基于51单片机的超声波测距系统本科毕业设计(编辑修改稿)

基于51单片机的超声波测距系统本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。 目前常用的超 声传感器有两大类，即流体动力型与电声型。 流体动力型中包括有气体、液体两种类型的哨笛。 电声型主要有压电传感器、静电传感器和 磁致伸缩传感器。 压电传感器的探头由楔块、压电晶片和接头等组成。 压电材料 可 分为压电陶瓷和晶体两类。 属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等，属于晶体的如石英， 铌酸锂 等，其具有下列的特性 :把这种材料置于电场之中，它就产生一定的变化。 相反，如果对它施以外力，由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。 超声波传感器通常由双压电陶瓷片制成的。 这种超声波传感器需要较少的压电材料，价格低廉，非常适合于气体和液体介质。 当压电陶瓷改变交流电压的大小和方向，根据压电效应，压电陶瓷片将产生机械变形，机械变形 是 与 在一定范围内所施加的 电压 大小和方向 成比例的。 即 在压电陶瓷晶片上加有频率为交流电压 ， 它就会产生相同频率的机械振动， 以促进这种介质，例如空气，可发射超声波。 如果在压 电陶瓷片上，这将使得机械变形时，压电陶瓷片的机械变形，产生与机械超声波相同频率的电信号。 A B 图 23 双压电晶片示意图 图 24 双压电晶片的等效电路图 南昌 理 工学院本科生毕业论文 7 双压电晶片的等效电路如图 24 所示， R 是 电损耗 ， C0 为静电电 容 ， R 是损耗串联电阻 ， 联电阻 Cm、 Lm 是 机械共振回路的电容和电感。 压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率 ƒ0，发射超声波时，加在它两端的交变电压的频率必须和 它的固有谐振频率 保持一致。 在这种情况下，超声波传感器具有 很 高的灵敏度。 当 改变压电材料常数和改变压电陶瓷片， 由超声波换能器的频率特性很容易改变使用的固有谐振频率的几何形状 [5]。 超声波传感器选择 在超声波测量系统中，频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高；频率取得太低，外界的杂音干扰 会 相应的 变 多。 文中所 采用 的探头是40KHz 的收发分体式超声传感 器，由 发射传感器 UCMT40KI和 接收传感器 UCMR4OKI组成，其特性参数如表 21 所示。 表 21 传感器特性参数表 型号 UCMT40K1 UCMR40KQ 结构 开放式 开放式 使用方式 发射 接收 中心频率 ZKH140 ZKH138 频带宽   灵敏度 ubardBV110 ubardBV65 声压 ) n(115 m P adBdB  )10m in (70 ub arVdBdB  指向角 o75 o80 容量 pF%252500  pF%252500  超声波测距的原理 超声波测距方法主要有三种： 1）相位检测法：精度高，但检测范围有限； 2）声波幅值检测法：易受反射波的影响； 3）渡越时间法 ：工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间 t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离 l。 设 l 为测量距离， t 为往返时间差，超声波的传播速度为 c，则有 l=ct/2。 综合以上分析，本设计将采用渡越时间法 [6]。 南昌 理 工学院本科生毕业论文 8 图 26 测距原理 由于超声波也是一种声波，其声速 c 与空气温度有关，一般来说，温度每升高 1 摄氏度，声速 就 增加 米／秒。 表 22 列出了几种温度下的声速： 表 22 声速与温度的关系表 温度（摄氏度） 30 20 10 0 10 20 30 100 声速（米／秒） 313 319 325 331 337 343 349 389 在使用时，假设温度变化不是大的 话 ，则可以 当做 声速 c 不变，计算的 时候 取 c 的 大小 为 340m/s。 只是 测距精度要求很高的 时候 ，就可以 在硬件电路基本 上 保持 不变的情况下通过软件 来加以校正以及 改变硬件电路增加温度补偿电路的方法。 在本系统中利用 AT89S52 中的定时器测量超声波传播时间，利用 DS18B20 测量环境温度，从而提高测距精度。 空气中声速与温 度的关系可表示为： )/( smTTC  (23) 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离： L=1/2(+)t。 （系统中应用该式进行温度补偿） 发射脉冲波形 超声测距常用的发射脉冲波形如图 所示有衰减振荡脉冲、单个尖脉冲、宽等幅波列脉冲和窄等幅波列脉冲。 南昌 理 工学院本科生毕业论文 9 单个尖脉冲 衰减振荡脉 冲 窄等幅波脉冲 宽等幅波脉冲 图 超声波测距常用发射脉冲波形 本章小结 本章介绍了超声波的形成、超声波在传播过程中的反射折射规律以及如何衰减。 