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4、 目： 基于单片机超声波测距系统的设计 专 业： 计算机科学与技术（专升本） 班 级： 计算机081班 姓 名： 阮 程 程 学 号： 08191109 指导老师： 余 水 宝 成 绩： ( 2009.6 )目 录第1节 引 言11.1 超声波测距系统概述21.1.1超声波传感器21.1.2超声波测距的基本原理21.2 本设计任务和主要内容31.2.1设计任务31.2.2主要内容3第2节 系统主要硬件电路设计42.1 方法论证与比较42.2 单片机系统电路52.3 单片机硬件电路52.3.1单片机系统及显示电路52.3.2超声波发射电路62.3.3超声波检测接受电路7第3节 系统软件设计93.
5、1 超声波测距器的算法设计93.2 主程序设计103.3 超声波发射和接收子程序113.4 显示子程序143.5 超声波测距控制源程序15结束语 16参考文献 17基于单片机超声波测距系统的设计数理与信息工程学院 08计算机专升本 阮程程指导教师：余水宝 第1节 引 言18世纪，意大利传教士兼生物学家斯帕兰扎尼在研究蝙蝠夜间活动时，发现将蝙蝠眼睛蒙上，在伸手不见五指的黑夜里，它仍能穿梭飞行，可是把蝙蝠的双耳塞住，它就会到处瞎撞。原来，蝙蝠飞行时能发出高频率的尖叫，由它特大的耳廓接收回波，来判定出目标或障碍物及其距离。蝙蝠是靠高频率的尖叫来确定障碍物的位置的。蝙蝠尖叫声的声波频率在每秒2万到10
6、万赫兹之间，我们的耳朵对这样频率范围内的声波是听不到的，这样的声波被称之为超声波。蝙蝠发出超声波，然后借助物体反射回来的回声，就能判断出所接近的物体的大小、形状和运动方式。在自然界中除了蝙蝠还有很多其它动物能发出超声波，如海洋中的海豚也具备很强的超声定位本领。人们正是从自然界生物中获得了灵感，开始了仿生学研究并取得卓著成果。第二次世界大战时，军舰已使用回声探测术来侦察水下的潜艇。50年代，科学家们将超声波探测技术应用到医学上，到70年代以来，以B型超声成像为代表的医学超声诊断技术已经取得了很快的发展。超声诊断由于安全、简单、经济、信息量丰富而受到医学界的特别赏识。现在超声波已广泛应用于无损探伤
7、物位测量测厚测距等领域。近二、三十年，特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这
8、些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。目前,超声波测距在各种场合均已经得到广泛的应用，如汽车倒车、海洋测量、物体识别、工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等。1.1 超声波测距系统概述1.1.1 超声波传感器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，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称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，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将
9、超声振动转换成电信号。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。测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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 M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。1.1.2 超声波测距的基
10、本原理超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离： （1-1）式中D为被测物到测距仪之间的距离，S为超声波往返通过的路程，V为超声波在介质中的传播速度，T为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系： （1-2）式中，T为实际温度()，v的单位为m/s。1.2 本设计任务和主要内容1.2.1 设计任务设计一个超声波测距器，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
11、、井深、管道长度的测量等场合。要求测量范围在0.10-4.00m，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。1.2.2 主要内容该系统主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。其主要内容如下：硬件电路的设计：1根据超声波测距的特点，进行系统的整体规划和设计。2针对系统的整体功能，对各个模块电路进行具体设计。3对超声波发生电路进行论证和设计，产生用于测量的超声波。4对超声波接收电路进行论证和设计，接收反射回来的超声波。5对数据采样电路进行设计和分析，测量发送和接收的时间，并计算距离。6LED数码显示测量的距离值，以文字显示的方式显示测
12、量的距离。系统软件的设计：1超声波测距器的算法设计。2系统主程序的设计。3发送子程序的设计。4接收中断程序的设计。5显示子程序的设计。6超声波测距控制源程序的设计。第2节 系统主要硬件电路设计2.1 方法论证与比较目前，非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。虽然激光测距比较精确，但是需要注意人体安全，制做的难度较大，成本也较高，并且光学系统需要保持干净，否则将会影响测量。雷达是利用极短的无线电波进行探测
13、的，雷达的组成部分有发射机、天线、接收机和显示器等。由于无线电波传播时，遇到障碍物就能反射回来，雷达就根据这个原理把无线电波发射出去，再用接收装置接收反射回来的无线电波，这样就可以测定目标的方向、距离、高度等。雷达被称为“千里眼”，白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它常常是军事上必不可少的电子装备。但是，雷达却存在致命的的三大弱点：一是对超低空目标有盲区，“千里眼”实际是远视眼，头顶和鼻子底下有盲区；二是雷达是主动用电波去搜寻目标的，易暴露自身；三是雷达很容易受到干扰，频率相同的电波它不分敌我，一律可以入内。超声波测距是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
