1、超声波测距系统的设计毕设论文摘 要论文的内容是基于AT89C51单片机超声波测距系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。论文概述了超声波测距的发展及基本原理，对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。该系统设计主要由主控制器模块、超声波发射
2、模块设计、超声波接收模块、报警模块和显示模块等五个模块构成。这套系统抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。关键字： 单片机、超声波、传感器、LED、测距AbstractThe paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and
3、advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. The paper outlines the development and the basic principles of ultrasound tests
4、on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design comparison, the best designed pro
5、gramme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function.This system mainly by master con
6、trol module design, ultrasonic launching module design, ultrasonic receiving module, alarm module and display module five module. The system hardware and software design is reasonable, anti-jamming ability, good real-time performance, after system extension and upgrade, can be widely used in industr
7、ial production, medical examination, the daily life, the robots, automatic operation of the automatic lead car, robots, level gauge, etc. Keywords: SCM、 Ultrasonic、Sensor、LED、Ranging 第一章 引 言1.1 选题背景随着科技发展的不断进步，自动测量技术不断更新，非接触式测量技术也有了长足的发展。在很多工控场合，测量的物体是不能够直接接触到的，或者是测量物体不宜直接接触, 这个时候就要用到非接触式的测量仪器。自物理学上
8、发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此超声波技术得到广泛运用。而在超声波测量领域，尤其是在测距领域，结合各种其他技术的应用，超声波测量变得十分普及。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高。超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感，因此超声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力，在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷达、物体识别等方面有着广泛的运用。与其他测距方法相比，超声波测距方法有其自己的特点：(1) 相对于声波，超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减较
9、小、反射能力较强等优势。(2) 相对于光学方法，超声波的波速小，可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。特别是在海洋勘测方面具有独特的优点。(3) 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化。随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的超声波技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。1.2 设计意义距离在很多场合和控制中需要实时检测，所以，测距就成为数据采集中重要的一环。尽管测距
10、有多种方式，比如：激光测距、微波测距、红外线测距和超声波测距等。但是超声波测距不失为一种简单可行的方法。虽然超声波测距电路多种多样，可是有的电路复杂、技术难度大，有的调试困难，有的元件不易购买，这就在一些方面限制了超声波测距系统的应用。本设计的电路，成本低廉、性能可靠、所用元件易购，结合单片机的数据处理，电路实现容易，工作稳定可靠。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、计算简单。超声波智能测距仪具有广泛的实际用途，超声波测距仪广泛应用于生活、军事等各个领域，如施工建
11、筑单位对空间距离的测量、汽车倒车防撞系统、潜水艇的超声波探测定位系统。超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，如汽车倒车雷达等，它们测距精度一般较低。目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。展望未来，超声波作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高精度，更大应用范围，更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。1.3 近年来国内外发展状况1.3.1 超声波测距系统在国外的发展一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展
12、缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。4年之后，1934年sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人Berg
13、rnann在他的论著ULTRASONIC中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作。美国的Firestone首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。1.3.2 超声波测距系统在我国的发展超声波测距技术作为检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着
14、重要的作用。由于其信号的高频特性，超声测距早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波测距设备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。另外，也有大量的文
15、献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波测距系统的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。随着测距技术研究的不断深入，对超声测距系统功能要求越来越高，单数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声测距仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能
16、化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。第二章 系统构成及工作原理2.1 超声波简介与应用声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率
17、大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。由于超声波具有如下特性：超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播；超声波可传递很强的能量；超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象；超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：1 超声检验。超声波的波长比一般
18、声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声测量是利用超声波直线传播的特性，从发射器发出超声波，超声波遇到障碍物是会反射回来，进而由接收器接收测量出相应的距离。超声测距技术已在各方面获得普遍应用。2超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。3基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出
19、对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在1012赫以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域。2.2 系统的设计思路超声波测距系统包括超声波的发射与接收系统、报警系统和显示
