超声波测距器的设计

设计说明：

    超声波测距器可应用于汽车倒车、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、物体厚度等的测量。也有很多方法可以测量，这里用超声波设计一个测距器，实现距离的测量。

1、 基本部分

a)   测量电阻范围：0.10—3.00m

b)   测量精度：1cm

c)   测量时与被测物体无直接接触，能够清晰、稳定的显示测量结果。

2、 发挥部分

a)   可以根据温度的不同，导致的速度的不同，用不同的速度测量距离。

摘要：本文介绍了基于AT89C52单片机的超声波测距器。通过DS18B20数字温度测量仪测出当前的室温，送入单片机，单片机经过对比，进而得出用哪个档进行测量，单片机和发射电路发射出超声波，超声波遇到障碍物，反射回来，在经过接收电路接收，送入单片机，单片机经过计算，得出距离，并在数码管上显示出距离。测量精度高达±0.5%，并且显示稳定的4位有效数字。不仅测量简便，读数直观，且测量精度、分辨率较高。

关键词：单片机；DS18B20；CX20106A；TCT40-10F1；TCT40-10S1

一、系统设计

1、模块方案比较与论证

      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，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。

   超声波发生器可以分为两大类：一类是用电器方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。根据设计要求并综合各方面因素，本次决定采用AT89C51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，本系统的总方框图如图（1）所示：

 

                                                                                        

              

                     图（1）：超声波测距器总框图

为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。

1.1单片机系统及显示电路

单片机采用89C51或其兼容系列。系统采用12MH最高精度的精度，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用的四位共阳LED数码管，段码用电阻驱动，位码用PNP三极管9012驱动。如图（2）、图（3）所示：

1.2 超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图所示，发射电路主要由反相器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40kHz方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相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。输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11一方面可以提高反相器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，以缩短其自由振荡的时间。

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，如果两极板间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受换能器了。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。如图（4）所示：

 

1.3  超声波检测接收电路

     集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片。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较接近，可以利用它做超声波检波接收电路。用CX20106A接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，适度的更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。如图（5）所示：

2. 系统的程序设计

超声波测距器的软件设计主要由主程序、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。由于c语言有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并具有容易精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用c语言和汇编语言混合编程，下面对超声波测距的算法、主程序、超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。

2.1 超声波测距的算法设计

    超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波R接收到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离，该该距离的计算公式如下:

               D=s/2(v*t)/2;

其中：d为被测物与测距器的距离；s为声波的来回路程；v为声速；t为声波来回所用的时间。

   超声波是一种声波，其声速v与温度有关，表（1）中列出几种不同温度下的超声波声速，在使用时温度如果变化不大则可认为声速是基本不变的，通过温度补偿的方法可以一定的误差，声速确定后，只要测的超声波的往回时间，即可求得距离。 

 

表（1）不同温度下超声波的速度

    2.2 主程序

主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口P0和P2清零；然后调用超声波发生子程序发出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起直射波触发，需要延时0.1ms后才打开外中断0接收返回超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，计数器每记一个数就是0.1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时取20’C时的声速为344m/s，则有：

d=（v*t）/2=（172T0/10000）cm  其中T0为计数器T0的计数值

主程序的流程图如下：

 

图（6）主程序流程图

                        

2.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序

       超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约为40kHz的方波），脉冲宽度约为12us左右，同时把计数器T0打开进行记时，超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程。

       超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。进入该中断后，就立即关闭计数器T0，停止计时，并将测距成功标志字赋1.，如果当计数器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2，以表示该次测距不成功。

三、测试方案与结果

测试条件：

测试结果：

五、安装与调试

   超声波测距器的制作与调试都较为简单，其中超声波发射和接收采用TCT40-20F1(T发射)和TCT40-10S1(R接收)，中心频率为40Hz，安装时应保持两换能器的中心轴线平行并相距4~8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰性能。根据测量范围要求的不同，可适当的调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

   硬件电路制作完成并调整好后，便可将程序编译好并下载单片机试运行。根据实际情况，可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲个数和两次测量的时间间隔，以适应不同距离的测量需要。

六、结 语

本文设计和实现了一种利用51单片实现的超声波测距器，基于单片机和DS18B20的距离测量系统，能够根据温度的不同进行测距，通过单片机程序计算四位数码管上显示出测得值。该次试验只能进行短距离的测量，测量范围大致在0.07—5.50m，测量的数据结果较稳定。

