基于單片機的超聲波測距儀的設計目錄TOC\o"1-3"\h\u26317第一章引言 2161891.1超聲波測距 229771.2超聲波測距技術原理 2313711.2.1超聲波測距的基本原理 2291821.2.2超聲波換能器 315812第二章超聲波測距儀的總體設計 420482.1超聲波測距儀的硬件系統方案設計 453282.1.1系統的構成 439142.1.2硬件設計 5211992.2超聲波測距儀的軟件系統方案設計 10282452.2.1主程序 10114382.2.2超聲波測量子程序 11136522.2.3測溫子程序 12115232.2.4定時中斷子程序 13151042.2.5外部中斷子程序 14297212.2.6距離測算子程序 1464162.2.7數碼管顯示子程序 153353第三章系統誤差及特性分析 1619752第四章結論 17近年來,隨著現代科學和信息技術,發展傳統的測量方法手段的距離越來越大,但是方式已經不能滿足人們的要求,傳統的測距方法可以被利用的范圍有限,所以目前利用傳統的超聲波距離測量技術應運而生,并且在我國具有較大的市場發展空間與前景。由于現代電子技術和材料工程科學的進步,使得超聲傳感器檢測技術獲得了迅猛的發展。超聲波是一種具有聚束、定向及反射、透射等特點的聲學器件,能夠更容易的被監測與利用。此次產品設計主要是基于其以AT89S52單片上主機硬件作為設計核心的應用硬件集成電路與應用軟件共同開發進行了綜合設計的一款新型超聲波強度檢測器。整個系統集成電路設計采用了一種比較模塊化的電路設計原理思想,實現分部管理與控制,結構簡單制作方便。這個系統是根據最終目的通過的每個功能模塊的效能集成成為硬件整體和軟件系統而設計的。伴隨著硬件電路關系圖、工藝流程圖的相關部分。超聲波測距儀設計基于單片機自動控制的原理:超聲波脈沖由AT89S52控制發射定時器和時間,生成的超聲波從發射器中送來發出再經接收器后被接受,計算每個測量行程距離所需要往返行程的時間,從而可以得到實測的距離。關鍵詞：超聲波；非接觸性；測距;溫度補償第一章引言1.1超聲波測距隨著數字信息化社會的發展、工業自動化的進程,信息化社會對距離數據的感知也越來越敏感,并且強調以數字化的方式出現在人們的生活中。隨著經濟社會和國民經濟的不斷發展,電子科學測量儀器技術相應的的應用也逐漸變得越來越廣泛,而高頻超聲波電子測量因為其具有低成本,高測量精度,性能穩定的特有優勢而逐漸深入人心。超聲波定義是用來泛指聲波頻率大約在20khz以上的各種聲波。超聲波遵循一般的機械波在一般聲學介質環境中的頻率傳遞運動規律,例如聲波反射及聲波折射的運動現象,被一般介質所自動吸收而使其聲波發生頻率衰減等現象。正是由于它們能夠擁有這些特殊的物理性質,使得超聲波可以用于距離的測量以及材料的甄別中。超聲波發射器向設定的方向發射超聲波,在發射的同時開始計時,超聲波在被障礙物反射后立即反射回來,超聲波接收器在收到反射回波后停止計時,在通過特定的算法計算出測得的距離。利用先進的超聲波自動檢測往往是比較迅速、方便,易于實現人們的實時使用,并且測量精確度方面都能很好地達到人們在工業上實際應用的指標要求,因此為了真正實現系統設備自動控制就必須安裝先進的測距系統,以使該系統能夠其及時地獲取測距障礙物的位置信息,做出相應的應對措施,如加速減速、倒車、轉向、停車等。同樣,為了方便汽車駕駛員了解汽車周圍的障礙物位置情況,在車身周圍所安裝的行車雷達實際上也是超聲波測距儀的衍生產品。1.2超聲波測距技術原理1.2.1超聲波測距的基本原理當下,產生超聲波的工具主要有力學法、電磁法、熱學法、靜電法以及壓電法等,當然,處于綜合考慮絕大多數超聲換能器都使用壓電法來制造,即:使用能產生壓電效應的材料發生壓電效應和逆壓電效應從而間接的表示出超聲波的釋放和接受情況。超聲波測距通常我們所使用的方法就是渡越時間的方法,其實現原理是:利用超聲波接收換能器進行發出超聲波,發出的超聲波在碰撞了物體或者環境中,由于對物體本身具有反射特性,能夠直接產生相應的反射回波,反射回波經過一定的轉化后被換能器所接收。渡越時間法根據從發射出聲波到接收回波中間產生的時間和超聲波傳輸的速度,通過公式算出距離L。其公式為:L=υt/2式中：L為聲波走過的路程v為超聲波在介質中的速度t為渡越時間1.2.2超聲波換能器超聲換能器主要是基于一種正(負)壓電效應而制成的一種聲電式傳感器,在一定的范圍內將電信號轉化為聲信號(應用于超聲波發射端),或者說就是將聲信號直接轉化為電信號(應用于超聲波發射端)。在超聲波測距儀中常用的就是壓電式換能器。壓電式換能器的結構最為簡單,成本更低。因此可以被廣泛應用。

