基于单片机的高精度超声波测距系统的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的高精度超声波测距系统的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，衍生出大量超声波仪器，目前，超声波在无损检测中发挥出无与伦比的作用。 从国内来看，目前超声波在测试方面的研究成果比较多。 如国内的测试研究所就在超声波测距方向做出了较为系统的研究并发表了诸多相关论著。 这些论著详细的说明了超声波测距的原理。 还留下诸多相关实验的数据结论，如，超声波的传播速度（即声速）的影响因素有哪些，波的特性在传播过程中对测距系统的影响分析。 详细可见于国家测试研究所《 超声波原理及实践技术》，作者李冒山。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 48 页 厦大的同峰教授提出了一种针对高精度测距的改进方法。 根据他的结论，测距之所以有误差，是由于对回波的脉冲检验方式有问题。 他根据实验，验证了回波的包络方程，给出了软硬件的设计方案。 在智能机器人研究领域，超声波测距也有不可缺少的作用。 一个高精度的超声波测距系统不仅能准确的引导机器人的行动，而且还能迅速的反馈周围的环境状况，为机器人完成各种复杂工作提供必要的辅助。 我国的超声波测距技术已经趋于成熟，但与发达国家相比，在精度方面还是差一大截，我们想要进入现代化的建设中去，就要提高速 度和效率，而这些都是建立在高科技水平，高质量的仪器之上的，所以我们还需加强研究，使得精度达到未来的需求，从而为工业的发展做出贡献。 通过长时间的研究和发展，超声波测距不仅仅是单一的技术了。 而且不断加入各个其他的领域的知识，结合了人类智慧的结晶。 渐渐形成一个深入、实用、值得探讨的专业的研究方向。 通过查询相关资料了解到，我们国家使用的大多数高精度测距系统均来源于进口，这在很大程度上对我国的经济和现代化的发展产生巨大的阻力，因此，我们需要增加在超声波测距系统的研究经费，使我国的测距装置不仅能满足自己本国的需要，还 能出口到国外。 基于单片机的高精度超声波测距系统的设计 第 4 页 共 48 页 ２ 超声波测距原理和方案 ２ .１ 超声波测距的基本理论 ２ .１ .１ 超声波简介 所谓超声波，跟普通声波的区别是频率范围不同。 物理学上将它规定为频率在20xx0 赫兹以上的波。 它具有很好的方向性，并且有着非同一般的穿透力。 属于比较容易获取的声能中的一种。 超声波的使用范围也是很广的，比如：测量，测量又分为速度的测量和距离的测量；各种需要杀灭细菌的环境；超声波的能量还可用于破碎物体，用于分割等。 因此不难看出，超声波的应用领域不受限制，即可用于军事也可用于日常生活，对工农业和医疗业也有着巨大作用。 说道超声波的命名来源，顾名思义，超过声音的波，人类的听力是无法接收如此高频率的波的。 虽然如此，但其本质还是声波，因此能满足声波的各种特性，也就是说，声波的规律对于超声波也完全适用。 声波是一种传递了物体运动的能量，比如，桌子被拍打，桌面就会产生上下运动，从而传播声音。 声波的特性很多，首先，声音在同一环境下的传播速度是一个定值。 其次，遇到障碍后一部分声波会被反弹回来。 第三，声波传出去以后，距离越大，衰减也就越大。 最后，也是最重要的一点，超声波传播的方向是直的，这就使得超声波用于测距有了一个很好的基础条件。 ２ .１ .２ 超声波与传播介质的关系 当超声波在通过几种不同的媒介时 ,在这两个介质交界的地方会发生折射和反射两种现象。 根据物理的反射、折射等定律可知，波的传播遵守如图 21所示的规则。 第一介质 第二介质 入射波 折射横波 折射纵波 反射横波 反射纵波 图 21 超声波的反射、折射规律 华北科技学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 48 页 超声波沿 x正向传播的运动方程为： （ 21） （ 22） 其中， A(x)代表超声波的振幅（质点位移的大小）、ω代表角频率、 t 代表时间、A0则是常数、 x代表传播的距离、 k=2π /λ代表波数，λ代表波长，α代表衰减的系数。 且有如下关系： （ 23） 上式中 a 代表介质常数， f代表振动频率。 