设计超声波测距仪报告书非常详细
目录
第一章绪论 (1)
1.1 课题背景及意义 (1)
1.2 国内外发展状况和需改进的地方 (1)
第二章超声波测距原理 (4)
2.1 超声波简介 (4)
2.2 超声波传感器 (5)
2.3 超声测距原理 (6)
2.4 盲区处理 (8)
第三章超声波测距系统硬件设计方案论证 (9)
3.1 方案一 (9)
3.2 方案二 (9)
3.3 方案三 (10)
3.4 方案确定 (10)
第四章超声波测距系统硬件设计思路及调试 (12)
4.1 设计要求 (12)
4.2 超声波测距系统的结构框图 (12)
4.3 各功能模块电路介绍 (13)
4.3.1 超声波产生电路 (13)
4.3.2 驱动电路模块 (14)
4.3.3 接收放大电路模块 (15)
4.3.4 峰值检波模块 (16)
4.3.5 电压比较器模块 (17)
4.3.6 电平转换模块 (18)
4.3.7 温度测量模块 (19)
4.3.8 键盘显示电路 (21)
4.4 超声波测距系统硬件调试 (25)
第五章超声波测距系统软件设计及调试 (27)
5.1 超声波测距系统程序设计流程 (27)
5.1.1 主程序设计流程 (27)
5.1.2 距离计算流程 (28)
5.2 软件调试 (29)
第六章超声波测距系统最终调试 (30)
第七章总结 (32)
7.1 研究结论 (32)
7.2 本系统的不足和需改进的地方 (32)
参考文献 (33)
致谢 (34)
附录A 超声波测距系统硬件电路图 (34)
附录B 超声波测距系统软件程序 (35)
第一章绪论
1.1 课题背景及意义
利用超声波测量己知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距法。
利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，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声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。
超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。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。
目前基于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。本文结合超声波精确测距的需要，分析了影响超声波测距精确的多种因素，进行了系统的硬件设计和软件设计，来有效提高超声波测距系统的精度。
1.2 国内外发展状况和需改进的地方
一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。
国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。
《超声波测距精度的探讨》[1]一文中提到测量回波用到门限值的方法来测量回波的真实时间。选取一定的门限值，接收回波的包络线大于门限值时确定为回波到达的时间。回波的第一个周期的峰值作为测量标准，以该值的75％作为门限值，测出时间，由此计算出超声波真实的到达时间。此方法对第3个波近似计算为波峰的75％，所以对精度要求较高的测量并不足够。
《超声波测距误差分析》[2]认为收发换能器分离比一体化更减少盲区距离。提出减小盲区的改善措施可以减少发射波串的长度，发射波频率增高，波长减小，可以减少绕射，还可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。这些措施也有一定限度，例如：发射波串的长度过短将使得发射换能器激振达不到最大值或不能被激振。发射波频率加高受到换能器特性限制，同时，发射波频率加高使超声波在媒介中的衰减大幅度加剧，使作用距离下降。
《高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用》[3]提出一种比较有效的测量回波方法。它对回波包络线进行峰值检测作为回波时间点。传统的测量方法，以接收信号的幅值超过系统所规定的阈值时的时刻作为停止计时信号。时间检出点是随距离变化而变化的，这种“时间检出点”的变化就产生了距离测量的误差。针对回波信号的特点，采用峰值时间点检出方法，首先回波将经过放大、滤波后的回波信号进行线性包络检波，然后对检波的输出信号进行微分处理，最后对微分电路的输出进行零点交叉检测，即可得到回波信号的峰值时间，此时无论被测距离远近，即在回波信号包络线的峰值点。
《一种高精度超声波测距处理方法》[4]提出一种基于归一化包络曲线方程的抗起伏信号处理方法。处理步骤为：
1．用一定的检测方法计算出方程中的起伏参数：
2．根据包络方程推算出回波的理想前沿；
3．得到准确的声波传输时间；
4．乘声速除2即得距离。
这种方法从软件算法上计算回波时间点，过程过于复杂，有效性不清楚。不如
《高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用》的方法简洁。且对于本系统指令响应要求高，单片机存储空间有限，较复杂的算法并不适用于本系统。
《用于微地形探测的超声波测距系统》[5]通过软件编程和硬件方法，在绕射波有效阶段封闭CPU中断申请，躲避有效干扰。此方法能解决超声波绕射问题，但是会增加盲区范围。此文论述到处理这种串绕信号一般有两种方法：(1)通过软件编程从开始发射到虚假反射波结束时清零，从而使其不会向CPU发出中断申请，即可有效躲避干扰。(2)采用74LS74A构成双D触发器，使比较后的信号仅在超声波反射时间内输出为高电平，在从发射到接收到虚假反射波这段时间内置0，从而在接收到串绕信号时也不会发出中断请求。通过这两种方法都能够有效地躲过串绕信号，但同时也会形成盲区，系统的盲区约为lOOmm左右。对于本系统并不适用。
《自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究》[6]提出自动增益补偿电路使误差控制在0．2mm至0．5mm之间，并减少测距盲区，盲区范喇为6-7cm。此方法对提高精度和减少盲区都较有效。在软件编写的动态改变发射功率时可以作参考。
简而言之，综述研究现状，虽然某些研究方法仍存在不足和困难的地方，但也可看到一些优秀的测量方法，应取其精华，去其糟粕。但总的来说，论文中系统的盲区范围较大，一般有lOcm左右距离，个别较好的有4-6cm距离。