第二章超聲波測距儀的總體設計2.1超聲波測距儀的硬件系統方案設計2.1.1系統的構成本次應用超聲波信號測距儀的硬件設計主要內容包括了一個單片式微機信號處理器、超聲波信號發射器、超聲波信號接收器、LED顯示部分、溫度監測部分和供電系統以及必不可少的實體按鍵手動控制等部分。超聲波測距儀由單片機作為計算控制終端，由超聲波電路經過由電信號到超聲信號，再由反饋超聲信號轉為電信號,經過溫度補償模塊消除誤差,最后經液晶顯示模塊輸出最后結果。本次的設計中我們選取了使用AT89S52單片機作為硬件系統的核心,最終輸出結果將由LCD數碼管所顯示,如果在測量范圍內沒有被測物,系統停止。圖2整體系統圖2.1.2硬件設計單片機及其外部電路設計硬件部分通過幾個最小系統組成,其包含連接在單片機RST端的復位電路、XTAL端的時鐘電路、接入P1.0口的超聲波發射電路、接入P3.2口的超聲波接收電路、接入P1.1口的測溫電路、總電源電路、P0和P2口共同驅動的顯示電路等。如圖3所示。圖3外圍電路測溫電路本系統中采用的是DS18B20溫度傳感器。DS18B20有很多的優點,根據不同的使用場景而改變其外觀。它完全不用再依靠任何外圍的硬件,有獨特的單線接口,僅需要一個端口引腳進行通信就可以直接將測量到的溫度信息以數字信號的形式輸入到單片機p1.1口。同時,垓芯片所用的電壓較低不需要額外的電源可以直接從單片機的輸入輸出口取電來供應運行。DS18B20片內部包含有一個獨立的內存,用于儲存自身的序列號以作為對器件本身的標識編號,能夠在一個系統中實現多點位的同時測量。該核心芯片的單位溫度計的數字分辨率的大小同樣可以被每個用戶自由地進行選定至9~12位,并且處理速度快，能夠提高系統整體運行速度。測溫電路如圖4所示。圖4DS18B20測溫電路3.超聲波發射電路超聲換能器及其發射電路是測距系統中的關鍵組成部分,一套高質量的發射電路能夠發射出高可利用度的聲波。一旦確定選用的超聲換能器,其各種主要性能參數例如聲波機械共振頻率、聲波連續性以及等效電阻都能夠得到了充分確定,發射控制電路的正確設計與否將來就會直接對系統超聲波的連續發射工作效率造成直接影響。超聲波發射電路在測距時通過信號發生器產生脈沖信號,由于單片機單端口輸出功率不夠，需要引用推挽式電路進行功率放大，進而啟動壓電式超聲波換能器發射超聲波。同時通過設置升壓電路,可以對發射出的信號進行放大加強,提高超聲波的發送能力,提高系統的適用范圍,如圖5所示。在這次的硬件設計中選擇NE555芯片作為超聲波發射電路的基礎核心,并且搭配上一些電阻、電容、二極管等器件來組成脈沖信號的產生裝置，圖中的三個串聯的電阻，可以提高后面元件輸出高電平的驅動能力，減短延遲時間。后面再通過一個MAX232芯圖5超聲波發射電路片為核心的升壓電路將前面所產生的信號進行放大處理,從而降低該模塊對于電源電壓的需求。從而提高本電路的通用性、易用性以及降低成本負擔。4.超聲波接收電路聲波在遇到一定障礙物時反射，其中一部分的聲波返回測距儀成為反射回波,超聲波接收電路的功能主要是將反射回波有效地接收了起來并且通過接收換能器轉變成超聲波的電信號,進而對電信號做濾波、放大和整形等處理,最后輸出為階梯信號。超聲波接收電路圖如圖6所示。接收成功的信號經過處理后再將其送至單片機外部中斷0處,作為測量結束的信號,計算出超聲波在空氣中的滯留時間t。圖6超聲波接收電路5.顯示電路最終的測量結果通過一個共陽極數碼管SM410564作為對外展示窗口展示出來。數碼管的非公共端接在單片機不同的P0口上,接收不同的調用編碼和指令,公共端分別需要連接在P2.0~P2.3四個端口引腳上,作為刷新掃描展示。但是因為P2口的驅動能力不能夠直接帶動數碼管正常運行,所以在P2口和數碼管之間分別加入了四個三極管由P2口信號作為三極管基極的一個開斷信號,從而使四個三極管之間的導通和關斷能夠給數碼管提供電源。