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1、 . . . 精密超声波测距仪的设计与实现学生： 指导教师：容摘要：本文详细介绍了基于PIC16F873单片机的具有温度补偿的高精度超声波测距仪的硬件与软件设计。它利用PIC16F873产生40KHZ的脉冲信号并转换成超声波发射，当超声波遇障碍物后返回，经超声波接收传感器接收返回信号送至PIC16F873的CCP1模块，得到超声波的传播往返时间。即可实现对距离的测量。但由于超声波是一种声波，其传播速度和环境温度有密切关系，当温度变化时声速也变化，导致测量不准确。为提高测量的准确性就必须采用温度补偿。即用DS18B20数字温度传感器测量环境温度，通过PIC16F873获取当前环境下温度的采样值，
2、根据当前环境下的温度查找出与之对应的超声波速度。即可精确计算出距离，送LCD显示（温度、速度和距离），或通过串口与PC机相连实现人机交互。关键词：高精度 PIC16F873单片机 超声波 温度传感器 Design and realize about precise ultrasonic range finderAbstract：This paper introduces hardware and software design of high precise ultrasonic range finder with temperature compensate based on PIC16F8
3、73 MCU. It uses PIC16F873 produces impulse signal of 40KHZ, and transforms ultrasonic. Ultrasonic return when it meets bar,sensor takes it over and delivers it to CCP1 module of PIC16F873. We will get the time of ultrasonics trip. So we can get the distance, but ultrasonic is a sound wave .its trans
4、mits has affinity with environment temperature, sound speed changes with the changes of temperature, the measure will not right. It must use temperature compensate for the veracity of measure. We measure environment temperature by DS18B20, and get the hits of current environment by PIC16F873.Ultraso
5、nic speed can be found by the environment temperature. Distance is worked out, displaying by LCD (temperature speed and distance), man-machine conversation comes true by serial interface connect to PC.Keywords：High precise PIC16F873MCU Ultrasonic Temperature sensor目 录一、绪论1（一）超声波的基本概述1（二）超声波测距的设计方案论证
6、2（三）设计背景与工作原理2二、系统总体设计要求与方案确定3（一）超声波测距仪的分析运用3（二）超声波测距仪的硬件设计总揽4（三）超声波测距方法的设计方案论证5（四）超声波传感器的选择7（五）RS232异步串行通信协议和接口规8三、系统电路设计要求与方案确定11（一）主控制芯片的选择11（二）测温补偿电路方案论证确定12（三）LCD 1602显示电路方案论证确定13（四）超声波发射电路方案确定13（五）接收与信号处理电路方案论证确定14（六）RS-232通信接口电路方案论证确定18四、系统调试19（一）印刷电路板设计制作与硬件调试19（二）测试仪器20五、结论21六、总结与体会22七、辞22附
7、录23参考文献30 / 一、绪论（一）超声波的基本概述人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ20KHZ围，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ到几十MHZ。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）与纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体与固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体与固体中传播，衰减较小，传播较远。超声波波长短，绕射现象
8、小，而且其方向性好，穿透能力很强，且碰到杂质或分界面就会有显著的反射现象。这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像等技术。1.超声波的波型（1）纵波是质点振动方向和传播方向一致的波，在固体、液体和气体中传播如图1所示。图1 纵波 图2 横波 图3 表面波（2）横波是质点的振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体中传播如图2所示。（3）表面波是质点的振动方式介于纵波和横波之间沿着固体表面传播的波，其振幅大小随着传播深度的增加而迅速衰减。表面波只能沿着固体表面传播，其质点运动轨迹为椭圆形，且椭圆的长轴垂直于传播方向，而短轴平行于传播方向如图3所示。2超声波的特性（1）超声波在介质
