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课程设计超声波测距.doc
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课程设计超声波测距.doc
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基于 51 单片机的超声波测距仪设计
摘要:本方案以 为核心,通过编程( 语言)来实现该单片机对外围电路
的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号和接收超声波反射回来的微小信号,
包括频率振荡信号,时钟信号,数据处理信号和显示信号等等。其核心功能是对距离
的检测并实时的进行距离的显示,在检测距离方面通过发射端与接收端的时间差来计
算,理论上所测距离与其时间差成线性关系,所以可以通过线性回归统计方法求出实
际距离与所求距离的关系。该电路简化了一些外围电路,任能做到较为精确的测量工
作,由于是采用程控操作,所以其移植性和可扩展性还是较好。在设计时分,分模块
进行设计来实现各部分功能,简化了在设计过程中的调试难度。
关键词:超声波测距、单片机控制、液晶显示、距离报警、线性回归
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目录
1 前言.................................................................................................................................................................3
1.1 课题的研究背景和意义.....................................................................................................................3
1.2 课题的国外研究现状.........................................................................................................................3
2 总体方案设计.................................................................................................................................................4
2.1 超声波测距的原理..............................................................................................................................4
2.2 超声波传感器的工作原理与结构图.................................................................................................4
3 单元模块设计.................................................................................................................................................5
3.1 各单元模块功能介绍与电路设计.....................................................................................................5
图 2.1..................................................................................................................................................6
3.2 AT89S52 型单片机介绍......................................................................................................................6
3.3 各单元模块的联接..............................................................................................................................8
4 软件设计.......................................................................................................................................................16
4.1 软件设计分析....................................................................................................................................16
4.2 软件设计思路....................................................................................................................................16
4.2.1 主程序.....................................................................................................................................16
4.2.2 超声波测距子程序................................................................................................................17
4.2.3 超声波延时子程序................................................................................................................18
5 系统调试.......................................................................................................................................................19
5.1 硬件调试............................................................................................................................................19
5.2 硬软件联调........................................................................................................................................20
5.3 测试结果分析....................................................................................................................................21
5.3.1 测试波形.................................................................................................................................21
5.3.2 测试中仪器仪表.....................................................................................................................22
5.3.3 数据分析.................................................................................................................................22
5.4 超声波测距误差分析........................................................................................................................23
5.4.1 温度误差.................................................................................................................................23
5.4.2 串扰问题.................................................................................................................................24
6 结论...............................................................................................................................................................24
6.1 总结与体会........................................................................................................................................24
6.2 对设计的进一步完善提出意见或建议...........................................................................................24
附录一、相关设计程序..................................................................................................................................27
附录二、设计图和PCB.............................................................................................................................36
附录三、实物图..............................................................................................................................................37
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.
1 前言
1.1 课题的研究背景和意义
超声波是指频率高于2+)3的声波,属于机械波的畴,遵循一般机械波在弹性介
质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸
收而发生衰减等,正是因为有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量,随着经济
的发展,科技水平的不断提高,电子测量技术应用越来越广泛,超声波测量精度高,
成本低,性能稳定则备受青睐,超声波测距技术被广泛的应用于人们生活和工作中。
由于超声波测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色的影响,比其
他仪器更卫生,具有不污染、高可靠、长寿命等特点,被广泛应用于纸业、矿业、电
厂、化工业、污水处理厂、食品、水文、等行业中,可在不同环境中进行距离的准确
度在线标定,可直接用于水酒精、糖等液位控制,能达到工业实用的指标要求。还可
以用于移动机器人的视觉系统中,这样可使机器人自动躲避障碍物行走,与时获得障
碍物的位置信息,同时超声波测距系统具有以上的这些特点,在汽车倒车雷达的研制
方面也得到了广泛应用
456
。
1.2 课题的国外研究现状
目前国际国,在超声波测距方面的研究方向和水平的不同,主要体现在对测距原
理、超声波信号处理方法和超声波测距处理器的选用上。常见的超声波测距原理分为
渡越时间法和相位差法两种。信号的处理方法大致分为阈值检验法、互相关延时估计
法、伪随机码扩频测距法和最小均方法四种。在处理器方面大多以单片机为主,其中
以5系列应用最为广泛,采用运算速度更快,效率更高 芯片作为处理器,也正成
为一个非常活跃的研究方向。目前已研制的超声波测距仪中,量程一般为 75,美
国&./.公司生产的 .72超声波传感器的作用距离可达72,但价格昂
贵,准确度方面已控制在测量误差的2$89左右,,与真值的差距在厘米级的围,若采
用互相关或伪随机法,最高可控制在2$2,在提高精确度方面,超声波测距还有很
大的发展潜力和上升空间46。
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.
2 总体方案设计
2.1 超声波测距的原理
谐振频率高于2#)3的声波称为超声波。超声波为直线传播方式频率越高反
射能力越强而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性常常用渡越时间检测法进行距
离的测量。其工作原理是,换能器向介质发射超声波声波遇到目标后必然有反射回波
作用在换能器上。若已知介质中声速为回波到达时刻与发射波时刻的时间差为就
可以计算出发射点与反射点的距离,
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2.2 超声波传感器的工作原理与结构图
为了研究和利用超声波人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲超
声波发生器可以分为两大类,即用电气方式和机械方式产生超声波。前者包括压电型、
磁致伸缩型和电动型等<后者有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的
频率、功率和声波特性各不相同因而用途也各不相同目前较为常用的是压电式超声
波发生器,压电式超声波换能器是利用压电晶体谐振来工作的。部结构如图5所示,它
有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固
有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动产生超声波,这时它就是
超声波发生器<如没加电压,当共振板接受到超声波时,将压迫压电振荡器作振动,将
机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转
换器其结构稍有不同486。
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共 振 板
电极
压电晶片
.
图 5超声波传感器结构
以下为型号;.8252的超声波传感器的特性参数(发射,.接收,82中心频率
单位#)=52外壳直径单位)
3 单元模块设计
3.1 各单元模块功能介绍与电路设计
整体电路的控制核心为单片机>,超声波发射和接收电路都对相应信号进
行整形与放大,以保证测量结果尽可能精确。超声波模块传感器实现超声波的发射和
接收。整体电路如图?:包括超声波发射电路,超声波接收电路,显示电路等模块组成
46。
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5
0@1 显示电路
接收电路
发射电路
键盘键入估测 A 围
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huayuya123
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