根据超声波测距的原理，设计了以51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系统，考虑到单片机测量精度受到内部主振频率或参考频率的限制，从硬件电路设计角度出发，采用了一种单片机外部硬件扩展计数电路，通过升高计数的参考频率来提高了测距系统的计时精度，以最终提高了系统的计时精度。经过实验分析，效果良好。为了进一步提高超声波测距仪的测量精度和分辨力，又进行了设计改进，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，可有效地消除温度变化对精度的影响，从而提高了超声波往返时间的测量可靠性。
第二章 超声波测距原理
2.1 超声波简介
超声波[7]简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言是指声音超过了20KHz 时称之为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。因为电磁波的传播速度为
8310?m/ s ，而超声波在空气中的传播速度为340m / s ，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的
: ()x k t w x A A ?+??=cos )( (2.1)
x
e A x A ?-?=α0)( (2.2)
在公式中，A(x)为振幅，Ao 为常数，
w 为圆频率，t 为时间，x 为传播距离，k=2∏/λ为波数，A 为波长，a 为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为
: 2f a ?=α (2.3)
式中，a 为介质常数，f 为振动频率。在空气里，
a=13102-? s 2/cm ，当振动的声波频率f= 40kHz(超声波)代入式(2.3)
，可得a= 4102.3-?/cm ，即1/α=31m ；它的物理意义是:在(1/a)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的
e 分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率f=40kHz 的超声波。
二 超声波的传播速度
纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数以及介质的密度。
1. 液体中的纵波声速：
（2.4） 2.气体中的纵波声速：
（2.5） 式中： K--体积弹性模量 --- 热容比
P--静态压力 ρ--密度 例：T=0 °C ，超声波在空气中的传播速度
C1=331.45m/s,
ρ
k
C =1ρ
γ
*P =2C γ
C=331.45+0.61T (m/s) （2.6）
式中 T:°C
2.2 超声波传感器
超声波传感器是近年来出现的用于超声控制元件，它分为发射器和接收器。发射器将电磁振荡转换为超声波向空间发射，接收器将接收的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。实质上是一种可逆的换能器，即将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波；或者由超声波能量转换为电振荡。常用的传感器有T40-XX和R40-XX系列，UCM-40T，UCM-40R等，其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，40为中心频率40KHz。T/R40的特征参数如表1所示。
表1 T/R40的特征参数图
型号T/R40-16
中心频率40±1KHz
发射电压大于115DB
接收灵敏度大于-64DB/V/ubar
-6DB指向50deg
电容2400±25%
允许输入电压20V
总体上讲超声波发生器可以分为两大类：1）使用电气方式产生超声波；2）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、功率和声波特性各有不同，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，其又可分为两类：（1）顺压电效应：
某些电介物质，在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转换为电能的现象称顺压电效应（超声波接收器的工作原理）。
（2）逆压电效应：
在电介质的极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种将电能转换为机械能的现象称逆压电效应（超声波发射器的工作原理）。
2、 工作原理
当40KHZ 的脉冲电信号加在超声波发射器上，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号以疏密波的形式向外发射出去。（锥形辐射器控制超声波的发射角度）
接收器在收到由发射器传来的超声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将电能转换为电脉冲信号，由于该电脉冲的信号幅度很小（μV 级）经信号放大器放大，最后驱动执行器使电路工作。
常用的超声波传感器的谐振频率（即中心频率）为
23KHz ，40KHz,75KHz,200KHz,400KHz 等，谐振频率高，在相同发射功率的前提下检测距离短，但分辨力提高。
2.3 超声测距原理
测距是立足于声速在既定的均匀媒介传播速度有一恒定数值，不随声波频率变化的特点。超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来，若要求测距误差小于0.01 米，那么测量时间的误差必须小于30 微秒。因此，实现声波测距须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。
本文的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。根据选择的超声波传感器的不同，其工作原理也相应有所不同。如收发一体的传感器，其工作原理图如图2.1所示；收发分体超声波传感器，其工作原理图如图2.2所示。根据图2.2通过测量发射与接受装置之间的距离 h 利用直角三角形可求得：
（
2.7）
而所测距离是声波传输距离的一半，即:(1)
（
2.8）
2*t V L =()2
22h S L -=
图2.1 收发一体式换能器工作原理图
图 2.2 超声波测距原理