通过详细分析超声传感器的内部结构以及影响超声传感器的几个重要参数给出本系统设计中所用超声传感器的特性参数 ； 析了超声波测距的基本原理，并在此基础上给出了测距的几种常用方法以及传感器指向角、环境温度、工作频率、发射脉冲波形。 南昌 理 工学院本科生毕业论文 10 三、 系统硬件设计 系统硬件主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成。 随着超声波测量技术 的 不断提高， 用超声波测量 任何目标物体 ，都存在着超声波的发射和接收问题。 不论超声 波 传感器的大小、形状、灵敏度有何不同，其工作原理都是一样的 （ 都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能，即在媒质中产生超声波 ）， 要提高超声测量的精度或分辨力，必须从超声波的发射和接收两方面入手，这也是设计超声测量仪器的关键和难点 所在。 发射电路采用单片机 端口编程输出 大概 40KHz 的方波脉冲信号，同时开启内部计数器 T0 单片机端口输出功率 比较 弱， 所以 加大加功率放大电路使测量距离 能够 满足要求，驱动超声传感器 UCM40T 发射超声波距离足够远。 由于 从接收传感器探头 UCM40T 传来的超声 波 回波很微弱 ， 只有几十个 mV 级， 同时又 有着较强的噪声，所以必须考虑放大信号和抑制噪声。 这里使用 CX 20xx6A 集成电路对接收探头 接 收滤波 ，信号经过 端口送入单片机中进行处理。 为节省硬件考虑 ，显示电路采用动态扫描显示。 通过单片机编程将内部计数得到的时间数据，转换为距离信息，通过 三 位 LED 数码管显示。 发射电路设计 40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：使用软件如单片机软件编程输出或采用硬件如由 555 振荡产生，本系统采用前者。 编程由单片机 端口输出 40 kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够， 40 kHz 方波脉冲信号分成两路，送给一个由 74HC04 组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器 TCT40－ 16T 以声波形式发射到空气中。 发射部分的电路，如图 31 所示。 图中输出端上拉电阻 R31，一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间， 另 一方面可以提高反向器 74HC04 输出高电平的驱动能力。 南昌 理 工学院本科生毕业论文 11 发射电路设计方案 一、发射电路输出波形分析 传感器 的 发射电压大小一般 是 由发射信号损失及接收机的灵敏度 决定 ； 考虑实际发射传感器最大输入电压为 20V，而单片机输出的最大正常工作电压为 5V，功率传感器传输的信号直接决定超声波距离传感器信 号的发射，所以在相同的时间内电压应考虑如何增加他们的功率 ，以使发射电路是比 较合理的。 各个振动的发射波应 是 以大致相同的频率，这样，接收的带通滤波器可用于消除干扰和 接收相同的振动 波 峰，以避免由于反射 面和干涉障碍物造成 的各种损失。 为了 获得高的分辨率，超声发射器的电路设计应确保良好的发射波形的重复性。 为 了保证 发射波功率和波形的重复性， 发射电路 的 设计必须合理。 一般 发射电路 通常 按发射方式分为 : 单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。 测距所用超声波一般都是间断单 脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。 间断地激发换能器晶片振动 [7]。 发射电路方案 从上面的分析可以 知道，发射电路设计的主要目的是提供输入到发射探头电压和功率。 本系统单片机的 发出了一组方波脉冲信号，输出波形稳定可靠，但由于输出电流和输出功率非常低，所以还不足以推动发射传感器发射足够 的 超声波信号 ，所以在这里加入了一个单电源乙类互补对 称功率放大电路，如图 32 所示。 图 31 超声波发射电路框图 南昌 理 工学院本科生毕业论文 12 Q2Q1V C C V C CC1R1L S 1RFP 1. 0 图 32 超声波发射电路 超声波发射器的注意事项 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物反射后立即返回来，超声波接收器收到反射波 后 就 会 立即停止计时。 超声波在空气中的 传播速度约为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离 (s)，即为： s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。 存在 4 个因素限制了该系统的最大可测距离：超声波的幅度、反射的质地、反射回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。 误差一般由以下 几个方面 引起 的 ： （ 1） 探测目标的入射角  会 受 超声波波束影响 ； （ 2） 待测距离的远近关系 着 超声波回波声强， 就 会 导致实际测量时不一定是第一个回波的过零点触发； （ 3）。