超声波测距系统设计毕业论文

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1、毕业设计（论文）标题：超声波测距系统设计学生姓名：陈江系部：电子工程系专业：应用电子技术班级：高电子0501班指导教师：王维斌株洲职业技术学院教务处制目录摘要（I）1、绪论 1 11 超声波传感器的类型212 压电式超声波发生器原理 2 13超声传感器的特性 3 14 速度影响因素及其补偿 3 15 超声波测量距离的原理 32、超声波测距仪总体结构 521 主控芯片的选择 52. 2单片机AT89S51的外围电路 73、超声波发射 103. 1 多谐振荡器特点103. 2非对称式多谐振荡器工作原理103. 3超声波发射电路114、超声波接收 134. 1接收放大器的方案设计134. 2超声波接

2、收电路135、测温芯片AD590 155. 1 AD590简介155. 2 AD590 的工作原理的内部结构165. 3 测温电路的设计 176 系统软件设计186.1 系统软件结构 18 结论 19 参考文献 20 附录 21 后记 30摘要文中介绍了一种以单片机AT89S51作为主控制器，最终用7段数码管 显示测量距离的超声波测距仪的设计方法。在设计中通过检测超声波信 号从发送到接收的时间间隔t,计算出测量距离s。但是考虑到超声波传 播速度受温度的影响较大，因此系统中还采用了温度传感器AD590来检 测周围环境温度，对超声波的传播速度进行温度补偿，提高测量的精度。 本设计是以单片机为核心的

3、测距仪器，可以实现预置、多端口检测、显 示等多种功能,并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠。从而实 现直接的查看距离值、显示、输出控制的功能。关键词：超声波；测距；测量误差；温度补偿； AT89S511 绪论虽着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2 种方法由于技术难度大，成本高,一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技 术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。 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

4、、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。 随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应 用也非常广泛。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁 的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有 灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测 量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空 气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很 容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其

5、它方法为高；而且超声 波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超 声波来测量距离。11 超声波传感器的类型为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总 体上讲，超声波发生器可以分为两大类：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。 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 率和声波特性各不相同，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。12 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。

6、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。 13超声传感器的特性1.3.1传感器的指向角e 传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参 数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长入， 传感器半径r有关由(2 n /入)*r*sin( 0 /2)=1.615选f0=40KHz时，入= C/f0=8.5mm。当fO选定后，指向角0近似与传感器半径成反比。指

7、向角0愈小， 空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片 规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传 感器片最大半径r=6.3mm，故 0 =2*arcsin(1.615 入 /2* n *r)=75 1.3.2测距仪的工作频率它的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作 频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损 失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。 1.3.3工作频率的确定主要基于以下几点考虑(1) 如果测距的能力要求很大，

8、声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。(2) 工作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐测量 障 碍物 (3) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装 复就越困难。杂 综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率定为表KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失面相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。1越.4 速度影响因素及其补偿准 稳定准确的超声波速度是保证测量精度的必要条件，而超声波在空气传播中 ，会受到温度、湿度、粉尘、大气层

9、、气流等逻辑因素的影响。其中温度的影响最而。超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为：CT 237.16/237.16 且由泰勒公式将其展开得：波C=331.5+0.607Tm/s长中T温度(C),可见温度对速度的影响很大必须加以修正。1短. 5 超声波测量距离的原理，超声波是指频率超过20kHz的声波，因其具有指向性强、在介质中衰减小、传 尺播距离远等特点，经常用于实现距离的测量。超声波测距的常用方法有渡越时间 寸法、频差法、幅值法等。其中，渡越时间法因其原理简单，实现方便，而被广泛 采用。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF (timeofflight)。首先测出超声 辨波从发射到遇到

10、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 要的求有提激高光。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。 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。 主控制器脉冲调制信号进行超声波发送，采用时间间隔法来检测到障碍物的距 离，通过数码管直接对测试距离进行显示，因温度是影响超声波传播速度最重要 的因素，考虑到在

11、精度方面的要求，采用了集成测温芯片，对超声波的传播速度 进行温度补偿 ,提搞测量的精度。2 超声波测距仪总体结构超声波测距仪的硬件结构如图2.1所示超声波发射超声波接收2.1 超声波测距仪总体结构框图21主控制器的选择方案一：由集成电路单片机组成本方案只需一片单片机就足以实现方案的所有功能，有着电路简单、成本低 功能强大、精度高等优点。另外还可以与PC机通信，实现智能化控制与远程控 制。方案二：由组合逻辑电路组成 采用组合逻辑则所有电路均需用数字逻辑电路和部分分立元件，所以此方案 系统体积庞大、所需元器件多、功能少、误差大等缺点，所以该方案不宜采用。由以上分析，由单片机组成的控制很明显优于由组

12、合逻辑电路组成的控制方 案。所以本系统采用由单片机控制来设计超声波测距仪。21 1主控芯片的选择本文以ATMEL公司生产的51系列家族的AT89S51和AT89C2051两种单片机来讲解，两种单片机是目前最常用的单片机，其中AT89S51为标准51单 片机，当然其功能比早期的51单片机更强大，支持ISP在系统编程技术，内置 硬件看门狗。AT89S51单片机引脚介绍AT89S51有PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式，其中最常见的就是采用40Pin封装的双列直接PDIP封装，外形结构如下图4.1.1所示图4.1.1AT89S51单片机外形结构芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口

13、，左边那列引脚逆 时针数起，依次为1、2、3、4|、40，其中芯片的1脚顶上有个凹点在单片机 的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及 4组8位可编程I/O引脚32根。1、主电源引脚(2根)，VCC(Pin40):电源输入，接+5V电源，GND(Pin20)： 接地线。2、外接晶振引脚（2根）XTAL1（Pin19）：片内振荡电路的输入端，XTAL2（Pin20）：片内振荡电路的输出 端。3、控制引脚（4根）RST/VPP（Pin9）：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG（Pin30）：地址锁存允许信号，PSEN（Pin29）：

14、外部存储器读选通信 号，EA/VPP（Pin31）：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读 指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。4、可编程输入/输出引脚（32根）AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O 口，分别位P0、P1、P2、P3 口，每 个口有8位（8根引脚），共32根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电 机、交通灯、霓虹灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的 功能，尽情发挥你的想象力吧，实现你想要的。PO 口（Pin39Pin32）： 8 位双向 I/O 口线，名称为 P0.0P0.7P1 口（Pin1Pin8）： 8位准双向I/O 口线，名称为P1.0P1.7P2 口（Pin21Pin28）： 8位准双向I/O 口线，名称为P2.0P2.7P3 口（Pin10Pin17）： 8位准双向I/O 口线，名称为P3.0P3.7上面就是AT89S51单片机引脚的简单介绍。22单片机外围电路本设计中，单片机是核心控制元器件，它控制产生脉冲调制信号来发送超声 波，同时接收电路将接收到的反射信号转换成单片机所需的中断信号，使单片机 产生中断，从而得到超声波信号从发送到接收的时