在上式中，L 为待测距离，v 为超声波的声速，t 为往返时间（其中所测量的t为超声波走过2s路程所需的时间。但由于超声波的速度比较快，在测短距离的时候，将其作为超声波走过2L路程的时间）。若要求测距误差小于1cm，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。检测脉冲计数法: 脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。本文采用的是脉冲检测计数法。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[9]。实现的方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阈值在比较器的输出端就会产生正负电平的变化，再通过三极管的截止和饱和的两种状态来产生高低电平的变化。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。在本系统的软件设计过程中，采用的是查询方式来检测是否接收到了回波信号。
2.4 盲区处理
盲区处理是超声波测距的重要技术环节，盲区范围大小是衡量测距系统性能的重要指标。在利用超声波测量两点间的距离时，对近距离测量要求高，因此盲区处理更为关键。盲区的形成是为解决超声波自身绕射问题而延伸出的另一问题。虽然增大超声波换能器之间的距离能减少盲区范围，但是由于受整个系统体积所限，而且增大超声波换能器之问的距离使回波容易发散，所以本系统超声波换能器的之间距离要尽量缩小，有部分波未经反射物就直接进入到接收换能器，形成绕射现象。
第三章超声波测距系统硬件设计方案论证
3.1 方案一
本方案使用的单片机是stc89c52，它经济易用，且片内有8K的ROM，便于编程。
在超声波产生电路的设计中，首先通过软件编程的方式由单片机的P0.0口来产生40KHz的脉冲信号，再经过三极管8050和变压器进行功率放大。在变压器副线圈上将电压10倍放大，这时在超声波传感器发射端上加载的正弦电压幅值约为100V来驱动超声波发射端UCM40T，发出40KHZ的脉冲波信号，且持续发射200us。
接收端采用与发射端配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。在
=40KHz）、自动增益控制（AGC）接收电路中设计了前置放大、带通滤波（中心频率f
电路和整形电路。前置放大前置放大、自动增益控制(AGC)电路把微弱回波信号放大了200倍以上，足够满足后面整形电路的需要；带通滤波电路为滤波效果比较理想的高Q值、窄宽带的二阶带通滤波器。由于超声波回波信号随着被测距离大小的变化，其幅值变化也很大，必须经过增益控制，以满足整形电路的要求。实现增益随时间呈指数变化的AGC电路有多种,设计了通过软、硬件结合的AGC电路,它是由可编程放大器AD620AN 、数字电位器MAX5400 结合单片机联合实现[9]。
3.2 方案二
在此方案中，仍然采用stc89c52作为超声波测距系统的中心。但是采用555芯片来产生40KHz的超声波信号，并且通过单片机的一个I/O口来控制555芯片是否振荡。然而要想利用超声波测得的距离越远其发射功率也就需要更大，增大功率的方式有增大电流或是增大电压的方式。在驱动电路中采用的是非门CD4069构成推挽式的电流放大电路，通过提高CD4069的工作电压的方式来将电压增大，进而增大发射功率。
在超声波接收放大模块中，采用的是专用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成，可以利用它作为超声波检测电路。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电
路输出到锁相环路，实现准确的计时[11]。
3.3 方案三
在此方案中，采用STC989C52单片机作为超声波测距的核心部分。在超声波产生电路中，主要是利用单片的I/O口P0.4来控制555芯片的4脚。当P0.4为低电平时，555芯片不工作；当P0.4为高电平时，555芯片构成了多谐振荡器从而在3脚输出40KHz的脉冲信号。在超声波发射电路中采用的是CMOS系列的与非门CD4069构成推挽式的反向放大电路，同时也可以通过加大CD4069的工作电压的方式来进一步增大发射功率。
在超声波接收放大部分，采用的一阶RC滤波电路和运放TL084构成的放大电路。由于超声波接收器接收的信号幅度为毫伏级，因此采用将接收到的信号先滤波后放大的处理方式。在放大电路的设计中，为了避免由于增益过大造成运放的自激振荡，而采用两级放大的方式，放大倍数为400多倍。然后经过峰值检波后转化为直流信号，在经过电压跟随器、电压比较电路和利用三极管的截止与饱和状态来获取所需要的电平送至单片机处理。
在超声波发射的同时，启动单片机内部的定时器T0用作计数方式，利用定时器T0的计数功能记录超声波从开始发射到接收到信号的时间。当接收到超声波的反射波时，接收电路的输出端就会产生一个负跳变，即在P0.1口将由高电平变为低电平，从而来停止T1计数，然后通过相应的计算来算出所测距离并显示。
3.4 方案确定
超声波测距系统从理论上说是发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一只发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。
在方案一中，采用单片机的I/O口来做超声波的产生电路，在发射超声波的同
时将无法即时开启计数器来准确计算超声波从发射到接收所用的时间，这样将会带来较大的误差。另外采用变压器的方式来增大发射功率，使得加载在超声波传感器的电压为100V，而且在超声波接收电路中采用自动增益的方式，这样可以利用超声波来近距离测量以及测量较远的距离。但是在本课题的技术指标中要求的距离为4cm-4m，当采用此方案时，其发射的功率远远超出所需要的功率，造成性价比下降，而且U=100V可能超过了超声波传感器工作电压的极限值，将对传感器内部造成损伤。同时也可能会给使用者带来造成触电的危险，而且变压器的体积比较大，在使用时也会带来许多不便。
在方案二中，通过使用单片机的I/O口来控制555芯片工作与否的方式来发射超声波，这就使得在计数时能够获得比方案一更准确的数据。另外还使用了专用集成芯片CX20106A和锁相环电路，使得在频率上能够很好的锁定f
=40KHz的信号，抗干
扰的能力较强，但是在采用这种方案将会大大提高设计成本。而且使得设计的硬件系统更加的复杂。
方案三在超声波发射电路中采用了和方案二相同的电路，只是在超声波接收部分的电路上有很大的不同。在此方案中，考虑到超声波传感器的一些特性（即只有在40KHz左右的信号能够通过传感器，其它频率信号其衰减较快），因此在滤波电路中，只是采用RC电路构成滤波电路。在信号放大模块的电路中，考虑到传感器所接收到的信号幅度为毫伏级以及运放在增益过大时容易造成自激振荡的特点，所以在设计时采用了两级放大的模式，最终放大400多倍，而且直接通过硬件就可以实现，使得在设计上比方案二较为简单。另外，通过由二极管和电容构成峰值检波电路以及运放和三极管构成电平转换电路，其实现上较为简单，成本也较低。在此方案中要求在峰值检波时要考虑延时时间的合理取值，而且在运放选择时一定要使用高速型运放，这样当接收到回波信号时，就能很快转换好，使得测量的时间较为准确。
