1、硅湖職業技術學院畢業論文（設計）超聲波測距儀的設計作者：薛昆【摘要】：電子測距儀要求測量范圍在0.105.00m，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩定地顯示測量結果。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。超聲波測距器，可以應用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業現場的位置監控，也可用于液位、井深、管道長度的測量等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。該測距儀采用NE5

2、55電路、兩級放大電路和電平比較電路實現了超聲波的發射與接收。單片機為該測距儀的核心單元，實現發射電路的控制和接收數據的處理。本系統在10200cm的距離內測量精度可達±0.5cm，并且易于調試，成本低廉，具有很強的實用價值和良好的市場前景。 【關鍵字】：超聲波傳感器，測距儀，PIC16F876A【Abstract】：Ultrasonic Ranging, can be used in car reversing, the construction site and the location of some industrial site monitoring, can also b

3、e used if the level, depth and length of the pipeline, such as measurement occasions. Measurement of the requirements in the 0.10-5.00 m, precision 1 cm, with the measurement of detected objects without direct contact, being able to clearly show stable measurement results. Because of the strong poin

4、t of ultrasonic energy consumption slow, medium of communication in the longer distance, thus frequently used ultrasonic distance measurement, such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by ultrasound. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient and simple

5、terms, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry, in the mobile robot has been developed on a wide range of applications.The range finder only NE555 circuit， two amplifier circuit and the level achieved a comparison of launching and r

6、eceiving ultrasound. SCM range finder for the core elements for launching the circuit control and receive data processing. 10-200 cm in the system of distance measurement accuracy up to ± 0.5cm， and easy to debug， low-cost， with strong practical value and good market prospects.【Keywords】: Ultra

7、sonic sensors, range finder, PIC16F876A目 錄一、系統方案比較與選擇4方案一：利用分立模塊的超聲波測距儀4方案二：基于PIC16F876A單片機的超聲波測距儀5二、理論分析與計算61、測量與控制方法62、理論計算7三、電路與程序設計81、檢測與驅動電路設計82、總體電路圖143、軟件設計與工作流程圖16四、系統調試171 超聲波測距誤差分析182 提高精度的方案及系統設計193、測量結果21五、創新發揮23六、設計結論24一、系統方案比較與選擇 方案一：利用分立模塊的超聲波測距儀系統包括超聲波測距模組、LED數碼顯示模組、驅動模組控制模組及電源五部分。超聲

8、波測距模塊主要由發射部分和接收部分組成，超聲波的發射受主控制器控制（如圖1所示）；超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產生電路。顯示模塊是一個8位段數碼顯示的LCD；測量結果的顯示用到三位數字段碼，格式為X點XX米，同時還用兩位數字段碼顯示數據的個數。電源采用9V的DC電源輸入，經穩壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統各部分電路使用。系統結構圖1 超聲波測距模塊組硬件框圖優點：具有歷史數據存儲功能、出錯管理功能。缺點：能測的最小距離比較長，不能實現雙向測距，電路復雜性能穩定性不高。方案二：基于PIC16F876A單片機的超聲波測距儀超聲波測距儀主要以單片機PIC16F

9、876A為核心，其發射器是利用壓電晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的.超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時 ，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/ s，根據計時器記錄的時間t ，就可以計算出發射點距障礙物的距離 s，即s=340×t/2， 這就是常用的時差法測距。在測距計數電路設計中，采用了相關計數法，其主要原理是：測量時單片機系統先給發射電路提供脈沖信號，單片機計數器處于等待狀態，不計數；當信號發射一段時間后，由單片機發出信號使系統關閉發射信號，計數器開始計數，實現

10、起始時的同步;當接收信號的最后一個脈沖到來后，計數器停止計數。雙向超聲波測距儀的系統主要有幾下部分組成（如圖2所示）： LED顯示模塊，PIC16F876A芯片，超聲波發射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。圖2 系統設計總體框圖優點：雙向測距，精度高，功耗低。在電路中我們采用PIC芯片它的優點是：精簡指令使其執行效率大為提高；徹底的保密性；其引腳具有防瞬態能力，通過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應用帶來極大方便。基于上述兩種方案的比較，方案一，測量盲區較長，結構復雜且穩定性不高。方案二，能進行雙向測距，精度高，功耗低，模塊簡單，

11、穩定性高。所以選用方案二。二、理論分析與計算1、測量與控制方法聲波在其傳播介質中被定義為縱波。當聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統的測量原理。超聲波傳感器的結構如圖3所示。圖3 超聲波傳感器結構由于此超聲波測距儀可以實現雙向測距，所以需進行測距選擇，而這個測距選擇就以自動選擇功能來實現。2、理論計算圖4 測距的原理如圖4所示為反射時間法，是利用檢測聲波發出到接收到被測物反射回波的時間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短