20、系统。其结构框图如图2-1所示： 图2-1 超声波测距系统的结构框图超声波测距系统能够在必要的时候（例如：汽车倒车）通过单片机控制发射电路发射超声波，超声波向前传播。当超声波遇到障碍物时会反射回来，由接收电路接收。接收电路会把信号传送到单片机中，由单片机进行相关的数据处理。所得到的结果会通过LED数码管显示出来。如果距离小于一个特定的值，单片机会发出指令让报警装置发出相应的警报声。在此过程中，如果发射装置与障碍物之间有相对运动，那么LED数码管会不断地显示两者之间最新的距离。而单片机会对距离的变化情况发出不同的指令。如果两者的距离超出一定的范围（本次设计是四米），就不再会进行报警。但是如果两者
21、之间的距离不断缩小，那么报警的声音就会发生变化，以便能够给人们提示。本系统的设计主要分为系统硬件电路的设计和系统软件程序的设计两部分。系统硬件电路部分由单片机最小系统模块、显示模块、语音报警模块、时钟模块、复位模块组成。单片机为系统主控芯片，超声波传感器作为测量器件，通过单片机进行程序处理，最后通过显示模块显示出测量的距离值并进行报警。系统软件程序部分采用模块化设计方法。整个系统由主程序、系统初始化子程序、超声波发射程序、超声波结束程序、显示程序、报警程序等模块组成，如图2-2所示 。图2-2 超声波测距系统软件框图2.3 系统的工作原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，
22、超声波向前传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，发射点距障碍物的距离H，如图2-3所示：图2-3 超声波测距原理图2-3中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用L表示，由图中关系可得 : H= Lcos (1)=arctan( M/H ) (2)将式( 2) 代入式( 1) 得:H =L cosarctan(M/H ) (3)在整个传播过程中， 超声波所走过的距离为:2L = vt (4)上式中: v 为超声波的传播速度；t为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式(4
23、) 代入式(3) 可得: H = 0.5vt cos arctan(M/H ) (5) 当被测距离H 远远大于M 时, 于是式( 5) 变为:H = 0.5vt （6）这就是所谓的时间差测距法。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声源与障碍物之间的距离。第三章 系统硬件电路设计超声波测距系统的设计包括硬件设计和软件设计，两者相互协调，构成一个具有完整功能的系统。对一个系统来说，硬件电路是整个系统的基础，是整个系统功能的实现平台。硬件电路的设计限定了系统主体的功能与性能，同时，硬件电路的选择和连接也为软件程序的编写提供了依据。系统硬件电路部分由AT89
24、C51单片机最小系统模块、显示模块、语音报警模块、时钟模块、复位模块组成。AT89C51为系统主控芯片，用超声波传感器作为测量器件，用单片机中程序进行处理，最后通过LED数码管显示出测量的距离值（总体电路图见附录一）。若此距离小于一定的数值（此次设计是四米），则进行报警。3.1 单片机的选择在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面：单片机的基本性能参数。例如指令执行速度、程序存储器容量、I/O引脚
25、数量等。单片机的存储介质。对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是Flash存储器。芯片的封装形式。如DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC有对应插座）封装及表面贴附等。芯片的功耗。比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几mA的电流，选用AT单片机就是因为它能满足低功耗的要求。供货渠道是否畅通、价格是否低廉。芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。AT89C51在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为Pin-to-Pin兼容。AT89系列单片机高速(最高时钟频率90MHz)，低功耗，不占用户资源。根
26、据本系统的实际情况，选择AT89C51单片机。与其他的单片机相比，AT89C51有其独特的特点。首先AT89C51是一个低功耗高性能单片机，有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口。其次内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。同时AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。I/O 端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对 I/O 寄存器进行编程。具体步骤如下：(1) 根据实际电路的要求，选择要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 伪
27、指令定义其相应的寄存器；(2) 初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作；(3) 根据外围电路功能，确定 I/O 端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为 I/O 的复位缺省值为输入；(4) 用作输入的 I/O 管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻；(5) 最后对 I/O 端口进行输出(写数据输出寄存器)和输入(读端口)编程，完成对外围电路的相应功能。图3-1 AT89C51 的引脚图图3-2 AT89C51单片机芯片外观图根据系统设计要求，各接口功能如下：P1.0: 产生
28、输出一个40KHZ的脉冲信号。P1.1: 产生输出一个40KHZ的脉冲信号。P1.2: 产生输出一个40KHZ的脉冲信号。INT0: 产生中断请求，接前方测距电路。INT1: 产生中断请求，接前方测距电路。P1.3: 接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。P1.4: 接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。P0.0: 用于显示输出，接显示器。P0.1: 用于显示输出，接显示器。P0.2: 用于显示输出，接显示器。P0.3: 用于显示输出，接显示器。P0.4: 用于显示输出，接显示器。P0.5: 用于显示输出，接显示器。P0.6: 用于显示输出，接显示器。P0.7: 用于显示输出，接显示器。P
29、2.7: 接报警电路。 P2.0: 接报警电路。P2.1: 接报警电路。XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，引脚应接地。XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。RST：AT89C51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片要复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。3.2 超声波测距发射电路方
30、案选择与设计3.2.1发射电路方案选择与论证方案一：利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生40kHz的超声波信号，并直接驱动发生器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。方案二：利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。综合上述情况，本次设计采用方案一。3.2.2发射电路方案的设计发射电路主要由反向器74ls04和超声波发生器T构成，单片机P2.5端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波发生器的一个电极，另一路经两级反向器送到超
31、声波的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波发生器两端，可以提高超声波的发射强度。电路设计如图3-3所示。图3-3 超声波发射器的设计3.2.3反相器74LS04简介反向器74LS04是6非门，其工作电压为5V，他的内部含有6个CMOS反相器，74LS04的作用就是反相把1变成0。下表3-1是其工作范围的分布情况，图3-4为引脚图介绍。表3-1执行工作的极限值符号参量最小值最大值单位VCC电源电压4.755.25VTA工作温度范围075CIOH最大输出电流8mAIOL最小输出电流-0.4mA图3-4 74LS04引脚图3.3超声波测距接收电路方案的选择与设计3.3.1接收电路方案的选择
32、与论证超声波测距系统接收电路包括超声波接收探头,信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波接受探头必须采用与发射探头对应的型号(主要是频率要求一致，否则会因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收)。由于经接收探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦信号不能直接被处理器接收，因此最后必须进行波形变换。常用的波形变换的方法有三种：方案一：采用集成锁相环NE567对放大后的信号进行频率监视和控制。探头接到回波，如果接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。这种方法的特点是电路简单，但锁相环接收的频带较窄，不易锁相。 方案