超声波的衰减，波在传播当中，由于外界因素的影响，其具有的能会逐渐减小。 造成其减小的原因主要有波的发散、散射等。 其衰减的规律可由以下公式表示： （ 24） （ 25） 其中， P0代表声音在 x=0 时候的声压， I0代表声音在 x=0 出的声强。 ∂代表系数，单位是：奈培 /cm。 其衰减与距离的关系如表 21所示： 表 21 声波衰减与距离的关系表 L(cm) 1 2 5 10 20 40 80 160 200 幅值（ mv） 141 112 86 74 52 41 31 8 3 经研究证明，在介质中，声音传播速度会受到环境温度的影响。 通常，超声波在空气中的向各个方向传的速度约为 340 m/s。 温度变高后，一般情况下速度也会加快，这两者间的关系如表 22 所示： 表 22 声速与温度关系 温度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 波速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 用公式可表示为： （ 26） 基于单片机的高精度超声波测距系统的设计 第 6 页 共 48 页 其中， T 代表温度。 ２ .１ .３ 超声波换能器简介 超声波传感器，别名超声波换能器 ，是超声波测距系统里不可或缺的一个重要元件。 它的主要作用是完成电能和声能的相互转换。 超声波传感器的种类多样化，可分为压电、电磁、磁滞、电动等几类。 以上分类依据是基于实现超声波的传感器声能和电能转换的物理方式。 有一些特殊的材料在接受一定压力是会在其内部产生一个电场，这就是我们通常所说的压电效应，而能达到这种效应的材料就是作为超声波传感器的核心部件。 ２ .２ 超声波测距系统总体设计 超声波测距的具体方式有多种，可以采取检测相位的方式，也可以采取检测幅值的方式，最普遍的度量时间的方式。 具体来说就是，当声波发射出去后，一旦遇到阻挡物就会被反弹回来，我们知道，超声波在空气中相同温度下是的速度是一个定值，所以距离的计算很简单了，只要得到发出和接收到的时间差值， 和通过查询表格就能算出距离。 具体计算公式如下： （ 27） 其中， S 为所求距离， T 为波来回的时间， V 为当前超声波传递的速度。 该测距的原理可简单的表示为图 22 所示 ： 图 22 超声波测距原理图 系统框图如图 23所示： 华北科技学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 48 页 图 23 系统框图 系统工作总流程 说明： 首先 ,系统初始化完成后，测温电路开始工作， DS18B20 芯片开始采集环境温度并将最后采集到的数据送入单片机。 AT89C52单片机的一个 I/O口发出一个 40kHz的方波用于超声波发射电路的输入信号并同时开启计时器并初始化所有子程序，该信号经超声波发射驱动电路的处理后输送到超声波的发射探头。 当信号到达被测目标后，立即被反射回来，而超声波接收探头将接收到的回波信号经行适当的放大。 经过一级放大的信号分两路同时输送到双比较器整形电路中去，如图的 A和 B 即为双比较器整形电路的两个比较器。 其中一路信号经过 TGC 时间增益补偿电路经行增益处理，然后再次放大，通过双比较器整形电路的 A比较器送入单片机。 另外一路信号直接进入双比较器整形电路的 B比较器送入单片机。 双比较器设置了不同的阈值 ， A 比较器用于测量远距离的信号， B 比较器用于测量近距离的信号，因此不符合的信号会被完全屏蔽掉，系统的精度得到非常大的提升。 单片机收到回波信号后立即经行中断处理，获取时间差值，即可计算出测量的最后结果。 AT89C52单片机 测温电路 发射驱动电路 T 一级放大电路 TGC电路 二级放大电路 比较器B 比较器A R 双比较器整形电路 基于单片机的高精度超声波测距系统的设计 第 8 页 共 48 页 该测量结果由 显示电路输出 ，该显示模块主要由 74LS245锁存器来驱动 4个 LED数码管，采用了动态显示的方法，占用的 I/O 资源更少，充分发挥了软件作用。 具体电路及芯片选型将在 下一章 详述。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 48 页 ３ 硬件设计 ３ .