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1、西 安 广 播 电 视 大 学课程设计报告理、工、农、医用年季： 专 业： 机械设计与制造 本 课 程： 传感器与测试技术 姓 名： 学 号： 成 绩： 摘要摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远等优点，因而，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是应用最普遍的一种，并且在测量精度方面也能到达自动化的使用要求，它广泛应用于倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发
2、射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括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局部。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12M高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测
3、距的原理的根底上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89S51单片机为核心的低本钱、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能到达工业实用的要求关键词 超声波 Ultrasonic 单片机AT89S51 MCU AT89S51 测距Ranging 目 录摘要1关键词11.引言11.1单片机超声波测距系统框图12.超声波测距工作原理22.1超声波传感器32.1.1超声波发生器32.1.2压电式超声波发生器原理32.1.3单片机超声波测距系统构成33.设计方案4
4、3.1关于AT89S51单片机43.2超声波测距单片机系统53.3超声波发射和接收电路63.4显示电路73.5供电电路73.6报警输出电路84.软件设计84.1软件设计方法84.1.1主程序设计84.2超声波测距程序流程图94.3超声波测距程子序流程图105.调试与性能分析105.1调试步骤105.2性能分析11致谢11参考文献121 引言传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比方温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器
5、在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比拟迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。1.1 单片机超声波测距系统框图图1-1 单片机超声波测距系统框图基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40KHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，
6、由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图1-1所示。这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断效劳子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。2 超声波测距工作原理在超声波探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输
7、出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致 有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值根本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=12vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，那么可认为声速根本不变 。如果测距精度要求很高，那么应通 过温度补偿 的方法加以校正。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12M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以到达毫米级。采用AT89S51单片机,晶振12
8、M,单片机用P2.7口输出超声波换能器所需的40K方波信号,P 3.5口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的3位共阳LED数码管,段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关其对应值如表2-1所示温度()3020100152030100声速(m/s)313319325323340344349386表2-1 声速与温度的关系超声波测距的算法设计: 这里我们统一使用的是超声波在空气中传播速度为340m/s15时。假设T2是声波返回的时刻，T1是声波发
9、声的时刻，T2-T1得出的是一个时间差的绝对值，假定T2- T1=0.03S，那么有340m/s0.03S=10.2m。由于10.2m是超声波发出到遇到返射物返回的往返距离，因此实际距离为10.2/2=5.1m即实际距离计算公式：2.1 超声波传感器2.1.1超声波发生器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，这里我们也是选择的压电式。2.1.2压电式超声波发生器
10、原理超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。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本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。2.1.3单片机超声波测距系统构成单片机AT89S51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及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可测距离。开始测量超声波信号开定时器关定时器数据运算显示器接收检测电声换能器电声换能器驱动电路图2-1 超声波测距过程框图3 设计方案按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。单片机主控芯片使用51系列AT89S