12、和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數，我們通過測量回波時間T利用公式S=C*(T/2) 其中，S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時間（T=T1+T2），可以計算出路程，這種方法不受聲波強度的影響，直接耦合信號的影響也可以通過設置“時間門”來加以克服。這樣可以求出距離：S=C(T1-T2)/2本次設計是用555時基電路振蕩產生40Hz的超聲波信號。其振蕩頻率計算公式如下：f=1.43/(R9+2*R10)*C5)三、電路與程序設計1、檢測與驅動電路設計A、器件選擇：本系統在設計過程中主要選取了以下一些器件：1.PIC16F876A：測距儀的核心單片機2.HEF4052B：雙4通道的模

13、擬選擇器/分配器3.NE5532P：雙低噪聲運算放大器4.發射探頭R40-165.接受探頭T406.電位器53327.變壓器B、芯片介紹：PIC16F876A：28引腳器件有3個I/O端口，而40/44-pin裝置有5。28引腳器件有14中斷，而該裝置有40/44-pin 15。28引腳器件有5個A / D輸入渠道，而40/44-pin裝置有8。其引腳圖如圖5所示。圖5 PIC16F879A系列引腳圖NE5532P：1引腳A放大器輸出，2引腳A放大器反相輸入端，3引腳A放大器同相輸入，4引腳負電源，5引腳B放大器同相輸入端，6引腳B放大器反相輸入端，7引腳B放大器輸出，8引腳正電源。其引腳圖如

14、圖5所示。圖6 NE5532P引腳圖HEF4052B：HEF4052B是雙4通道的模擬選擇器/分配器，即可作為從4路的輸入信號中選擇一路作為輸出的選擇器 ，也可作為將一路輸入信號分配到4路輸出通道中的一路輸出的分配器。通道之間是雙向的。IC內置的譯碼器有4個間接的模擬開關輸出，對2*4個通道進行選擇/分配。MT#用作對AV1，AV2/DVD(共用),YPRPB/VGA（共用），TV四路伴音信號的選擇。其引腳圖如圖6所示。1腳、2腳、4腳、5腳的Y0B to Y3B和11腳、12腳、14腳、15腳的Y0A to Y3A為獨立的輸入/輸出通道；9腳A1、10腳A0為地址輸入（選擇端）；6腳E為使能

15、端（低電平有效）；3腳ZB、13腳ZA為公用的輸入/輸出通道；7腳VEE為輸入/輸出信號的下限值；8腳VSS為接地端；16腳VDD為供電端。其引腳圖如圖7所示。圖7 HEF4052B引腳圖以超聲波作為檢測手段，必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換，發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。C、發射電路原理：圖8 發射電路原理 由圖9所示發射部分由高

16、頻振蕩器、單脈沖發生器、編碼調制器、功率放大器及超聲換能器組成。 單脈沖發生器在振蕩器的每個周期內都被觸發，產生固定脈寬的脈沖序列，來自單片機的編碼信號對脈沖序列進行編碼調制，經功率放大后，通過超聲換能器發射超聲波。圖9 發射電路組成圖由555型電路組成多諧振蕩器，它的振蕩頻率為40kHz。RPI用來校準振蕩頻率。多諧振蕩器產生的40kHz的脈沖由3腳輸出，經D1、D2兩級緩沖、整形后，通過超聲波發射器UCM40-T向外發射。D、接收電路原理：圖10 接收電路原理本電路包括超聲波接收頭，電壓器、檢波電路和單穩態延時電路，如圖11所示。超聲波接收頭 UCM4a-R將運動物體反射的超聲波接收并轉換

17、為電脈沖信號后，由R5、C4組成的高頻濾波電路濾除干擾脈沖后，經RP2分壓調節，由C5、R6藕合至電壓放大器進行電壓放大。RP2兼作超聲波接收頭的負載與接收靈敏度的調節電位器。圖11 接收電路組成圖E、穩壓電源在各種電子設備中，直流穩壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設備唯一的能量來源，穩壓電源的主要任務是將50Hz的電網電壓轉換成穩定的直流電壓和電流，從而滿足負載的需要，直流穩壓電源一般由整流、濾波、穩壓等環節組成。其電路圖如圖11所示。其中，變壓器將交流電源（220V/50Hz）變換位符合整流電路所需要的交流電壓；整流電路是具有但方向導電性能的整流器件，將交流電壓整流成單方向脈動的直流電

18、壓；濾波電路濾去單向脈動直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負載平滑的直流電壓；穩壓電路是一種自動調節電路，在交流電源電壓波動或負載變化時，通過此電路使直流輸出電壓穩定。F、顯示電路原理 超聲波測距儀顯示模塊如圖12所示。通過單片機的15、16、17三個管腳的信號控制三個三極管的B級，利用三極管的開關特性，實現數碼管的點亮，從而實現動態顯示。圖12 顯示模塊采用LED動態顯示，數據經過PIC芯片的計算后傳到LED上，顯示精度是厘米。2、總體電路圖 本系統采用雙向測距，通過雙向收發來實現，兩方發送分別由082D和NE5534P兩個運放來控制，將信號放大由超聲波傳感器發送；再經過超聲波傳