9、传播过程中，会发生衰减和散射。由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减。不论是超声波流量计还是超声波测距仪，对所接受的声波强度都有一定要求，所以都要对各种衰减进行抑制。（2）超声波声束能集中在特定的方向上，可在气体、液体、固体等介质中有效传播，具有良好的指向性。超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播，其速度受介质温度、压力等因素的影响，但在一样外部环境下，超声波在同一介质中的传播速度是一常数。这是所有超声仪表进行测量的基础。（3）超声波在异种介质的界面上会产生反射、叠加等现象。尤其是不能通过气体固体界面。利用超声波在异质界面上发生的反射特性，获得从异质界面反射回来的反射
10、波，通过仪器部的电路处理从而达到探测距离的目的。（二）超声波测距的设计方案论证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。但传统距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面高度，电极长期浸泡在水里或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比 ,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、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力，是作为间接测量距离的理想手段。因此在液位测量、车辆自动导航等方面有广泛应用。特别是应用于空气
11、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。因此得到了广泛的应用。（三）设计背景与工作原理传统的利用固定电平判断回波到达时刻的超声波测距方法存在较大误差。针对这种误差提出的可变阈值的超声波测距方法，由于干扰信号的存在，超声波测距主芯片会产生误判回波时刻的到来，从而导致测量数据不准确。超声波传感器通过压电晶片的逆效应电致伸缩，在空气介质中产生超声波。测距所用超声波一般都是以间断的高压单脉冲发射，每测距一次，需要发射、接收一次。所以在测距脉冲的发射过程中，
12、传感器晶片经历了起震、加强和衰减三种状态，并产生多个谐振周期的超声波；接收过程中，传感器晶片在多个谐振周期的超声波脉冲作用下，通过压电效应在晶片两端产生起伏电压。超声波发射超声波接收图4 超声波测量距离原理示意图超声波测量距离的原理可用上图4示意，简单描述为：超声波发射器定期发送超声波，超声波经接收器接收并转化为电信号，测量声波在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。 测距的公式表示为：L=C(T /2 ) (1)L为被测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T/2为发射到接收之间时间数值的一半)。这样只要测出发射和接受
13、之间的时间差T，即可求出距离。二、系统总体设计要求与方案确定（一）超声波测距仪的分析运用超声波测距在实际运用中提高距离还比较困难。限制该系统的最大可测距离主要存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以与接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。由于超声波属于声波围，其波速C与温度有关。环境温度对超声波传播速度的影响最大。如在0摄氏度时其传播速度为331.45m/s，在10摄氏度时其传播速度为337.462m/s，在20摄氏度时其传播速度为343.369m/s，在30摄氏度时其传播速度为349.176m/s。不能一律用340m/s的速度取
14、而代之。为提高测量精度，需要对超声波在测量环境的传播速度加以校正。在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。该系统是一个数据采集和处理系统，对数据采集和处理采用MICROCHIP公司的PIC16F873单片机，该单片机端口资源丰富，集成模块多，如：16位宽的定时器TMR1，输入捕捉模块CCP1，AD模块等。非常适合于本系统。本设计就是充分利用了TMR1，CCP1，USART模块，实现了数据的采集，处理和传输。配合PC或GSM无线模块，并可由PC控制，数据返回到PC。超声波为40KHz，由PIC16F8
15、73产生并从RC4输出，经4069后驱动超声波发射头在发完4个周期的40KHz脉冲信号后启动定时器TMR1开始计时。超声波遇障碍物后发射回来由超声波接收头接收。接收到的信号非常微弱，需要放大并整形为TTL脉冲信号送到CCP1模块的输入引脚RC2。CCP1捕捉到4个脉冲时把TMR1寄存器的累计值抓取到CCPR1并引起中断并关闭定时器TMR1，此时可以由寄存器CCPR1的值便可知道超声波在空气中的传播用时。由公式L=C(T/2)即可计算出测量点与障碍物之间的距离。测量得到的距离由LCD显示。（二）超声波测距仪的硬件设计总揽超声波测距仪主要包括：温度检测电路、超声波发射与控制电路、超声波接收与信号处理电路、显示电路、单片机与辅助电路、RS-232通信接口电路等6个部分组成。如下图5所示。图5 超声波测距仪结构图（三）超声波测距方法的设计方案论证方案一：标准样距测速法简介所谓标准样距测速法，就是在当时的环境下去测量一标准样距，从而得到在该测量环境下超声波的实际传播速度，以达到校正速度的目的。设样距为d，测量样距用时t1，被测量距离用时t2，则该环境下的超声波传播
