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1、皖西学院本科毕业设计毕业论文设计超声波测距仪设计目录摘要1Abstract21 绪论31.1 设计项目概述31.2 设计要求31.3 超声波测距原理32 超声波测距仪硬件系统设计52.1 超声波传感器52.1.1超声波传感器结构52.1.2 超声波传感器工作原理62.2 总体方案设计72.3 超声波发射电路设计82.4 超声波接收电路的设计92.5 显示电路的设计103 单片机AT89S52123.1 AT89S52单片机的构成123.2 AT89S52单片机的工作原理133.3 AT89S52单片机特性143.3.1 AT89S52标准功能143.3.2 管脚说明154 软件设计174.1
2、程序设计总体分析174.2 程序流程图174.3 电路程序设计184.4 电路搭建与程序调试26结论27致谢28参考文献29超声波测距仪设计摘要：本文阐述了超声波测距的原理，介绍如何用AT89S52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
3、工地等场合。关键词：超声波 测距 单片机 The design of ultrasonic rangefinderAuthorYang ShengTeacherHu YonggangAbstract：This paper expounds the principle of ultrasonic ranging and describes how to use AT89S52 SCM realizing ultrasonic ranging. It also analysis of the working principle of each part and gives the principl
4、e 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 energy consumption and long transmission distance in a medium, thus ultrasonic is widely used in distance measure
5、ment. 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 without directly contacted with object to be tested. All These advantages make it widely used in reverse radar, con
6、struction site and so on. Ultrasonic ranging based on the AT89S52 SCM easily overcome shortcomings, and is used very extensive. Keywords: Ultrasonic wave; Range finding; One-chip computer; widely1 绪论1.1 设计项目概述 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。利用超声波检测往往比较迅速、方便，计算简单，已做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业
7、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、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位测量、精深测量等场合。目前国内一般实用专用集成电路设计超声波测距仪，但是成本高，没有显示，操作不便，操作使用不方便，创展不灵活。基于单片机的超声波测距易克服了上述缺点，应用非常广泛。 1.2 设计要求设计一个超声波测距仪，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。具体要求如下：(1)测量范围在0.5-4m，测量精度1cm。(2)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。 1.3 超声波测距原理采用单片机作为主控
8、制器，用LED数码管作为显示仪器来显示所测的距离。由单片机发射和接受超声波信号，再经过单片机计算输出显示被测距离，即超声波发生器T在某一时刻发出一段超声波信号，当超声波遇到障碍物（被测物体）后返回被接收器R接受。测距的原理如图1.1。 RTT2 T1 图1.1 测距的原理这样只要计算出发射超声波和接收到超声波之间的时间，就可以计算出超声发射器与反射物体的距离。距离计算公式为： 其中：d为被测物与测距仪的距离 s为声速的来回路程 c为声速 t为声波来回所用的时间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，习惯称之
9、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两种，但是一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器利用压电效应的原理将超声波和电能相互转换，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波，而在收到回波的时候，则将超声振动转换为电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法。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生源与障碍物之间的距离，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332.45m/s。单片机使用12MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论可以达到毫米级。 单片机显示模块超声波接收器R超声波发生器T
10、电源电路 图1.2 基于单片机的超声波测距仪系统框图2 超声波测距仪硬件系统设计2.1 超声波传感器超声波传感器是根据超声波的特性而研制成的传感器。超声波是一种机械波，其振动频率高于声波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生。超声波的频率高、波长短、绕射现象小，方向性好、能够成为射线而定向传播。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换，即在发射超声波的时候，转换电能，发射超声波，在收到回波的时候，则将超声波振动转换为电信号。超声波发生器一般分为两类：一类是用电气方式产生超声波，另一类使用机械的方式产生超声波。超声波测距仪属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。2.
11、1.1超声波传感器结构超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。超声波传感器结构如图2.1所示。超声探头的核心是其外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。共振板压电晶片电极图2.1 超声波传感器结构 图2.2 超声波传感器的实物图2.1.2 超声波传感器工作原理压电型超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，由于超声波传感器是一种可逆元件，超声波发送器
12、就是利用压电逆效应的原理。在压电元件上施加电压，元件随之变形，即称应变，压电逆效应如图2.3所示。如果在图a所示的已被极化的压电陶瓷上加一个图b所示极性的电压，压电陶瓷的极化正电荷与外部正电荷相互排斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相互排斥。由于相互排斥的作用，压电陶瓷的厚度变小，长度伸长。若外部施加相反极性的电压，如图c所示那样，则压电陶瓷厚度变厚，长度缩短。图2.3 压电逆效应图超声波传感器采用的是双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向背向粘在一起，则在长度方向上，一片伸长，另一片缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶
13、振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压
14、。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。图2.4 传感器的方向性2.2 总体方案设计单片机采用AT89S52，系采用12MHZ高精度晶振得到较为稳定的时钟频率以减小测量误差。用单片机P1.0端口输出40KHZ方波信号，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机，利用外中断0检测接收返回的超声波信号。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物
15、的距离,并由单片机控制七段数码管显示出来。其时序图如图2.5所示。图2.5 时序图单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。2.3 超声波发射电路设计超声波发射采用推挽形式将P1.0端口发出的方波加到超声波换能器两端以提高超声波发射的强度。发射电路主要有74LS04和超声波换能器
