基于单片机的超声波传感器测距系统设计—毕业设计

基于单片机的超声波传感器测距系统设计—毕业设计内容摘要：

谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带 较宽。 为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其震动发出超声。 电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率 40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。 发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一个发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。 但是，每一个实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可回复的损害。 因此，工作电压不能超过这个极限值。 同时，发 射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。 通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。 电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。 电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。 发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。 接收部分就是主要由放大电路，检波电路构成的，其中包括杂波抑制电路。 最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到 达的标志。 但是由于超声传感器固有特性，即盲区的存在，对于回波的接收和处理造成了相当程度的影响。 在超声波测量系统中， 频率的选取也很重要， 频率取得太低，外界的杂音干扰 就会很严重 ；频率取得太高，在传播的过程中衰减 又会很大，所以利用超声波测距时一般选用频率为 40KHz 的超声波 较为合适。 目前超声波测量的距离 范围不是很大， 一般为几米到几十米。 超声波发射与接收器件具有固有的频率特性， 使得超声波测距 具有很高的抗干扰性能。 距离测量系统 通 常 选 用脉冲压力波 ，其 频率范围 一般在 25KHz～300KHz ，发射和接收的传感器共用 一个或者两个是分开的 都可以。 振荡 电路 和功放 电路是发射电路的 两 大 组成 部分，在发射超声波时，先 向传感器输出一个高压脉冲串，并由传感器 将此脉冲串 转换成声能发射出去；放大回声信号 的部分是 接收放大器 ， 接收放大器 具 有足够的频带宽度 ，因此它能够 接收具有一定频带宽度的短脉冲信号；收 /发隔离则 是为了使 接收装置避开强大的发射信号；记录 /控制部 分是为了 记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差 用距离计算公式 换算成距离 ， 并 在显示器上 加以显示或记录。 超声波测距误差分析 根据超声波测距公式 TCL  可知 ， 超声波的传播速度误差和测量传播的时间误差 是测距误差的主要部分。 空气的密度 会影响到 超声波的传播速度，超声波的传播速度 跟空气密度成正比 ，而空气的密度 又受到 温度 的影响，因此超声波的传播速度受到温度的控制。 已知超声波速度与温度的关系如下： 近似公式为 C= CTC  (32) （ 32） 式中 Co 为零度时的声波速度 332m/s； T 为实际温度(℃ )。 对于超声波测距精度要求 较小时 ，就必须把环境温度 的影响 考虑进去。 当要求测距误差 很小时，假设 小于 1mm时， 在忽略声速传播误差的情况下， 已知超声波速度 为定值 C=344m/s (20℃ 室温 )， 测距误差   stS 0 0 0 0 0 2 9 0 4 4/0 0  即。 由上式可以看出，如果 超声波的传播速度是 定值的（即忽略声速传播误差） ， 想要保障测距误差 小于 1mm，就必须使 测量距离的传播时间差值精度达到微秒级。 超声波测距系统 超声波测距系统结构如图 22所示。 图 22 超声波测距系统结构图 发射端和接收端分开的超声波探头是现在电子市场比较常见，它们的 频率 一般选择 为 40KHz。 频率高的必须去专业厂家定制，所以在有限的条件下，现在我们可以 选用的探头是 40KHz 的超声传感器， 它的接受和发射传感器分别是 SZWR4010P和 SZWS4012M，其 主要性能 参数如表 22所示。 表 22 传感器特性参数 型号 SZWS4012M SZWR401OP 结构 开放式 开放式 使用方式 发射 接收 中心频率 40177。 1KHz 40177。 KHz 声压 115dBmin（ 0dB=） 70dBmin（ 0dB=1V/μbar ） 指向性 75176。 80176。 容量 2500177。 25%pF 1100177。 25%pF 最低使用温度 40℃ 40℃ 最高使用温度 85℃ 85℃ 最小探测距离 最大探测距离 4m 4m 分辨率 9mm 9mm 最大输入电压 20Vpp 连续信号 调谐式和非调谐式 是两种比较常见的 发射电路。 它们的区别如下表 23： 调谐式电路 非调谐式电路 有调谐线圈， 没有任何调谐元件 谐振频率由调谐电路的电感、电 频率主要由压电晶片的够有参数容决定 决定 超声脉冲频带较窄 频带较宽 表 23 调谐式与非调谐式电路的主要区别 想要 发出超声 ，就必须对加在 发射传感器的两端 的电压的 频率、幅度 有一定的要求。 电路频率的选择应该 尽量 满足 让 其工作在谐振频率 ，才能保证其特性的优越性，故大都选择与 发射传感器的固有频率相同的 40KHz。 发射电压 应尽量高一些 ，因为 提高发射电压可以提高发射的超声功率， 发射的超声功率越大 接收传感器上接收的回波功率就 越大。 但是实际 应用中又不可能无限提高发射电压，因为每一个 发射传感器 都 有 它自己 工作电压的极限值， 当工作电压太高，超过这个极限值时，就很有可能会烧坏传感器。 所以我们应该是在不超过 工作电压 极限值的情况下尽量提高发射电压。 同时，发射电路中的 发射强度一般由其内部的 阻尼电阻决定 ，我们可以通过 改变阻尼电阻 的大小来控制 发射强度。 电阻的大小与阻尼大小成反比， 电阻大时阻尼小，电阻小时阻尼大； 发射强度 又与阻尼大小成反比 ， 阻尼小时发射强度大，阻尼小时发射强度小； 分辨率 的高低又与发射强度成反比 ， 发射强度越大分辨率越低，发射强度越小 分辨率越高。 所以电阻大、阻尼小、发射强度大、分辨率低的传感器 适宜去探测厚度大 但 对分辨要求不高的试件。 而对 在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时 应采用电阻小、阻尼大、发射强度小而分辨率高的传感器。 尽管 发射 电路发出的 电脉冲电压 选择比较 高，但是由障碍物 反射回的声波比较弱，从而由 压电晶片产生的 机械振动比较小，转化的电信号也就比较弱，一般都只有 几十毫伏。 因此在对这些小信号进行处理时，都要先对其进行放大。 所以一般的接收电路都包含有四部分：三级放大电路 、 检波电路 、 门限判别电路 及 杂波抑制电路。 在经历这几级电路 对回波进行 放大检测 之后 ， 才能把它当做一个完整的信号，作为 中断信号 输入到单片机，这样才算回波到达。 第三章 系统硬件电路设计 该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组成，下面主要通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。 该系统的核心部分采用性能较好 AT89C51 单片机。 系统硬件原理图如下图： 图 31 船舶 防撞预警系统 部分总电路图 单片机 AT89C51 硬件介绍 AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS8位单片机，片内含 4KB的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128B 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密、非易失性存储技术产生，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案， AT89C51是一个低功耗高性能单片机， 40个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 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， AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程 [19]。 其将通用的微处理器和 Flash存 储器结合在一起，特别是反复擦写的 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 [20]： （ 1）根据实际电路的要求，选择要使用那些 I/O 端口，用 EQU伪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 id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 [21]。 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40AT89C51 图 32 AT89C51 单片机芯片 其主要的功能特性如下表 31所示： 表 31 AT89C2051 的主要功能特性 兼容 MCS51指令系。