1、射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用 LED 显示出来，当到达一定距离时，系统能发出报警声，进而提醒驾驶人员，起到安全的左右。通过本课题的研究， 将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。 该设计可广泛应用在生活、军事、工业等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识， 并且有一定的编程能力， 综合运用所学的知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、 处理最后显示在 LED数码管上。1.2国内应用现状近年来， 由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自
2、动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。 与同类测距方法相比， 超声波测距法具有以下优势：（1）相对于声波，超声波有定向性较好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力强等优势。（2）和光学方法相比，超声波的波速较小，可以直接测量较近的目标，纵向分辨率高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗、烟雾、电磁干扰、 有毒等比较恶劣的环境有一定的适应能力。 特别是在海洋勘测具有独特的优点。（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。随着科学技术的快速发展， 超声波的应用将越来越广泛。 但就目前技术水平来说， 人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个
3、正在不断发展而又有无限前景的技术。超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用， 目前对超声波的精度要求越来越大。 超声波作为一种新型的工具在各方面都有很大的发展空间， 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。 未来超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展。第二章 总体方案2.1本设计的研究方法本设计选用 TCT40-16T/R超声波传感器。 了解超声波测距的原理的， 只有对理论知识有一定的学习才能运用到实际操作中。 根据原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。 对设计的电路进行分析能够产生超声波， 实现超声波的发送和接收， 从而实现利用超声波测距的方法测量物
4、体之间的距离。 具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路， LED显示电路。2.2系统整体方案的设计波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离， 设计比较方便， 计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。超声波发生器可以分为两大类： 一类是用电气方式产生超声波， 一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、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。 目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。 根据设计要求并综合各方面因素， 本文采用 AT89S
5、51单片机作为控制器， 用动态扫描法实现 LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。2.3系统整体方案的论证超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受， 根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式， 适用于身高计； 一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。 超声波传感器是一种采用压电效应的传感器， 常用的材料是压电陶瓷。 由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减， 衰减的程度与频率的高低成正比； 而频率高分辨率也高， 故短距离测量时应
6、选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。2.4超声测距原理2.4.1超声波概述超声波是一种频率超过 20KHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用的要求，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品
7、质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播， 了解被测物体内部情况。 超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。2.4.2超声波传感器介绍超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。 目前常用的超声波传感器有两大类， 即电声型与流体动力型。电声型主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、 静电传感器。 流体动力型包括有气体和液体两种类型的哨笛。 由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式是多种多样的， 并且名称也有不同， 例
8、如在超声检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称为探头， 而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。压电传感器属于超声波传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成， 是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件， 是超声波检测装置的重要组成部分。 压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。 属于晶体的如石英、铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以， 只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材
9、料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。 当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射， 后者即为超声波的接收。 超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。 这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉， 且非常适用于气体和液体介质中。 在压电陶瓷上加上有大小和方向不断变化的交流电压时， 根据压电效应， 就会使压电陶瓷晶片产生机械变形， 这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。 也就是说， 在压电陶瓷晶片上加有频率为 f 0交流电压