１ 硬件的选型 ３ .１ .１ 主控单片机的选型 本系统中，单片机主要用于控制超声波的发射和接收，与此同时，还要进行准确的时间的记录 ，也就是说需要在发送的同时启动计时器，并且在接收到回波的时候立刻停止计时并将时间长度值返回，用于计算目标距离。 其次，超声波还要负责控制其他外围电路，比如，本设计中的温度补偿电路采用了一块收发温度信号的芯片，由单片机控制，将环境温度采集后进行查温度与速度表，用于确定当前环境下具体温度，最终目的是获取当前环境的声波的准确传播速度，使得测距结果更加准确。 此外，单片机还需要负责控制显示电路，将测量出的距离的结果通过 LED 数码管直观 的显示出来。 经过研究，选用 AT89C52 单片机作为电路的主控芯片， AT89C52 是 Atmel公司的一个经典的 MCU，它有着低电压的特点。 是一个八位的高性能 CMOS 芯片 ,片内有8K Bytes ISP 的只读程序存储器 ,该存储器可以多次的写入和删除数据 ,反复使用的次数高达一千次。 拥有可编程的 Flash，这些特点表明 AT89C52 可以满足多种系统的需要，使用的灵活性很高。 AT89C52 芯片拥有 40 个引脚，充足的 32 个可编程双向 I/O 口，在该超声波测距系统中，这样多的双向 I/O 口可以使所有需要的外设电路方便的与单片机连接起来，还有3 个 16 位定时 /计数器。 详细来说， P0 口： 8 位漏极的开路双向输入 /输出口，作为输出口时，每位可以驱动 8 个 TTL 逻辑电平。 特别地， P0 口作为低八位地址 /数据口时内部没有上拉电阻，使用时需要外接上拉电阻。 不同于 P0 口的是， P1 口是一个内部有上拉电阻的双向输入 /输出口，缓冲器输出能驱动 4个 TTL 逻辑电平。 P1 口的第二功能如表 31所示： 表 31 AT89C52 第二功能说明表 引脚号 第二功能 T2（定时器 /计数器 T2 的外部计数输入）、时钟输出 T2EX（定时器 /计数器 T2 的捕捉 /重载触发信号和方向控制） 基于单片机的高精度超声波测距系统的设计 第 10 页 共 48 页 续表 31： 引脚号 第二功能 RXD(串行输入口 ) TXD(串行输出口 ) INT0(外中断 0) INT1（外中断 1） T0 (定时 /计数器 0) T1(定时 /计数器 1) WR(外部数据存储器写选通 ) RD（外部数据存储器读选通） 实物图片如图 31 所示： 图 31 AT89C52 芯片实物图 ３ .１ .２ 超声波传感器的选型 本设计中选用的是型号为 T/R4018A 的压电式换能器，具体参数如表 32 所示： 表 32 T/R4018A 超声波换能器相关参数 型号 中心频率 （ kHz） 发射声压最小电平（ dB） 接收最小灵敏度 (dB) 最小宽带 (kHz/dB) 电容 pF 发射 接收 T/R4018A 40177。 1 115 64 6/100 60/71 2400177。 25% 该超声波换能器分为发出超声波的部分和接收超声波的部分，电磁的振荡被发射端发出，接着转换为超声波然后发送到外界。 收到的超声波被接收器进行一定的处理，将声音和电这两种能量进行转换，最后使得接收到的信号变为电脉冲信号。 其中 T 为发出端， R 为接收端，它们一般是在同一系统中共存。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 11 页 共 48 页 工作原理简单总结如下，在输入 40kHz 的频率下，压电陶瓷、谐振片会被转变成机械的振动，接着就把超声的这个信号的振动发到外界去。 被发出的超声波向空中各个方向不断传播，碰到物体后就立刻被反射回来。 接收端随即收到回来的这部分超声波，对内部的谐振片产 生一个谐振，将接收的声波转换为电脉冲信号，接着将转换后的信号输入到放大电路中，然后输出最终信号。 其频率特性为图 32 所示： (a) 声压能级曲线 (b)灵敏度曲线 图 32 超声波换能器频率特性 从图中很容易看出，它的声压性能大约在 40kHz时最优，灵敏度也同样。 因此该测距系统选用该频率作为传感器的工作频率。 图 33 T/R4018A 实物图 基于单片机的高精度超声波测距系统的设计。