在本系统设计过程中，经过综合考虑和比较后，最终采用了方案三来实现超声波测距硬件系统的设计。
第四章 超声波测距系统硬件设计思路及调试
4.1 设计要求
利用超声波换能器和单片机设计一种非接触式测距仪，该装置的测量距离为4CM---4M ，并且具有温度补偿、测量准确、性能可靠性等优点。
1、掌握超声波传感器的工作原理并设计超声波发射器与接收器的工作电路。
2、测量距离为4CM---4M ，测量误差≤1CM 。
3、温度补偿范围：-20 -- 500C 。
4、实时显示实测距离、温度。
4.2 超声波测距系统的结构框图
通过对方案的比较和论证及设计要求的领会，将超声波测距仪硬件设计电路分成了：超声波产生电路模块、驱动电路模块、超声波接收放大电路模块、峰值检波模块、电压比较模块、电平转换、温度补偿模块、数据采集系统控制模块和数码显示这九个模块来实现。最后制订了本次毕业设计超声波测距系统的硬件结构框图，如图4.1所
示：
接收 渡越 时间 按键控制 发射 温度 补偿
图4.1 超声波测距系统的基本组成
计时 驱动发射电路 信号接收 及放大电路 峰值检波
及电平变换 单
片
机
数 据 采 集 系
统
控
制
超声波 发射器 超声波 接收器 温度测量电路 数 码 显
示
4.3 各功能模块电路介绍
4.3.1 超声波产生电路
在本系统中利用555定时器构成多谐振荡器产生40KHz 的超声波。图4.2为555定时器构成的多谐振荡器，复位端4由单片机的P0.4口控制，当单片机给低电平时，电路停振；当单片机给高电平时电路起振。接通电源后，电容C2来不及充电，6脚电压Uc=0，则U1=1,555芯片内部的三极管VT 处于截止状态。这时Vcc 经过R3和R2向C2充电，当充至Uc=2/3Vcc 时，输出翻转U1 =0，VT 导通；这时电容C2经R2和VT 放电，当降至Uc=1/3Vcc 时，输出翻转U1=1。C2放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期与充电时间t PH 和放电时间t PL 有关，振荡周期为：
()PH PL 322T =t +t 0.7R +2R C ≈ （4.1）
（4.2）
由公式4.2可知，555多谐振荡器的振荡频率由R2,R3,C2来确定[12]。在电路设计时，先确定C2,R2的取值，即C2=3300pf ，R2=2.7 K Ω。再将C2和R2的值带入公式4.2中可知：
为了方便在实验过程中使得555芯片的3脚输出40KHz 的信号，在这里将其用10 K Ω的电位器代替。
为了增大U1的输出功率，将555芯片的8脚接+12v 的电压，同时将其复位端4接高电平，使用示波器观察555芯片3脚的输出波形，如图4.3所示。通过调节电位器R3的阻值，使其输出波形的频率为40KHz ，这样就完成了超声波产生电路。 ()()3221.4311402PH PL f KHz
T t t R R C ==≈=++ 32312331.43
221.43
2 2.71033001040105.410R R C f -=-?=-?????≈?Ω
图4.2 555构成的多谐振荡器电路
图4.3 555芯片3脚的输出波形
4.3.2 驱动电路模块
超声波驱动电路是由门电路组成的传感器振荡发射电路，其输人信号由555定时器构成的多谐振荡器提供。超声波发射器由5个成对的CMOS反相器CD4069 驱动。输出级实际上属于全桥式接法，使发射器有效电压增倍，电路图如图4.4所示。在暂停发送期间，电容C3用于阻塞输人电流中的直流成分，起到保护超声波发射器的作用。为使发送器得到最大的能量，CD4069采用了12V电压驱动。加在超声波发射器上的信号应为0～+12V 的脉冲信号。每路信号经过两个并联的非门是为了增加电流驱动能力。非门采用CMOS产品，因为其功耗小，抗干扰能力强，驱动能力强。该电路原理简单，连线方便，价格又相对便宜[13]。同时通过在输入端加一上拉电阻R4来增大40KHz方波信号的电流，从而也增大了发射功率。上拉电流的大小为：
图4.4 超声波驱动电路
4.3.3 接收放大电路模块
超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换成电信
号，由于该信号幅度较小(几到几十毫伏)，因此须由低噪声放大、40kHz 带通滤波电
路将回波信号放大到一定幅度，使得干扰成分较少，其电路图如图4.5所示。在此电
路中，为了防止在超声波接收器上始终加有一直流信号让其工作导致传感器的寿命缩
短，从而加上一隔值电容C4，同时C4和R5也构成了一滤波电路。
在此电路中，放大部分采用的是高速型运放TL084。在综合考虑了反相放大器、
同相放大器和测量放大器的优缺点后，最终选择了同相放大电路。因为同相放大电路
的理想输入阻抗Rin=∞，理想输出阻抗Rout=0，其带负载能力较强等诸多因素，所以
选择此电路。在此电路中，根据同相放大器的闭环增益公式：
(4.3)
因为接收到的信号幅度为几到几十毫伏，所以需要将其放大400多倍使得其接收到的
40KHz 信号不会被干扰信号给掩盖。为了防止引起运算放大器的自激振荡，在第一级
放大电路中，R7取值为470K Ω,R8取值为10 K Ω,其增益放大:
3112 1.21010I mA
==?3
31747010114881010R Af R ?=+=+=?1Rf Af Rr =+
在第二级放大电路中，R11和R12的取值分别为100 K Ω、10 K Ω，其放大增益：
其两级增益：
124811528Af Af Af =?=?=。
同时根据公式4.4，计算出同相放大器的平衡电阻R6和R10，在这里R6和R10的取值均为10 K Ω。同相放大器平衡电阻公式为：
（4.4）
由公式4.4可知，在图4.5中,C5和电阻R9构成了一阶滤波电路。
图 4.5 接收放大电路
4.3.4 峰值检波模块
当信号经过了接收放大模块电路后，其输出信号V2为40KHz 的交流信号。因为交流信号无法由单片机来处理，所以应将交流信号转化为直流信号。在硬件的设计中，主要是通过电解电容C7的充放电来将40KHz 的交流信号转为直流信号，在本系统中采用的是由检波二极管IN60和1uf 的电容来实现该功能。通过公式4.5和4.6来分别计算其充电时间Г1和放电时间Г2 。同时要求其放电时间Г2 ≥25us ，这样才能保证
峰值检波电路将40KHz 的交流信号转化成直流信号。 其峰值检波电路如图4.6所示。
12D R C τ=? (4.5) 61120110120s τμ-=??=
212()D D R R C τ=+? (4.6) Rf Rr Rp Rf Rr =+
3
3210010111111121010R Af R ?=+=+=?