10、， 它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会产生超声波。 如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用， 这将会使其产生机械变形， 这种机械变形是与超声机械波一致的， 机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的逆向压电效应来工作的。 超声波发生器内部结构如图 2-1 所示， 它有两个压电晶片和一个锥形振子， 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，并带动锥形振子振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当锥形振子接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号， 这时
11、它就成为超声波传感器。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率， 即中心频率 f 0。发射超声波时， 加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。 这样， 超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时， 改变压电陶瓷晶片的几何尺寸， 就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制作成各种频率的超声波传感器。一般常用的超声波传感器有两种： 专用型和兼用型。 专用型是发送器用作发送超声波， 接收器用作接收超声波； 兼用型就是发送器和接收器是一体的传感器，既可以发送超声波，又可以接收超声波。本设计选用的超声波传感器是专用型，其型号为 TCT40-16T和 TCT40-16R，其中 40 表示
12、传感器工作的中心频率为40KHz,16表示传感器的外径为 16mm， T和 R分别表示发射器和接收器。2.4.3超声波测距的原理超声波发射器向某一方向发射超声波， 在发射的同时开始计时， 超声波在空气中传播， 途中碰到障碍物就立即返回来， 超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为 v，根据计时器记录的时间 t，发射点距障碍物的距离 H ，如图 2.2 所示图 2-2 超声波测距原理图 2-2 中被测距离为 H，两探头中心距离的一半用 M表示，超声波单程所走过的距离用 L 表示，由图可得：H Lcos （1）arctan M H （2）将式 （2） 带入式 （1） 得
13、：H L cos arctan M H （3）在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：2L vt （4）式中： v为超声波的传播速度， t为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式 （4） 带入式 （3） 可得：H 0.5vt cos arctan M H （5）当被测距离 H远远大于 M时，式 （5） 变为：H 0.5vt （6）这就是所谓的时间差测距法。 首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 2 。由于是利用超声波测距， 要测量预期的距离， 所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离， 同时这是得到
14、足够的回波功率的必要条件， 只有得到足够的回波频率， 接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为 40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳， 同时为了处理方便， 发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。按照系统设计的功能的要求， 初步确定设计系统由单片机主控模块、 显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。单片机主控芯片使用 51 系列 AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。3-1
15、 ：系统设计框图硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、 超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。单片机采用 AT89S51，系统晶振采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7 端口输出超声波换能器所需的 40kHz的方波信号， P3.5 端口监测超声波接收电路输出的返回信号。 显示电路采用简单实用的 3 位共阳 LED数码管， 段码输出端口为单片机的 P2 口，位码输出端口分别为单片机的 P3.4、 P3.2、 P3.3 口 ,数码管位驱运用 PNP三极管 S9012三极管驱动。3.1 AT89S51 单片机AT89S51是
16、美国 ATMEL公司生产的低功耗，高性能 CMOS位单片机，片内含84k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器 , 器件采用 ATMEL公司的高密度、8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯ATMEL公司的功能强大，低价位 AT89S51单片机可为您提供许多高性价比主要性能参数：与 MCS-51产品指令系统完全兼容4k 字节在系统编程（ ISP） Flash 闪速存储器1000 次擦写周期4.0 5.5V 的工作电压范围全静态工作模式： 0Hz 33MHz三级程序加密锁128 8 字节内部 RAM32 个
17、可编程 I O口线2 个 16 位定时计数器6 个中断源全双工串行 UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（ WD）及双数据指针T掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（ ISP 字节或页写模式）除此以外 AT89S51还提供一个 5 向量两级中断结构，片内振荡器及时钟电路。同时， AT89S51可降至 0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2 超声波测距的系统及其组成本系统由单
18、片机 AT89S51控制， 包括单片机系统、 发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图 3-1 所示。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用 AT89S51。超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机 P3.5输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后， 立即启动内部计时器 T0 计时， 当检测到 P3.5 由高电平变为低电平后， 立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以 2 即可得到测量值，最后经 3位数码管将测得的结果显示出来。3.2.1超声波测距单片机系统超声波测距单片机
