超声波测距系统

1、1、设计原理 当超声波从空气中垂直入射到汽油、木材、钢材时，几乎产生全反射，这样，反射回来的回波具有足够的能量被接收探头所接收，为超声波测距创造了可能性。 如图 1 所示，超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，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停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为 C=340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即：s=c*t/2=c*t0（t0 就是所谓的渡越时间）二、超声波测距系统硬件设计总体方案 本系统中选用的探头是 40KHz 的超声传感器，有一支接收传感器 SZW-R40-10P 和一支发射传感器 SZW-S40-12M。 MC68HC908GP32 单片机是 Motorola 公司的第 2 代 8 位微控制器，由于其高性价比，非常适用于中小型 MCU 开发商和生产厂家的欢迎。这类 MCU 的指令集非常精简，容易被用户掌握。其主要硬件资源有：片内 307 字节的监控ROM，32KB 的片内 FLASH 存储器和 512B RAM，33

2、根通用的 I/O 引脚，2 个 16 位的双通道定时器接口模块，外部中断，同时具有看门狗监视复位，低电压极限检测复位，非法指令检测复位等，使得应用系统免除了进入死循环的危险。（一）发射电路。本系统采用方波调制的脉冲发射电路，即采用单片机的PORTA4 口作为 IO 口，同时外接驱动芯片来提高其输出电流的驱动能力，保证40KHz 的脉冲信号有一定的功率。单片机产生以 5 个 40KHz 为一组的脉冲群，加到压电晶片上能使晶片发出超声波，当信号为高电平时，发射传感器两端就加上了高电压，内部的压电晶片开始振动，此时接收传感器的两端可以检测到有 40KHz 信号；当信号为低电平时，发射传感器通过回路放电，此时接收传感器可以接收到回波信号。 （二）接收前置及带通放大电路。放大电路共有三级：前置放大器是高阻抗输入级，高输入阻抗是为了与传感器的高阻抗匹配。 课题中的带通放大器采用了集成滤波器 MAX275，这是一款连续时间模拟集成有源滤波器，片内硬件由四个运算放大器及若干电阻电容组成。MAX275 组成的滤波器具有外接元件少、结构简单、参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点；由于没有外接

3、电容，而且是单片结构，因而高频场合时受分布电容的影响较小。MAX275 使用5V 电源，电源电流最大不超过 30mA。（三）LED 显示电路。MAX7219 就是一种高性能，低价格的多位 LED 显示驱动器，可同时驱动 8 位共阴极 LED 或 64 只独立的 LED 发光二极管，其内部具有14*8RAM 数字和功能控制寄存器，可方便的对每位数字进行单独控制，刷新，不需重写整个显示器寄存器。如图 5，通信方式采用串行数据方式，可与68HC08 系列的任何一种微控制器方便的接口，广泛应用在条状图形显示器，7段数码管显示器，工业控制器显示模板，面板表与 LED 矩阵显示屏等众多场合。齐 鲁 工 业 大 学2013届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）第1章 绪论 1.1课 题 研 究 的 背 景 人 们 生 活 水 平 的 提 高 ， 城 市 发 展 建 设 加 快 ， 城 市 给 排 水 系 统 也 有 较 大 发 展 ，其 状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特 别 是 排 水 系 统 往 往 落 后 于 城 市 建 设 。 因 此 ， 经

4、 常 出 现 开 挖 已 经 建 设 好 的 建筑 设 施 来改 造 排 水 系 统 的 现 象 。 城 市 污 水 给 人 们 带 来 了 困 扰 ， 因 此 箱 涵 的 排 污 疏 通 对大 城 市 给排 水 系 统 污 水 处 理 ， 人 们 生 活 舒 适 显 得 非 常 重 要 。 而 设 计 研 制 箱 涵 排 水 疏 通移 动 机 器人 的 自 动 控 制 系 统 ， 保 证 机 器 人 在 箱 涵 中 自 由 排 污 疏 通 ， 是 箱 涵 排 污 疏 通 机器 人 的 设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。随 着 科 学 技 术 的 快 速 发 展 ， 超 声 波 将 在 传 感 器 中 的 应 用 越 来 越 广 。 但 就 目 前技 术水 平 来 说 ， 人 们 可 以 具 体 利 用 的 传 感 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 。 展 望 未 来 ， 超 声 波 传 感 器 作 为 一 种 新 型的 非 常 重要 有 用 的 工 具

5、在 各 方 面 都 将 有 很 大 的 发 展 空 间 ， 它 将 朝 着 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 ， 如 声 纳 的 发 展 趋 势 基 本 为 ： 研 制 具 有 更 高定 位 精 度的 被 动 测 距 声 纳 ， 以 满 足 水 中 武 器 实 施 全 隐 蔽 攻 击 的 需 要 ； 继 续 发 展 采 用 低频 线 谱 检测 的 潜 艇 拖 曳 线 列 阵 声 纳 ， 实 现 超 远 程 的 被 动 探 测 和 识 别 ； 研 制 更 适 合 于 浅海 工 作 的潜 艇 声 纳 ， 特 别 是 解 决 浅 海 水 中 目 标 识 别 问 题 。 毋 庸 置 疑 ， 未 来 的 超 声 波 传感 器 将 与自 动 化 智 能 化 接 轨 ， 与 其 他 的 传 感 器 集 成 和 融 合 ， 形 成 多 传 感 器 。 随 着 传 感器 的 技 术进 步 ， 传 感 器 将 从 具 有 单 纯 判 断 功 能 发 展 到 具 有 学 习 功 能 ， 最 终 发 展 到 具 有 创 造 力1。1.2课 题