()62120120110240s 25s τμμ-=+??=≥满足设计要求。
（其中R D1,R D2分别为二极管的正向导通电阻值为120Ω
）
4.3.5 电压比较器模块
超声波传感器所接收到的信号经过放大和峰值检波后变为直流信号，
为了判断其是否接收到的回波信号。同时因为比较器不需要相位补偿，故适用于高速工作。为了判断超声回波信号前沿以进行渡越时间t 的测定而设置一定的门限电压，但由于每次测距的回波信号的峰值不同，当选取一定的门限电压时，如果门限值设置过高，会造成信号的漏触发，但也不能设置过低，否则会造成噪声信号的误触发。由于超声波在空气中传输时不可避免引入干扰，则比较基准电平时利用电位器调节电压，消除干扰。经过多次测量并使用示波器观察峰值检波电路的输出电平，最终将门限电压设置为1V ，其实验电路如图4.7所示。在此电路中，采用
TL084中的其他两个运算放大器。当超声波接收到信号时其比较器的输出电压V4为+12V ；当没有接收到信号时，
其比较器的输出电压V4为-12V 。 图4.6 峰值检波电路
4.3.6 电平转换模块
当超声波传感器接收端接收到信号时，其比较器的输出电压为+12V ；当没有接收到信号时，其比较其的输出电压为-12V 。因为单片机STC89C52的高低电平为0～6V 左右，所以比较器输出的电压不能直接送给单片机去处理。因此可以通过采用三极管的截止与饱和两种状态将±12V 的电压信号转化为单片机能够处理的信号，其设计电路如图4.8所示，在此电路中Vcc 接5V 电源。当超声波传感器的接收端接收到回波信号时，其V3的电压为+12V ，这时三极管9013处于饱和状态，P0.1口的电压为低电平（0.3V 左右），发光二极管点亮；当没有接收到回波信号时，其V3的电压为-12V ，这时因为三极管的Ube=-12V ，所以三极管处于截止状态，此时P0.1
口为高
电平（3.7V 左右），发光二极管熄灭。其中电阻R15和R16均为限流电阻，其电流值为：。
图4.7 电压比较电路
图4.8 电平转换电路
3250.5mA
1010I ==?
超声波测距仪硬件电路的设计
超声波测距仪电路设计实验报告 轮机系楼宇071 周钰泉2007212117 实验目的：了解超声波测距仪的原理，掌握焊接方法，掌握电路串接方法，熟悉电路元件。 实验设备及器材：电烙铁，锡线，电路元件 实验步骤：1,学习keil软件编写程序2、焊接电路板3、运行调试 超声波测距程序： #include
unsigned char i; sbit ST=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^4; sbit CLK=P3^5; sbit M1=P3^6; sbit M2=P3^7; sbit SPK=P2^6; sbit LA=P3^3; sbit LB=P3^2; sbit LC=P2^7; sbit K1=P2^4; sbit K2=P2^5; bit wd; bit yw; bit shuid; bit shuig; unsigned int cnta; unsigned int cntb; bit alarmflag; void delay10ms(void) { unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); } void main(void) { M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) { if(K1==0) { delay10ms(); if(K1==0) { yw=1; wd=0; } } else if(K2==0) { delay10ms(); if(K2==0) { wd=1; yw=0; } } else if(LC==1) { delay10ms(); if(LC==1) { M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; } } else if((LC==0) && (LB==1)) { delay10ms(); if((LC==0) && (LB==1)) { M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; }
单片机应用_超声波测距器
单片机课程设计 一、需求分析： 超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量围在１m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。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，因而超声波经常用于距离的测量，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。 本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，起到智能操作，实时监控的作用。 关键词单片机AT82S51 超声波传感器测量距离 二、硬件设计方案 设计思路 超声波传感器及其测距原理 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（time of flight）。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340米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M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。 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。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，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，超声波测距器的系统框图如下图所示： 超声波测距器系统设计框图 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0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。
基于单片机的超声波测距系统设计实验报告 - 重
指导教师评定成绩： 审定成绩： 自动化学院 计算机控制技术课程设计报告设计题目：基于单片机的超声波测距系统设计 单位（二级学院）： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导教师： 负责项目： 设计时间：二〇一四年五月 自动化学院制
目录 一、设计题目 (1) 基于51单片机的超声波测距系统设计 (1) 设计要求 (1) 摘要 (2) 二、设计报告正文 (3) 2.1 超声波测距原理 (3) 2.2系统总体方案设计 (4) 2.3主要元件选型及其结构 (5) 2.4硬件实现及单元电路设计 (9) 2.5系统的软件设计 (13) 三、设计总结 (17) 四、参考文献 (17) 五、附录 (18) 附录一：总体电路图 (18) 附录二：系统源代码 (18)
一、设计题目 基于51单片机的超声波测距系统设计 设计要求 1、以51系列单片机为核心，控制超声波测距系统； 2、测量范围为：2cm~4m，测量精度：1cm； 3、通过键盘电路设置报警距离，测出的距离通过显示电路显示出来； 4、当所测距离小于报警距离时，声光报警装置报警加以提示； 5、设计出相应的电子电路和控制软件流程及源代码，并制作实物。
摘要 超声波具有传播距离远、能量耗散少、指向性强等特点，在实际应用中常利用这些特点进行距离测量。超声波测距具有非接触式、测量快速、计算简单、应用性强的特点，在汽车倒车雷达系统、液位测量等方面应用广泛。本次课设利用超声波传播中距离与时间的关系为基本原理，以STC89C52单片机为核心进行控制及数据处理，通过外围电源、显示、键盘、声光报警等电路实现系统供电、测距显示、报警值设置及报警提示的功能。软件部分采用了模块化的设计，由系统主程序及各功能部分的子程序组成。超声波回波信号输入单片机，经单片机综合分析处理后实现其预定功能。 关键词：STC89C52单片机； HC-SR04；超声波测距
基于51单片机超声波测距仪设计【开题报告】
