声波传感器如图2.1所示。

图2.1 超声波传感器结构图

压电式超声传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有

石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效应。

逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，品体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体藕合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。正压电效应是指当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为接收换能器。

超声波传感器的基本特性分为频率特性和指向特性。

1、频率特性

图2.2是超声波的频率特性曲线。图中，f0为超声波发射器的中心频率，在f0处，超声波发射器产生的超声机械波最强，也就是说，在f0处所产生的超声波声压能级最高。而在f0两测，声压能级迅速减小。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的f0的交流电压来激励。由图知，f0为中心频率，曲线在f0

处最尖锐，输出电信号的幅度最大，信号f0处接收灵敏度最高。因此超声波接收器具有很好的频率选择特性，在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外，超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系，如果R很大，（如大于100K）频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，（如小于10K）频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽，同时灵敏度也随着降低。并且最大灵敏度向着稍低的频率移动。因此，超声波接收器应于输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。

120

110

100

80

70

0 KHZ

图2.2 超声波发射传感器的发射频率特性

2、指向特性

实际的超声波传感器中压电晶片是个小圆片，可以把表面上每个点看成1

个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声波传感器的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果（衍射），却有指向性。指向特性用指向图表示。下图2-4就是超声波传感器的指向图。超声波传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是Ф=0声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声波传感器的指向角一般为40度～80度[5]。超声波传感器指向特性图如图2.3所示。

图2.3 超声波传感器指向特性图

2.3 超声波测距

2.3.1 超声测距原理

超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响.本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半，即公式（2.3.1），

L= vt/2

(2.3.1)

在上式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为往返时间。若要求测距误差小于0.lm，已知声速v=344m/s(20℃时)。显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。

对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前沿的检测。目前使用的方法有信号过零检测，包络检测和脉冲检测等方法。本文主要用的是脉冲检测法它是一种对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。这种方法实现起来较包络检测方便，电路实现简单，精度也较高。实现的方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阂值在比较器的输出端就会产生40kHz的方波。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲，便于测量出发射到接收到脉冲的时间。

2.3.2 超声波测量中盲区及近限和远限

用往返时间检测法测量距离时，障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远也不能太近，存在着距离测量的近限和远限[5]。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限存在的原因。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨出来，这是近限所以存在的原因。

在使用一个探头同时充当发射和接收的情况下，由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上，虽然发射信号只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振，因此在一段较长的时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到限幅电路，引起探头振动，不能进行正确的测量，同时，探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近处的液面反射信号也达不到限幅电路的限幅电平。当液面离探头越来越远时，接收信号与发射信号相隔时间越来越长，其幅值相应的越来越小。同时，接收信号的衰减程度总是要比发射信号余振的衰减慢得多。为了保证一定的信噪比，接收信号需要规定一个值，接收信号必须大于这个值，才能有输出信号。这就构成了远限的问题。

在使用一个探头的情况下，发射信号的幅值要维持到低于引起探头振动时，接收信号才基本上摆脱了发射信号的影响而能够明显地分辨出来。所以把这段时

间规定为盲区时间。当开始计时，测量超声波在空气中的传播时间才有效。

但是，当探测距离很远时，为了增大发射功率，须采用特殊形式的大功率超声发射传感器，但这些传感器的接收灵敏度一般很低，甚至无法用于接收，在这种情况下，选用两个换能器分别用于发送和接收。而使用双探头方式，不仅可以增加探测距离，还可以减小盲区。由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一定的盲区，不过它要比单探头方式的盲区小很多。

所以，在本实验中，我们选取了双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离精度。

2.3.3 提高测距仪性能的若干措施

1、声速校正

要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速c必须恒定，实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下，由于大气压力变化很小，因此传播速度主要考虑温度的影响。对一定介质，通常采用对温度进行修正的方法，可以测得比较准确的距离。通过对温度修正来校正声速的方法，即用测温元件测量实际环境。

2、减小盲区措施

(1)压缩发射脉冲宽度

发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震(拖尾)减少，此法常用于短距离测量距离。

(2)采用自动距离增益控制

采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。另一方面，可使远处的回波信号的幅度增大，以提高测量的精度。