七、参考文献

[1] 楼然苗，《单片机课程设计指导》，北京航空航天大学出版社

[2] 王晓君，《MCS-51及兼容单片机原理与选型》，电子工业出版社

附页：电路总图

     总体原理图，如图（7）所示：

    

 

   

第二篇：超声波测距器器的设计

题    目  基于单片机AT89c51的超声波测距器的设计

学号及姓名：

2081224109  邓刚

专 业 名 称             电子信息科学与技术              

 20##年10月11日    

一:内容提要

随着科技的快速发展，超声波测距应用越来越广泛，可应用于汽车倒车、测量汽车速度（是否超速）、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。要求测量范围在0.27~4.00m，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。

就目前水平而言超声波应用范围还是比较有限，还有很大的发展空间，将向高精确度超远距离方向发展。尤其是在军事方面，对检测发现作战于海底的潜艇来说尤为重要，在未来海陆空一体化的战争中检测识别敌人位置的工作越来越重要，超声波可发挥其应有的作用，在未来我相信超声波测距这些将和计算机信息技术，人工智能融合将发挥更大的作用。

二：目录

1.功能原理描述及：... 4

1意义及功能：... 4

2.超声波测距器的概述... 4

2. 硬件电路及描述... 5

2.1硬件电路... 5

2.2系统的原理... 5

3.软件设计流程及描述... 7

3．1主程序及流程图... 7

3.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序... 8

3.3系统初始化... 8

4结论：... 8

5.课程设计体会：... 9

6．参考文献：... 9

7.附件... 9

1.功能原理描述及人员分工：

 1.功能原理描述：

      我们知道，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比较方便，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的要求。据设计要求并综合各方面因素，本例觉得采用STC89C52单片机作为主控制器，用1602作为显示器，超声波驱动信号用单片机的定时器来完成。

原理

超声波发生器内部结构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本时，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。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲与被测距离成正比。.

2.超声波测距器的概述

随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。合成时间住的许多不可预见因素，超声波技术对于解决这些问题提供了新的方法。

　本设计采用以AT89C52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。

2. 硬件电路及描述

2.1硬件电路

本系统中选用的探头是40KHz的超声传感器，有一支接收传感器和一支发射传感器组成。

AT89C51是一种带4KB可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，4线—16线译码器,可以实现地址的扩展根据LED的公共极是阳极还是阴极分为两类译码器，即针对共阳极的低电平有效的译码器；针对共阴极LED的高电平输出有效的译码器。

2.2系统的原理

  超声测距大致有以下方法：

    ① 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离；

    ② 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=1／2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超 声波 的声速 与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。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。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331.45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。

    超声波测距学习板采用STC89C51单片机,晶振:12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K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,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用74LS245,位码用8550驱动.

    超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离.

超声波测距器的系统框图如下图所示：

                超声波测接收电路

图为超声波发送电路

3.软件设计流程及描述

3．1主程序及流程图 

    主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取20℃时的声速为344 m/s则有： 

　　   d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值） 

　　    测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。主程序框图如下 

                    主程序流程图

3.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序 

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。

3.3系统初始化

register unsigned char i,j,k,l,q,w;

//初始化

SCON  = 0x00;              //串口工作模式0：移位寄存器方式

TMOD = 0x01;               //定时器T0工作方式1：16位方式

TR0 = 1;                   //启动定时器T0

CONIO = 0x3f;                 //CONIO端口初值

IE = 0x82;                 //允许定时器T0中断

4结论：

本系统在空气中测量范围为0～3m左右，对固体，液体表面均可测量，但要求被测表面比较光滑平坦，确保超声波能够被反射回来，并被探头接收。在实验中，对8～260cm范围进行测量，经误差补偿后近距离是最大误差达30mm。线性度，稳定性和重复性都比较好

5.课程设计体会：

通过本次实验的设计，我们掌握了超声波测距的原理，超声波的发射电路和超声波的检测接收电路，让我们更进一步的了解掌握一些简单系统的设计，一系列的制图软件的使用让我们更加熟练的掌握电路图的画法。系统程序的设计是我们的弱项，感觉到在程序设计方面很吃力，我们会继续努力。不过通过这次实验设计我们也得到了不少的锻炼！

6．参考文献：

 1《单片机课程设计》第三章        北京航空航天大学出版社

 2《单片机快速入门》              北京航空航天大学出版社

7.附件

实物图如下所示