毕业论文开题报告 电子信息工程 基于51单片机超声波测距仪设计 一、课题研究意义及现状 随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求。例如在井深、液位、管道长度测量等场合。传统的测距方法根本无法完成测量任务。还有在很多要求实时测距的情况下。传统的测距方法也不能很好地完成测量任务。于是一种新的测距方法——超声波测距应运而生。超声波测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。超声测距是一种非接触式的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等影响。超声波传感器结构简单、体积小、信号处理可靠，所以检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。在移动机器人、汽车安全、海洋测量等上得到了广泛的应用。因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。 随着科学技术的快速发展，超声波测距仪的应用将会越来越广，这是一个蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。未来的超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展，死角问题也能得到解决。超声波测距仪将其通过51单片机来实现,成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠，非常适合于短距离测量定位。51单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用它的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统，有很大的市场开发潜力。 二、课题研究的主要内容和预期目标 本课题主要设计一种基于单片机的超声测距系统。该系统以超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。课题主要内容包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括单片机系统，超声波发射电路、超声波检测接收电路、数码管显示电路等。软件部分拟采用单片机C语言编程，便于维护和修改，主要是利用中断完成信号发射和接受中间所耗时间的计算，并进行相关的数据处理以得到准确的距离。本课题要求测量精确、可靠、显示正确。 三、课题研究的方法及措施 先通过上网、图书馆等各种途径，搜索与本课题相关的资料进行大量的阅读，从而从整体上对这个课题进行认识。然后根据查阅的资料作出总体方案的设计框图以及确定本设计的实现方法。本设计总体框图如下：
超声波测距仪的设计说明
题目：超声波测距仪的设计 超声波测距仪的设计 一、设计目的： 以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。 通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。 二、设计要求： 设计一个超声波测距仪。要求： 1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离； 2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。 三、设计器材： STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块 SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管（4） 按键（1） 电容（30PF2，10UF1） 排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子，
导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。 四、设计原理及设计方案： （一）超声波测距原理 超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C 式中 L——要测的距离 T——发射波和反射波之间的时间间隔 C——超声波在空气中的声速，常温下取为344m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。 根据本次设计所要求的测量距离的围及测量精度，我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了，硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路，软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时，只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。 当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值，此值就为此次测距的时间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。 （二）超声波测距模块HC-SR04简要介绍 HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述： 1. 主要技术参数： ①使用电压：DC5V ②静态电流：小于2mA ③电平输出：高5V
PLC超声波测距实验报告082039140程稳
利用plc的高速计数模块进行超声波测距实验 ―――――微型控制计算机暑期设计实验报告 082039140程稳 利用51单片机来驱动超声波模块测距，是一件很容易的事，只需要结合定时中断和外部中断，利用12M或更高的晶振频率即可精确获取从发射到接收到超声波之间的时间，平均1ms对应 3.4cm的行程，本GE比赛设计需要物位测量的最大距离是30cm,即需要30*2/3.4=17.64ms,而GE PAC RX3i的PME软件梯形图程序得扫描周期2ms以上，就算是最快的定时节点也有1ms,所以若直接用PLC的普通离散量输入模块IC694MDL654输入节点来测量接收到超声波回波的时间的误差为1ms,误差距离3.4/2=1.7cm,结果自然不理想，更严重的问题在于PLC该模块无硬件中断响应功能，是不能测电平宽度的。总之PLC的IO口工作在低速模式下是难以胜任高速测量任务的，但可喜的是GE PLC 的高速计数模块HSC304能处理2MHZ的信号，但仍无硬件中断功能。于是想能否干脆把单片机测出的电平时间数据通过串口发送给PLC，我也试着这样连线测试，不过PLC串口的使用不像单片机这么简单，没有相关资料，PLC内部寄存器找不到PLC从单片机接收的数据。于是仍决定放弃此方案，回到高速计数模块。再认真阅读此模块配置信息和实验调试后，发现其可以测量出外部信号频率，于是想既然PLC无法直接测电平宽度，那干嘛不测量频率，有了频率自然有周期，有周期自然有电平宽度！
利用plc的高速计数模块检测超声波测距仪的信号接收端的频率，正常情况下应使用频率直接求得周期接而来计算时间，但由于实际测得这样根本很难实现，所以直接测频率，并利用示波器查看该频率的波形，并修改程序使得在所测距离变化的情况下，一周期内的低电平保持不变（高电平所持续的时间表示超声波从发出到接收到所经历的时间，低电平是延时，为了使得波形正常），然后测出频率及其所对应的距离。 以下是用虚拟示波器测出的超声波模块在不同距离测量回波接收脚电压波形：
简易超声波测距仪的设计
摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51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、接收子程序、显示子程序等模块组成。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。 经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。 关键词AT89C51；超声波；测距
Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring,building construction site and some industrial scenes extensively. This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision. Key words AT89C51; Ultrasonic Wave; Measure Distance
基于单片机的超声波测距系统实验报告
基于单片机的超声波测距系统实验报告
一、实验目的 1.了解超声波测距原理； 2.根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路； 3.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； 4.以数字的形式显示所测量的距离； 5.用蜂鸣器和发光二极管实现报警功能。 二、实验容 1.认真研究有关理论知识并大量查阅相关资料，确定系统的总体设计方案，设计出系 统框图； 2.决定各项参数所需要的硬件设施，完成电路的理论分析和电路模型构造。 3.对各单元模块进行调试与验证； 4.对单元模块进行整合，整体调试； 5.完成原理图设计和硬件制作； 6.编写程序和整体调试电路； 7.写出实验报告并交于老师验收。 三、实验原理 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S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理，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t,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。 （一）超声波模块原理： 超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。实物如下图1。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。
开题报告书—泊车用超声波测距仪的研制