6、研 究 的 意 义在 现 实 生 活 中 ， 一 些 传 统 的 距 离 测 量 方 式 在 某 些 特 殊 场 合 存 在 不 可 克 服 的 缺陷 ，例 如 ， 液 面 测 量 就 是 一 个 距 离 测 量 ， 传 统 的 电 极 法 是 采 用 差 位 分 布 电 极 ， 通过 给 电 或脉 冲 检 测 液 面 ， 电 极 长 期 浸 泡 在 水 中 或 其 它 液 体 中 ， 极 易 被 腐 蚀 、 电 解 ， 从而 失 去 灵敏 性 。 而 利 用 超 声 波 测 量 距 离 可 以 很 好 地 解 决 这 一 问 题 。 目 前 市 面 上 常 见 的超 声 波 测距 系 统 不 仅 价 格 昂 贵 ， 体 积 过 大 而 且 精 度 也 不 高 等 种 种 因 素 ， 使 得 在 一 些 中小 规 模 的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪2。 1.3论 文 结 构论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。第2章先就超声波测距的原理进行介绍。第3章针对本文采用的设计方案

7、进行了可行性的论证，并介绍了设计中需要用到的主要器件，且因其在本设计的作用不同而详尽程序亦不同。第4章从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。齐 鲁 工 业 大 学2013届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）4 第5章先给出了软件设计的整体流程图，并且给出了程序编译及系统仿真效果图。 第2章 超 声 波 测 距 原 理2.1超 声 波 简 介我 们 知 道 ， 当 物 体 振 动 时 会 发 出 声 音 。 科 学 家 们 将 每 秒 钟 振 动 的 次 数 称 为 声音 的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因 此 ，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为15兆赫。超 声 波 具 有 方 向 性 好 ， 穿 透 能 力 强 ， 易 于 获 得 较 集 中 的 声 能 ， 在 水 中 传 播 距离 远 等 特点 。 可 用 于 测 距 ， 测 速 ， 清 洗 ， 焊 接 ， 碎 石 等 。 在 医 学 ， 军 事 ， 工 业 ，

8、 农 业上 有 明 显的作用3。 理 论 研 究 表 明 ， 在 振 幅 相 同 的 条 件 下 ， 一 个 物 体 振 动 的 能 量 与 振 动 频 率 成正 比 ，超 声 波 在 介 质 中 传 播 时 ， 介 质 质 点 振 动 的 频 率 很 高 ， 因 而 能 量 很 大 。 在 我 国北 方 干 燥的 冬 季 ， 如 果 把 超 声 波 通 入 水 罐 中 ， 剧 烈 的 振 动 会 使 罐 中 的 水 破 碎 成 许 多 小雾 滴 ， 再用 小 风 扇 把 雾 滴 吹 入 室 内 ， 就 可 以 增 加 室 内 空 气 湿 度4。 这 就 是 超 声 波 加 湿 器 的 原 理 。对 于 咽 喉 炎 、 气 管 炎 等 疾 病 ， 药 品 很 难 血 流 到 打 患 病 的 部 位 。 利 用 加 湿 器 的原 理 ， 把药 液 雾 化 ， 让 病 人 吸 入 ， 能 够 疗 效 。 利 用 超 声 波 巨 大 的 能 量 还 可 以 使 人 体 内的 结 石 做剧烈的受迫振动而破碎1。2.2超 声 波 测 距 原 理超 声 波 是 利 用 反 射 的 原 理 测 量 距 离 的 ， 被 测 距 离 一 端 为 超 声 波 传 感 器 ， 另 一端 必须 有 能 反 射 超 声 波 的 物 体 。 测 量 距 离 时 ， 将 超 声 波 传 感 器 对 准 反 射 物 发 射 超声 波 ， 并开 始 计 时 ， 超 声 波 在 空 气 中 传 播 到 达 障 碍 物 后 被 反 射 回 来 ， 传 感 器 接 收 到 反射 脉 冲 后立 即 停 止 计 时 ， 然 后 根 据 超 声 波 的 传 播 速 度 和 计 时 时 间 就 能 计 算 出 两端 的 距 离5。 测量距离D为 ctD21 （2-1）式中 c超声波的传播速度； t21超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。 由 上 式 可 知 ， 距 离 的 测 量 精 度 主 要 取 决 于 计 时 精 度 和 传 播 速 度 两 方 面 。 计 时精 度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1s,不会产生累积误差，使定时间达到1s。超 声 波 的 传 播 速 度c2、

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