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1、摘要 系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路等，另外还有复位电路和LED显示控制电路等。我采用以AT89s51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。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、温度测量、显示等模块组成。软件程序主要由主程序、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。它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有将数据正确显示在LED上。另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。关键词：超声波；测距；传感器；单片机Abstra
2、ctThe system design includes two components, namely hardware and software program. The hardware circuit includes a micro controller circuit, ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, display circuit, in addition to the reset circuit and the LED display control circuit. AT89S51 mic
3、ro controller as the core of low-cost, high-precision, miniaturization of digital display hardware circuit of the ultrasonic range finder. The entire circuit is modular in design by the signal transmitting and receiving, temperature measurement, display modules. Software program from the main progra
4、m, preset subroutine, emission subroutine receive subroutine, such as display subroutine modules. It controls the micro controller for data sending and receiving, at a certain temperature on ultrasonic velocity correction data correctly displayed on the LED. In addition, the program control micro co
5、ntroller eliminate the impact of each probe for transmitting and receiving ultrasonic.KEY WORDS ultrasonic,location,sensor, micro controller,AT89S51目 录摘要IAbstractII1 绪 论- 1 -1.1 设计课题的提出- 1 -1.2 超声波在测量领域的发展概况- 2 -1.3 本课题研究的内容及意义- 3 -2 超声波和超声传感器- 4 -2.1 超声波- 4 -2.1.1 声波简述- 4 -2.1.2 声波的反射与折射原理- 6 -2.2
6、超声传感器- 8 -2.2.1 超声传感器原理- 8 -2.2.2 超声波传感器的检测方式- 9 -2.2.3 结构构成- 9 -2.2.2 超声传感器结构图- 11 -2.3 超声传感器的主要参数以及选择- 13 -2.3.1 主要参数- 13 -2.3.2 超声传感器的选择- 14 -3 超声波测距原理- 15 -3.1 超声波测距原理- 15 -3.2 传感器的指向角- 16 -3.3 测距仪的工作频率- 17 -3.4 测量盲区- 17 -4 系统设计方案- 19 -4.1 系统功能框图- 19 -4.2 单片机外围电路- 20 -4.2.1 发射模块电路器件连接图- 20 -4.2.
7、2 接收模块电路器件连接图- 20 -4.2.3 测温模块电路- 21 -4.2.4 LCD显示屏- 22 -4.2.5 单片机- 23 -4.3 整机电路连接图- 24 -5 软件设计- 26 -5.1 程序流程图- 26 -5.2 程序源代码- 27 -6 系统总体分析- 34 -6.1 误差分析- 34 -6.2 系统改进方案- 35 -总结- 36 -致谢- 37 -附录一 89s51单片机引脚示意图及说明- 38 -附图1 89s51内部框图- 39 -附图2 CX20106A示意图及引脚说明- 40 -附图3 74LS04框图及真值表- 40 -参考文献- 41 -1 绪 论1.1
8、 设计课题的提出在二十初始至今的一百多年的时间里，随着各领域的科学技术的不断进步，多个科学领域的技术和产品等得到不断的优化和创新。在这之中，计算机技术、自动化技术和机器人技术等发展得尤为突出，而支持其发展得技术之中，测距和识别问题显得越来越重要。传统的接触式测量方法已经满足不了发展的需要，例如，在测量城市的马路宽度时，若仍然使用接触式测量的方法测量的话，不但得不到较为满意的精度结果，而且还会造成一定的交通拥堵；而若改用新一代的非接触式的测量仪器（如 激光测距仪）和测量方法则很容易就解决了二者的矛盾问题。再如，机器人对前方障碍物的测距与识别，若采用传统的测量方法根本很难实现机器人技术的要求；假若