- - -.. 毕业设计（论文） 开题报告 题目泊车用超声波测距仪的研制(软、硬件)
毕业设计（论文）开题报告学生：班级：电子信息工程（2）班
一、研究背景 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。但就目前技术水平来说，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，以满足日益发展的社会需求。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，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单。可用于如汽车倒车提醒、液位、井深、管道长度的测量等场合，也可应用于航海、宇航、石油化工等工业领域。在泊车时可用于倒车，有效避免由于倒车造成的经济损失和人身安全问题。因此
研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素的影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。然而超声波测距在实际应用中也有很多局限性。由于超声波在传播过程中，声压会随着距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪低，用固定阀值的比较器检波回波，可能导致越过门槛的时间前后移动，从而影响计时的准确性，这必然会影响到检测的准确性。以及超声波脉冲在空气中传播本省有多重的反射路径，均导致回波信号被展宽，也使侧俩个产生较大的误差，影响了测距的分辨率。 二、主要内容 本课题采用单片机控制，超声波测量距离，最终显示距离并声光报警。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路和声光报警电路等模块。单片机输出超声波换能器所需的方波信号，并监测超声波接收电路输出的返回信号。通过硬件和软件实现各个功能模块。可以有效地解决汽车倒车时避开行人和建筑物等问题，保障人身的安全。 设计要求： 1．两路收发同体的空气超声探头，实现汽车尾部左后和右后1.5米内的障碍物探测。 2．单片机组成的控制电路和超声波发射接收电路 3．距离显示电路和声光报警电路 4．探测距离0.25m—1.5m
10米超声波测距仪设计实现
10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪，可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米，测量精度1cm，测量时与被测物体不接触，并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1．单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波换能器所需的40Hz方波信号，利用外中断0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳极LED数码管，段码用74LS244驱动，位用PNP8550驱动。 2．超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3．超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片，可利用它做接收电路。 4．系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序：
开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化，设置T0为方式1，EA=1，P0，P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器，需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz，计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s，则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序：通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号，脉宽12us，同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波，一旦接收到返回的信号，立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波
超声波测距课程设计样本
目录 前言 1课题设计目及意义----------------------------------------------- 1 1.1设计目----------------------------------------------------- 1 1.2设计意义----------------------------------------------------- 1 1.3课题设计任务和规定------------------------------------------- 1 正文 1 课程方案设计------------------------------------------------- 2 1.1系统整体方案--------------------------------------------------- 2 1.2系统整体方案论证-------------------------------------------- 2 2系统硬件构造设计------------------------------------- 2 2.1 51系列单片机功能特点及测距原理------------------------------ 3 2.1.1 51系列单片机功能特点------------------------------------- 3 2.1.2 单片机实现测距原理 ----------------------------------------- 3 2.2 超声波电路构造------------------------------------------------ 4 2.3 超声波测距系统硬件电路设计---------------------------------- 4 2.4 PCB版图设计---------------------------------------------------- 5 3 系统软件设计----------------------------------------- 6 3.1 超声波测距仪算法设计---------------------------------------- 7 3.2 主程序流程图--------------------------------------------------- 7 3.3单片机某些C语言程序-------------------------------------------- 8 3.4超声波测距某些C语言程序-------------------------------------- 11
超声波测距实验报告
电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)
摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 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。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波
超声波测距开题报告
毕业设计（论文）开题报告 题目名称基于单片机的超声波测距仪 学生姓名专业班级学号 一、选题的目的和意义： 超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。超声波是一种频率在20khz以上的声波，作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性：反射、折射、干涉、衍射和散射，与物理联系紧密，应用灵活。并且更适合于高温、高粉尘、高湿度和强电磁干扰等恶劣环境下工作。无论从精度还是可靠性方面，超声波测距都做得比较好。利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。具有广泛的应用前景。 二、研究概况及发展趋势综述 历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始。声纳是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。经过几个世纪，科 学家们对此反复研究，最终发现了超声波的原理。 超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉 识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外 界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器 腐蚀，触电接触不良造成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固 耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用 超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业 实用的要求。 