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1、 毕业设计（论文）智能化超声波测距实验装置的研发智能化超声波测距实验装置的研发系 别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号学生姓名李燕指导教师 金伟2011 年 10 月 24 日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页智能化超声波测距实验装置的研发摘 要本文阐述了超声波测距的原理，介绍如何用 C8051F20 单片机实现超声波测距，分析各个部分的工作原理，并给出了原理图和源程序。此超声波的测距电路由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和 LED 显示器组成。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，因而超声波被广泛应用于距离的测量。利用超声波检测比较迅速、方便，计算
2、简单，已做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用要求，测量时与被测物体无直接接触等，这些优点使其广泛应用于倒车雷达、建筑施工工地等场合。关键词：超声波 测距 单片机东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页Intelligent ultrasonic experiment device of research and developmentAuthor：Li Yan Tutor：Jin WeiAbstractThis paper expounds the principle of ultrasonic ranging and describes how to use C8051F2
3、0 SCM realizing ultrasonic ranging. It also analysis of the working principle of each part and gives the principle diagram and the source program. The ultrasonic ranging is composed by ultrasonic sensors, SCM circuit, launch/receiving circuit and LED display. Due to the strongly directivity, slowly
4、energy consumption and long transmission distance in a medium, thus ultrasonic is widely used in distance measurement. Ultrasonic is quickly, convenient, simple calculation and achieves real-time control. And it can also reach the industrial practical requirements in the measurement precision and wi
5、thout directly contacted with object to be tested. All These advantages make it widely used in reverse radar, construction site and so on. Ultrasonic ranging based on the AT89S52 SCM easily overcome shortcomings, and is used very extensive. Key Words: Ultrasonic wave; Range finding; One-chip compute
6、r; widely东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页目 录1 绪 论 .2 1.1 课题的提出 .2 1.1.1 超声波测距实验装置的研发 .2 1.1.2 选题的目的、意义及实用价值.3 1.2 超声波测距发展及现状 .5 1.2.1 超声波的发展史.5 1.2.2 现有非接触式测距技术的优缺点.5 1.2.3 超声波的国内外测距研究现状.7 1.3 本课题的主要工作 .7 1.3.1 课题的整体设计.7 1.3.2 课题的细节设计.8 1.4 主要成果 .11 2. 超声波测距的理论基础.12 2.1 声波概述 .12 2.1.1 声波的产生.12 2.1.2 声波的基本特性.
7、12 2.1.3 声波的分类.13 2.1.4 研究波传播相关的主要参数.14 2.2 超声波的基本特性 .18 2.3 压电式超声波传感器工作原理 .19 2.4 超声波测距原理 .20 3. 课题的主要结构及设计.20 3.1 智能化多功能超声波测距实验装置的硬件设计 .21 3.1.1 驱动电路的设计.21 3.1.2 接收电路的设计.25 3.2 软件设计 .26 3.2.1 发射及接收模块的软件设计.28 3.2.2 智能化通讯模块的设计.30 3.2.3 上位机数据采集与处理模块的设计.32 4. 实验结论及误差分析.35 5. 结论与展望.36 致 谢.38 参考文献.39 附
8、录.39东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页1.绪论绪论1.1 课题的提出1.1.1 超声波测距实验装置的研发随着科技的不断发展，超声波因其指向性强、能耗缓慢、传播距离远等特性而在测距方面得到广泛应用, 根据超声波测距原理，国内一般采用专用集成电路来设计各种测距仪器, 但是专用集成电路的成本相对较高、功能相对单一。而相对的，基于单片机控制的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能, 并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠。在超声波测距发展快速的今天，各高校也对超声波测距研究产生了浓厚的兴趣并研发出一系列的超声波测距装置。远的不说，就说实验室现有的三套实验装置：ZKY
9、-SS 声速测定仪、基于 ARM 的超声波测距仪及基于 51 单片机的超声波测距系统。通过在它们之间进行实验与对比，发现它们各有千秋，相对的也各有不足之处。ZKY-SS 实验仪是用于测量空气、液体中的声速的专用仪器。本装置一般用于大学物理基础实验，是将声波振动、压电陶瓷应用、示波器技术和声纳技术相结合的产物。该实验装置除了可以采用基础物理声速实验中常用的测试方法外，还可以用工程中实际使用的声速测量方法-时差法来进行测量。使用时差法进行测量时，可以在示波器上明显地显示出声波在传播过程中经过多次反射、叠加而产生的混响波形。该实验仪除了超声实验装置和声速测定信号源之外，还有水槽和固定试验样品。但是，
10、它的发射装置与接收装置固定，不易随意拆卸更换，因此很难在它的基础上再次研发新产品。经过实验了解到 ZKY-SS 声速测定仪能够较准确地测量有限距离及特定温度下的声速，但它仅适于环境因素变化不大的实验室。而另外两款都是根据超声波在遇到障碍物时会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，在发射同时单片机内部的定时器开始计时，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。基于ARM的超声波测距仪，它解决了人工东北大学秦皇岛分校毕业设
11、计（论文） 第 3 页 测量时的由于视差而引起的误差问题，提高了测量精度，完全通过单片机对发送与接收模块进行控制，并通过液晶屏对测量结果进行实时显示，但它有时显示数据时不是很稳定，相对变化较大，超出一定的测量范围甚至会出现错误的显示结果，并且测量盲区较大。而基于 51 单片机的超声波测距系统结构简单，整个系统除了一对非封闭式探头外，只包含了一个 74LS04 芯片作为驱动电路及一个 cx20106a 芯片作为接收电路，采用 51单片机来对整个发射与接收过程进行控制，最后由 LCD1602 液晶屏显示测量结果。它的测量范围较大，精度较小，但随着距离的增大依然会出现显示结果错误的现象，这是因为它采用了 74LS04 作为驱动电路，驱动功率较小，在相对远的距离上很难得到准确的回波。在此基础上，希望自主研发一种以单片机为核心的硬件可选、软件灵活、比以上几种实验装置精度更高、测量范围更大且测量盲区更小、又能稳定显示测量结果且成本合理并能更进一步开发的智能化多功能超声波测距实验装置。1.1.