(3)信噪比问题

超声波测距仪都有确定的量程。量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阐值。这个阂值决定信噪比。噪声有两类，一类电噪声，在处理上同其它电子仪器一样，另一类为机械噪声，其中工业噪声频率较低，对液介式超声测距仪，

工作频率较高，可以避开工业噪声频谱段。而气介式超声回波测距仪，一般频率都较低，易引入工业噪声。这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。

3 系统硬件设计

3.1 电路工作原理及设计

主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分组成。利用单片机来实现对超声波和超声波转换模块的控制。单片机通过INT0引脚来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT1引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离[9]。结构框图如图3.1所示。

图3.1 超声波测距系统结构框图

3.2 主要电路具体设计及主要元器件介绍

电路采用L7805CV作为电源电路将+12V电压转换为+5V电压，控制器选用STC12C2052单片机,晶振为11.0592MHZ,单片机INT0口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号,由CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波换

能器来实现超声波信号的接受和发射控制，经计算，距离由显示电路显示，采用简单的3位共阳极LED数码管进行动态显示。

3.2.1 电源电路

电源电路原理图如图3.2所示。

图3.2 电源电路原理图

本系统中使用到的电源包括+5V和+12V，其中+12V电压由直流稳压电源提供，通过电源接头提供给电路板。用L7805CV为主的电路将12V电压转换+5V 电压。L7805CV的外形如图3.3所示。

图3.3 L7805CV的外形图

这是一个三端集成稳压电源应用电路，整流滤波后得到的+12V电压，在输出端即可得到稳定的输出电压+5V，为了改善纹波电压，在输入端接入电容C0，

其值为100uF。同时在输出端上接入电容C0，其值为100uF,以改善负载的瞬态响应。以防输出电压过高，所以在输入端和输出端之间跨接一个保护二极管V2(IN4007)，其具体作用是在输入端短路时使输入端和地之间的电容C0通过二极管放电，以保护集成稳压器内部调整管[6]。

我国电源提供的交流电一般为220V，而各种电子设备所需要的直流电压的幅值却各不相同。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需的直流电压幅值。直流电源组成如图3.4所示。

图3.4直流电源组成

其中整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压，但其中包含很大脉动成分，距理想电压还差很远。滤波器由电容电感等储能元件组成，它的作用是尽量将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，输出比较平滑的直流电压，但当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出的直流电压的幅度也将随之变化，在要求比较高的电子电路中这是不符合要求的。稳压电路的作用是采取措施使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。这个电源就是根具其基本原组成在其基础上按实际需要和实际情况设计的[8]。

3.2.2 微处理器电路

微处理器电路原理图如图3.5所示。

图3.5 微处理器电路原理图

微处理器的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种方式为外部方式。引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自

激振荡器。外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，建议电容使用30pF±10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10pF连接方式。本设计采用内部方式，晶振用11.0592MHz。1、微处理器命名

STC12系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准的内核结构基础上对芯片内核进行了较大改进后推出的一个增一强型功能的8051的单片机，具有很多很强的新功能。STC12系列是从引脚到内核及指令上都完全兼容8051的单片机;有32脚PLCC(27个I/0口)，28脚DIR(23个I/O口)，20脚DIP(15个I/O 口).三种封装形式，在芯片型号命名上;12代表工作频率是普通8051速度的8~12倍: C代表工作电压5.5V～3.8V，LE代表2.0V～3.8V;20代表2K字节；52代表RAM是256字节；AD表示有A/D转换功能。

2、STC12C2052单片机引脚如图3.6所示。

图

图3.6 STC12C2052单片机引脚

STC12C2052为20引脚小型封装，2K内部程序存储器，15个可编程I/O线，没有P0口和P2口的16根I/O线，内部集成了一个模拟比较器。芯片引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见上图）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、…、20，在单片机的20个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，复位引脚1根以及P1、P3口可编程I/O引脚15根。

○1主电源引脚（2根）