然而超声波测距在实际应用也有很多局限性。由于超声波在传播过程中，声压会 随距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪比低，用固定阀值 的比较器检测回波，可能导致越过门槛的时间前后移动，从而影响计时的准确性，这 必然会影响到测距的准确度。另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向 转换过程中，存在惯性、滞后等现象，以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反 射路径，均导致回波信号被展宽，也使测量产生较大的误差，影响了测距的分辨率。其他如温度，风速等也会对测量造成一定的影响。 计量学在制造业中越来越重要。直接在机器上测量尤其能推动制造业的发展。目 前为止大部分还是采用视觉的或触觉的测量方法。但是墙的厚度就不能用这些来测量，因此德国人把超声系统结合到机器设计出了测距方法。随着超声波的发展，早在2000年时英国人就设计出了可观察、识别并测距的超声波集成系统。
超声波测距器课程设计
《微机原理及应用》课程设计 超声波测距器的设计 学生姓名郝强 学号20110611113 学院名称机电工程学院 专业名称机械电子工程 指导教师王前 2013年12月27日
摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51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。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。 关键词：超声波；传感器；测量距离；控制
目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.设计目的 (4) 2.总体方案 (4) 3.硬件设计 (5) 3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5) 3.2.1单片机芯片的选择 (6) 3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6) 3.3超声波发射电路设计 (6) 3.3.1选择超声波发生器类型 (6) 3.3.2 超声波发射电路设计 (7) 3.4超声波接收电路设计 (8) 3.5超声波显示电路设计 (9) 4.软件设计 (9) 4.1波测距器的算法设计 (10) 4.2系统的主控制程序设计 (11) 4.3发生子程序设计 (12) 4.4接收中断程序设计 (13) 4.5显示程序设计 (14) 4.6距离计算程序 (15) 5.结论 (17) 参考文献 (18)
超声波测距实验报告
目录 1、课题设计的目的和意义 (3) 2、课题要求 (3) 2.1、基本功能要求 (3) 2.2、提高要求 (4) 3、重要器件功能介绍 (4) 3.1、CX20106A红外线发射接收专用芯片 (4) 3.2、AT89C51系列单片机的功能特点 (5) 3.3、ISD1700优质语音录放电路 (6) 4、超声波测距原理 (8) 4．1、超声波测距原理图 (8) 4.2、超声波测距的基本原理 (9) 5、硬件系统设计 (10) 5.1、超声波发射单元 (10) 5.2、超声波接收单元 (11)
5.3、显示单元 (11) 5.4、语音单元 (12) 5.5、硬件设计中遇到的难题： (12) 6、系统软件设计 (14) 7、调试与分析 (15) 7.1调试 (15) 7.2误差分析 (15) 8、总结 (16) 9、附件 (17) 9.1、总电路 (17) 9.2、主要程序 (18) 10、参考文献 (22)
1课题设计的目的及意义 随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广，但就目前技术水平而言，人们可以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，超声波测距作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。如声纳的发展趋势：研究具体的高定位精度的被动测距声纳，以满足军事和渔业等的发展需求，实现远程的被动探测和识别。毋庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。 超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量，所以他就能够在某些场合或环境比较恶劣的环境下使用。比如测有毒或者有腐蚀性化学物质的液面高度或者高速公路上快速行驶汽车之间的距离。 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，最注重发展到具有创造力。在新的时代，测距仪将发挥更大的作用。 2课题要求 以单片机AT89C51为中心控制单元，配以超声波发射、接收装置，实现超声波发射及接收其遇到障碍物发生反射形成的回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，设计出一套基于单片机的脉冲反射式超声波测距系统，利用单片机进行操作控制，用数码管作输出显示，设计发射、接收、检测、显示硬件电路和测距系统软件。
超声波测距仪的设计开题报告
1 课题来源及研究的目的及意义 超声波是一种频率在20kHz以上的机械波，在空气中的传播速度约为340m/s（20℃）。由于超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色的影响，比其他仪器更卫生，具有不污染、高可靠、长寿命等特点，被广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、污水处理厂、食品、水文、等行业中，可在不同环境中进行距离的准确度在线标定，可直接用于水酒精、糖等液位控制，能达到工业实用的指标要求。还可以用于移动机器人的视觉系统中，这样可使机器人自动躲避障碍物行走，及时获得障碍物的位置信息，同时超声波测距系统具有以上的这些特点，在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛应用[1]。 超声波测距仪利用超声波收发探头测量仪器到墙面或其他固定物体的距离，并通过液晶屏显示出来，在实现功能的基础上，尽可能提高测量精度。测量精度要达到分米级。 2 国内外在该方向的研究现状及分析 目前国际国内，在超声波测距方面的研究方向和水平的不同，主要体现在对测距原理、超声波信号处理方法和超声波测距处理器的选用上。常见的超声波测距原理分为渡越时间法和相位差法两种。信号的处理方法大致分为阈值检验法、互相关延时估计法、伪随机码扩频测距法和最小均方法四种。在处理器方面大多以单片机为主，其中以51系列应用最为广泛，采用运算速度更快，效率更高dsp芯片作为处理器，也正成为一个非常活跃的研究方向。目前已研制的超声波测距仪中，量程一般为3-12m，美国AIRMAR公司生产的airducer AR30超声波传感器的作用距离可达30m，但价格昂贵，准确度方面已控制在测量误差的0.4%左右，与真值的差距在厘米级的范围内，若采用互相关或伪随机法，最高可控制在0.05m内，在提高精确度方面，超声波测距还有很大的发展潜力和上升空间[2]。 3 主要研究内容 设计出以单片机为核心控制声波测距仪系统。 （1）研究并总结超声波测距仪设计的基本方法及研究现状； （2）掌握以AT89S51芯片为核心的单片机系统的使用方法； （3）研究74LS04组成的超声波发射电路、声波处理模块、液晶显示等器件组成； （4）研究依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路的方法。
基于单片机的超声波测距仪设计
基于单片机的超声波测距仪设计
基于单片机的超声波测距仪设计 1总体设计方案介绍 1.1超声波测距原理 发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由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，则应通过温度补偿的方法加以校正。 表1-1 超声波波速与温度的关系表 表1-1 1.2超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的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，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED
显示。 图1-1 超声波测距仪原理框图 2 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、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 2.1.1 51系列单片机的功能特点 5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：IP0，