9、采用激光测距或者是超声波测距的发式，上述问题就迎刃而解了。所以，非接触测量与识别的技术在许多科学领域里已经是无法摒弃的了。在自动化装配、检测、分类、加工与运输过程中，需要对任意放置的物体零件进行操作作业，必须对零件的形状位置以及状态等进行自动识别，要是在运输过程中的识别就更加复杂困难了，因此人们也迫切需要非接触式的测量仪器。目前为止，主流的非接触测量仪器通常都是采用超声波、激光和雷达。激光测距运用的是光波的反射特性，而且由于激光的单一性、直线性和集束性的特性，适合用于远距离高精度的测量；雷达测距仪运用的是电磁波的反射原理，也可用于远距离测距，但是，由于特性的限制，其误差比前者要大。激光和电磁波
10、在一定的意义上讲其原理是一样的，都是利用电磁波的反射特性，只是光波的特性相对优良一些。但是两者的技术复杂，造价偏高，不利于普及应用，在某些领域里有其自身的局限性，相比之下，超声波具有以下的突出优点：1.超声波在空气中的传播速度只有光波的百万分之一，定向性强，能量损耗较为缓慢，因此可用于近距离目标的测量；2.超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明、半透明以及漫反射的物体（如玻璃、抛光体）目标；3.超声波对空间中的光线和电磁环境不敏感，因此使用与黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣环境中；4.超声波传感器的结构简单、体积小、成本低、信息处理简单可靠，易于小型化和集成化并且可以进行实时监控
11、。因此，基于超声波方法的非接触检测和识别手段，已经越来越能引起科技人员们的重视。在机器人领域、导航系统、机械加工自动化以及自动化检测、自动测距、定位、液位测量等方面已经得到了广泛应用，并在一些新的领域不断发展和渗透。我相信，在将来的技术突破后，超声波还会被用于更多的科学领域里，会涵盖人们生活、学习和工作的方方面面。1.2 超声波在测量领域的发展概况超声检测主要以超声波为载体，即通过超声波在介质中传播、散射、反射、折射、吸收和波形转换参数等，并提取出反应介质本身特性和内部结构的参数信息，从而达到检测被检测物的性质、形状或几何尺寸、内部结构等目的。我国的探伤、无损等检测技术和仪器是从无到有，从低级
12、水平逐渐发展到普及应用的现阶段水平。全世界各国超声波检测仪器的研制生产也大致按此规律发展变化。二十世纪五十年代，我国的一些科研单位引进了欧洲的超声仪，并进行了仿制。随后，国内的大学研制出了电子管式的CTS-10型非金属超声检测仪，但是由于当时的装备制造技术的制约限制，但是，仪器的性能稳定，图形清晰。由于机器在外形以及重量上受到制约，在当时只有个别的科研单位在使用，在其他部门使用不多。直到七十年代，无损检测技术还处在实验室的发展阶段，不具备推广普及条件，所以此类的仪器没有多大的发展，最主要的还是电子管式的超声检测仪器，如进口的UCT-2，还有国产的CTS-10等仪器。国建委科技司在1976年主持
13、召开了全国建筑检测技术交流会后，同年，混凝土无损检测技术被列为国家重点攻关项目，国内六个单位共同攻关研究。也是从此时开始，无损检测技术在我国被开展了有计划的研究。伴随着电子技术工业的飞速发展，特别是半导体式的元器件发展异常迅猛，用半导体元件代替电子管元件，促进了无损检测技术的发展与普及。国外的罗马尼亚的N2701型，英国C.N.S公司的PUNDIT型等。并且，由于采用了晶体管分立器件作为基本的电路元件，有利于对信号进行波形和数码之间的转换盒显示。不仅如此，它还有利于仪器的小型化、轻量化和电路集成化，从而使得仪器的自身重量至少减轻一半以上，荣上述的罗马尼亚N2701型只有10Kg，英国的PUND
14、IT型更是轻量化到了只有3.5Kg的便携式的程度。七十年代后期，建科院的JC-2型便携式超声波检测仪问世。它采用TTL线路和数码显示方式，且重量只有5Kg。同期问世的还有SC-2、SYC-2型超声波检测仪，这些仪器的成功为我国的超声仪器的发展奠定了良好的基础。在电子技术的良好基础上，智能型的监测分析仪相继研制成功。从此超声仪的发展呈现一片繁荣景象。这其中2000A型超声分析检测仪就是一种内带微处理器的智能检测仪。它可以实时显示检测数据，性能稳定，可靠性搞高，并具有数据实时存储等功能，在国内同类产品中处于先进地位。然而，在20世纪后期，由于电子技术的垄断，电子产品的价格相当高，高技术含量的电子产
15、品的价格更是高的惊人。在当时也只是推广，而得不到普及的程度。时至今日，电子工业中的技术不断得到突破，其价格也在因为各方面的原因而不断下降。昔日的尖端技术产品，在今日已不具有高端产品的地位，所以其价格的下降也是一个必然。在此之后，各类的超声波仪器才得到真正意义的普及。目前，计算机技术发展得相当成熟，而且计算机强大的功能，使得一机多用性凸显，这样的一机多用性实际上解决了很多非一体设计的仪器所带来的很多麻烦。运用计算机的模拟功能可以舍去超声仪器的许多设计，而且，计算机可以综合发挥各模块的优点。总之，将各自的优点集合设计才是所有设计的宗旨。当今中国已成为名副其实的世界工厂，各种产品的生产对超声仪提出了各种新的要求和需求，从而又进一步促进了科研人员对新一代、多样化的超声仪的研究热情。由于内外环境的影响，超声仪器在我国的发展无论在科研方面，还是在市场需求方面，都有百花齐放的的趋势。而且，在一些特殊的领域里，一批超声技术和超声仪器大有赶上国外产品的趋势，少数甚至有超越之势。综上所述，我国的超声产品由初步研究、引进吸收再研制和赶超的三个阶段。从发展趋势来看，那必将是一片欣欣向荣的景象。1.3 本课题研究的内容及意义本文将在理论方面对普通的超声波测距仪的理论分析，超声波测距仪的理论设计和误差等参数作进一步细化分析。同时研究具体的可行实施方案，在