19、感器接收，由變壓器進行耦合經三極管放大，將左右（分別由紅綠兩盞燈區分）兩組數據送入CD4052數據選擇器進行數據選擇，選出信號強（測量距離近）的那個信號送入PIC主芯片，再由PIC進行處理將結果送到數碼管顯示。其總體電路圖如圖13所示。圖13 超聲波測距儀總體電路圖3、軟件設計與工作流程圖超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言

20、和匯編語言混合編程。程序流程如圖14所示：圖14 軟件設計流程框圖其工作流程是：上電后首先對系統進行初始化，緊接著調用顯示子程序，顯示完后判斷有沒有超聲波被接收，若有，則停止計時并將計時值送入距離計算子程序，然后將所測距離顯示1秒，最后返回進行下一輪液位測量，若沒有信號進來，則繼續調用顯示子程序。其流程圖如圖15所示。圖15 工作流程圖四、系統調試超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電

21、路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據實際情況可以修改超聲波發生子程序每次發送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測的范圍為0.105.0m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。1 超聲波測距誤差分析 1、發射接收時間對測量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發

22、射由單片機控制，發射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數規律。 設測量設備基準面距被測物距離為h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為：由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產生影響。 2、當

23、地聲速對測量精度的影響分析 當地聲速對超聲波測距測量精度的影響遠遠要比收發時間的影響嚴重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： 由上式知，在空氣中，當地聲速只決定于氣體的溫度，因此獲得準確的當地氣溫可以有效的提高超聲波測距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當地聲速的公式如下： 式中C0=331.4m/s ； T為絕對溫度，單位K 。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準確的結果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1oC, 聲速將增加或者減少 0.607m /s ，這個影響對于較高精度的測量是相當嚴重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的當地聲速。

24、2 提高精度的方案及系統設計 （1）溫度校正的方法提高測距精度 由上述的誤差分析知，如果能夠知道當地溫度，則可根據公式 求出當地聲速，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關鍵在于獲得溫度數據的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準確的溫度值。 為了便于對溫度信號的數據采集及處理，我們采用 DALASS 公司生產的 DS18B20 集成溫度傳感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 總線專利技術，能夠僅在占用控制器一個 I/O 口的情況下工作（芯片可由數據線供電），極大的方便了使用者的調試使用，而且其在 10oC 85oC 的工作環境下可以保持

25、77; 0.5% 的使用精度，在這個空間內足以保證為超聲波測距設備提供足夠的精度范圍。 通過 DS18B20 芯片獲得的數據信號經由 1-WIRE 總線傳至 MCU ，由軟件進行聲速換算。為了更好的實現換算過程同時兼顧設備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機實現超聲波測距的各項功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、強抗干擾設計，并且在最高支持 48MHz 的前提下能夠實現 1 個時鐘 / 機械周期的運行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對于普通單片機來說可以有效的減少由計時問題帶來的量化誤差，能夠滿足較高精度超聲波測距儀的設計要求。 （2）標

26、桿校正的方法提高測距精度 在復雜環境下，如果難于獲得環境溫度，或者不便獲得環境溫度時，如果仍舊要求較高的測量精度，我們采用所謂標桿校正的方法實現超聲波測距精度的校正。標桿校正的示意圖如圖15 所示。圖16 標桿校正的示意圖超聲波測距裝置首先測量距離已知為 h 的基平面（標桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離 h 根據公式 求出當地聲速。通過這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。因此，只用為測距設備設定“標定”和“測量”兩種狀態，即能夠實現溫度校正所能實現的高精度測距功能。3、測量結果按照設計的硬件電路和軟件，做成成品，調試好后，對系統進行測試，測

27、試數據如表1和表2所示。其中表1為左邊測距數據（綠燈亮時），表2為右邊測距數據（紅燈亮時）。測量單位：cm。表1 左邊測距數據實際距離12131415161718192025測量距離13141516171819212326誤 差0111111331實際距離303540455061708090100測量距離313741465061708090100誤 差1211000000實際距離130150200250270280300310315320測量距離130149199247269277298308312318誤 差0113132232實際距離3233273333383433483523593623

28、67測量距離325330335340345350355360365370誤 差2322223133表2 右邊測距數據實際距離13141516171819202530測量距離13151617171819203631誤 差0111000011實際距離3540455060708090100130測量距離3641465160697991100131誤 差1111011101實際距離150200250270280300310315320325測量距離150199249269279299309314319325誤 差0111111110實際距離330335340345350355360365370測量距離

29、330335339344349355359364369誤 差001110111五、創新發揮能實現雙向測距。我們所設計的電路能實現雙向測距，分別由兩個發光二極管來去分測距方向，并且自動選擇測量距離短的一面。可以校準。當測距不是很準確的時候可以用定位器來進行校準，反應速度在0.1ms內，測量精確度在1cm內。本次超聲波測距儀器設計，能實現雙向測距而且單項測距范圍13cm-300cm，所以雙向測距的總長度達到了600cm。而且在測距1m內，測量誤差小于3cm精度較高，最小分辨率也達到了1cm，測試盲區13cm，而且精度高。因為聲波的速度與溫度有關，測量值在非室溫下準確度會下降，所以測距儀受溫度的影響，每升高1度距離加快4m/s。在本應用中引入了一個電位