19、系统主要由： AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。由 K1， K2组成测距系统的按键电路。 用于设定超声波测距报警值。如图 3-3。3-2 ： 超声波测距单片机系统3.2.2超声波发射、接受电路超声波发射如图 3-3 ，接收电路如图 3-4。超声波发射电路由电阻 R1、三极BG1、超声波脉冲变压器 B及超声波发送头 T40构成，超声波脉冲变压器，在率，从而提高测量距离。 接收电路由 BG1、 BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由 C7、 D1、 D2及 BG3组成。40kHz的方波由 AT89S51单片机的 P2.7 输出，经 BG1推动超声
20、波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成 60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。 由于声波在空气中传播时衰减， 所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的 P3脚。该测距电路的 40kHz方波信号由单片机 AT89S51的 P2.7 发出。方波的周期为 1/40ms，即 25 s，半周期为 12.5 s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生 40kHz方波。由于单片机系统的晶振为 12M晶振， 因而单片机的时间分辨率是 1 s，所以只能产生半周期为
21、 12s 或 13s 的方波信号，频率分别为 41.67kHz和 38.46kHz。 本系统在编程时选用了后者， 让单片机产生约 38.46kHz的方波。3-4 ：超声波测距接收单元由于反射回来的超声波信号非常微弱， 所以接收电路需要将其进行放大。 接收电路如图 3-4 所示。接收到的信号加到 BG1、 BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为 70 倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是 I N 4148 检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好， 制作难度小。3.3.3 显示电路本系统
22、采用三位一体 L E D 数码管显示所测距离值，如图 3-6 。数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的 P2 口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、 P3.2、 P3.3 口 , 数码管位驱运用 PNP三极管 S9012三极管驱动。3.3.4 供电电路本测距系统由于采用的是 LED数码管用为显示方式， 正常工作时， 系统工作电流约为 30-45mA，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏， 同时为调试系统方便， 供电方式考虑了第二种方式， 即由 USB口供电，调试时直接由电脑 USB口供电。 6 伏交流是经过整流二极管 D1-D4整流成脉动直流后，经虑波电容
23、 C1 虑波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由 5 伏的三端称压集成电路进行稳压后输出 5 伏的真流电供整个系统用电， 为进一步提高电源质量， 5 伏的直流电再次经过 C3、 C4滤波。3.2.5 报警输出电路为提高测测距系统的实用性， 本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。方式一：报警信号由单片机 P3.1 端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻 R6、三极管 BG9、继电器 JDQ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。方式二：报警信号由单片机 P0.2 口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极
24、管 BG8、蜂鸣器 BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴 . ”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图 3-7 。3-7 ：报警输出电路4.1 主程序设计超声波测距的软件设计主要由主程序、 超声波发生子程序、 超声波接收程序，又要（超声波测距时） ， 所以控制程序可采用 C语言编程。主程序首先是对系统环境初始化， 设定时器 0 为计数，设定时器 1 定时。 置EA。 进行程序主程序后， 进行定时测距判断， 当测距标志位 ec=14-5 次 / 秒。测距间隔中，整个当调用超声波测距子程序后， 首先由单片机产4 个频率为 38.46k
25、Hz 超声波脉冲，加载的超声波发送头上。超声波头发送完T0 进行计时，为了避免超声波从发射头直接1.5 -2ms 时间（这才启动P3.5 脚的电平判断程序。当检测到 P3.5 脚的电平由高转为低电平时，T0计时。由于采用单片机采用的是 12 MHz的晶振，计时器每计一个数1 s ，当超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，将计数器 T0 中的2）计算，即可得被测物体与测距仪之间设计时取 15时的声速为 340 m/s 则有： d=（c t）/2=172 T0/10000cmT0 为计数器 T0 的计算值。 测出距离后结果将以十进制 BCD码方式送往LED显示约 0.5s，然后再发超声波脉冲重
26、复测量过程。4.2 超声波测距子程序及其流程图void wdzh（）TR0=0;TH1=0x00;TL1=0x00;csbint=1;sx=0;delay（1700）;csbfs（）;csbout=1;TR1=1;i=yzsj; while（i-） i=0;while（csbint） / 判断接收回路是否收到超声波的回波i+;if（i=3300） csbint=0;TR1=0;s=TH1;s=s*256+TL1;TR0=1;jsz=s*csbc; / 计算测量结果jsz=jsz/2;产生超声波的子程序：为了方便程序移置及准确产生超声波信号，本测距的超声波产生程序是用汇编语言编写的进退声波产生程
27、序。产生的超声波个数为UCSBFS SEGMENT CODERSEG UCSBFSPUBLIC CSBFSCSBFS: mov R6,#8h ; 超声波发射的完整波形个数：共计四个here: cpl p2.7 ; 输出 40kHz方波nopdjnz R6,hereRETEND流程图：超声波测距结束4.3 超声波测距流程图开始初始化5.1 调试步骤我的步骤是先焊接各个模块， 焊接完每个模块以后， 再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作， 原件安装完毕后， 将写好程序的 AT89S51机装到测距板上， 通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动， 看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。如果一直显示“ - - - ”，则需