顯示電路結構如圖7所示。圖7顯示電路2.2超聲波測距儀的軟件系統方案設計超聲波測距儀的軟件系統主要包括最外層的主程序框架、系統本身的定時中斷程序、受外部控制的外部中斷程序、對外輸出的顯示程序等,以及不同的程序中具有可以相互調用的若干個不同應用功能的軟件子程序。執行過程從第一步的主程序開始,在主程序中,第一步先對數碼管進行啟動初始化、定時器T0進行定時中斷配置的初始化,程序調用測溫子程序開始測量空氣溫度，接著再次進入while循環,在這個循環中啟動超聲波傳感器,并且調用超聲波測距子程序不斷地對傳感器進行測距和檢查工作，只要收到回波信號，立即中斷程序,同時通過調用顯示子程序將所需要測試的距離和相應的內容及時顯示性。其中,超聲波測距過程內部已經集成了一種對數據整合處理的算法,通過該算法對數據進行處理后,可以把干擾信號受到影響降低,提高了測量精確性。如果被測到物體的距離超過了超聲波傳感器的檢測范圍,執行程序將自動轉入運行中斷程序,及與之相關的顯示程序,等被測到物體的距離再次進入檢測到可以檢測的范圍后或是再次進行手動復位后,程序就跳出了中斷重新進入到主程序。2.2.1主程序主程序是系統的外層框架，起到了控制運行進程的作用，主程序流程圖如圖8所示。圖8主程序流程圖2.2.2超聲波測量子程序發射程序控制單片機端口向外發出一個階梯信號，由超聲波發射電路接收并且程序啟動T1計時器。設備只要接收到一個返回的超聲信號,立即就會停止程序。這時計時器停止并且程序放出測距成功信號,并且保留定時器T1內的時間數值。如果計時器超過其容量上限,但是此時也沒有檢測到停止信號，也就是被測物體超出測量范圍,此時T1定時器停止、外部中斷1關閉,并且對外發出測距失敗信號。超聲波測量程序流程圖如圖9所示:圖9超聲波測量程序流程圖2.2.3測溫子程序在測距過程中,單片機的計算中需要不斷地調用測溫子程序測量環境溫度,以消除溫度誤差,單片機與DS18B20芯片之間進行數據交換需要經過以下三個步驟:第一步對DS18B20進行復位、第二步經過復位后單片機發送ROM指令、第三步再發送RAM指令。因為測距系統只需要進行單點溫度的測量,只使用了一片DS18B20芯片,所以,發送的ROM指令換成跳過ROM指令(0CCH)。測溫子程序的流程圖如圖10所示。圖10測溫子程序流程圖2.2.4定時中斷子程序為測距子系統提供一個自我中斷的信號。防止系統出現不必要的程序循環。定時中斷過程流程圖如圖11所示。圖11定時中斷子程序流程圖2.2.5外部中斷子程序檢測得到有回波信號產生時,定時器T0就會停止計數,同時中斷0啟動,給單片機的P3.2引腳上提供一個低電平信號,此時這時計數器的數值在經過晶振電路的對比以后就能得出傳播時間,這樣就很好地實現了系統對時間t的精準測量。2.2.6距離測算子程序程序調用先前測得的溫度以及超聲波往返的時間根據公式計算出實際距離。根據超聲波測距公式，根據溫度對傳播介質的影響，可以把公式表示為：，2.2.7數碼管顯示子程序顯示電路的組成結構很簡單,直接由單片機的幾個I/O口控制顯示四位LED陣列，由顯示子程序根據所用數碼管編寫好數字0~9的段碼以及數碼管的位選碼來進行調用。第三章系統誤差及特性分析綜合單片機整體系統，誤差來源為:1.從發出發射指令到實際超聲波發出,再從反射回波反射到接收換能器到系統判斷成功獲取信號之間存在一定的時間差,這是超聲波測距系統本身存在的系統誤差。若精確度設置太高,干擾和發射信號的影響就可能增大,導致不能正常的接收回波;若靈敏度設置太低,因為聲波在傳輸過程中本身存在一定的衰減率,太遠的傳輸距離會使接收換能器接收不到有效信號,大大限制系統測量距離。2.單片機的算法結構簡單,是單線程的運行方式,因此啟動發射和啟動計時并不會同時進行,其兩者之間存在細微的時間誤差,在誤差0.01米的等級上可以忽略。3.如果超聲波接收電路的靈敏度設置的過高,以及發射器與接收器之間的距離過近,則接收器接受的反射回波信號會被發射器發射的信號干擾,以至于影響信號的有效性。4.被測物體如果過于傾斜,或者是被測物體的表面凹凸不平,以及被測物體附近出現其他物體,都可能會對測量的結果產生較大的影響。

第四章結論畢業設