超声波测距论文.doc
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2、 单位代码 01 学 号 080
3、102014 分 类 号 TM931 密 级 毕业设计说明书超声波测距仪设计 院(系)名称信息工程学院 专业名称电子信息工程 学生姓名杨帅涛 指导教师李文方 2012年5月4日超声波测距仪设计摘 要基于传统的方法在
4、很多特殊场合:如带腐蚀的液体,强电磁干扰,有毒等恶劣条件下,测量距离存在不可克服的缺陷,超声波测距能很好的解决此类的问题.本设计采用以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计,由主程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理,实现超声波测距仪的各种功能.在此基础上设计了系统的总体方案,最后通过硬件和软件实现了各个功能模块.相关部分附有硬件电路图、程序流程图.经实验证明,这套系统软硬件和软件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好,经过系统扩展和升级,可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工
5、地以及一些工业现场的位置监控。关键词:AT89S52,超声波,测距 The design for ultrasonic distance meterAuthor:Yang ShuaitaoTutor:Li WenfangAbstracIn many special occasions, traditional methods based on the existence of insurmountable distance measuring defects, such as the measurement of corrosion in the liquid with
6、 strong electromagnetic interference, toxic and other adverse conditions, the ultrasonic range can be a very good solution to the problem of such 。 At the core of the design using AT89S52 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design
7、methods。 Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine。 display subroutine modules form。 SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system
8、 design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the antidistur bance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can r
9、esolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision。Key words: AT89S52, Silent Wave, Measure Distance目 录1 绪论11.1 课题背景及意义11。2 国内外发展状况11。3 论文的构成及研究内容22 超声波测距原理32.1 &nb
10、sp;超声波的发展进程32.2 超声波测距的工作原理42。2.1 超声波测距的原理介绍42.2。2 超声波测距的误差分析42.2.3 超声波传感器53 超声波测距仪的硬件设计73.1 超声波测距仪的硬件构成73。2 单片机主机系统电路73.2.1 单片机电路83.2。2 复位电路83。2.3 时钟电路93.3 超声波发射电路93.4 超声波检测接收电路103。4 温度采集电路123.5 显示电路133。6 电源电路144 超声波测距仪软件设
11、计154。1超声波测距仪的程序构成154.2系统主程序154.3超声波发送程序164。4超声波的接收和处理174。5DS18B20温度采集程序194.6距离计算程序214.7数据转换程序224。8LCD1602显示程序225 超声波测距仪PCB的设计235.1 元件选择235。2 原理图及PCB版图的设计235.3 布局布线235.4 调试及测试24结论26致谢27参考文献28附录29附录A29附录B301 绪论1.1 课题背景及意义在一些特殊环境下,基于传统的测距存在不可克服的困难。例如,液面测量就是一种距离测量,传统的电极法是采用差位分布电极,通过脉冲来
12、检测液面,电极长期浸泡于水中或其他液体中,会极易被腐蚀、电解,失去灵敏性。由于超声波具有强度大,方向性好等特点,利用超声波测量距离就可以解决这些问题,因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建,但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差,调试困难,可扩展性差,所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波,单片机通过采样获取到超声波的传播时间,用软件来计算出距离,并且可以采集环境温度进行测距补偿,其测量电路小巧,精度高,反映速度快,可靠性好1。在测量精度方面也能达到工业实
13、用的要求,因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。1。2 国内外发展状况一直以来世界各国均倾注了大量财力、人力和物力,来推动超声波测距的研究和开发,并成立了专门的机构制定战略目标和计划,以确保推动超声波测距发展处于领先地位。国外在提高超声波测距方面做了大量的研究,国内一些学者也作了相关的研究。超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度,二者中以传输时间的精度影响较大,所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。因此,这是一个正在蓬勃发
14、展而又有无限前景的技术及产业领域.测距仪是一种新型非常重要有用的工具,尚有很大的发展空间。在新世纪新的测距仪一定将发挥更大的作用。1。3 论文的构成及研究内容本文是关于超声波测距仪设计的探讨,具体来说,本文由五大部分构成。第一部分叙述了本课题研究的背景及意义,另外也介绍了目前国内外超声波测距的发展现状;第二部分论述了超声波测距仪的发展进程,并介绍了超声波的测距原理以及技术参数;第三部详细介绍超声波测距仪的硬件构成和原理;第四部分对超声波测距仪的软件流程进行详细的介绍;第五部分对超声波测距仪的实物制作以及调试过进行比较详细的介绍。2 超声波测距原理超声波测距技术正在被广泛
15、应用于造纸业、矿业、电厂、化工业、农业用水、环保检测、食品、防汛、水文、空间定位、公路限高等一些行业中,是一种比较新型的测距技术。2.1 超声波的发展进程超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴.超声波也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。它也有自已的特性,如它的频率可以非常高,达到兆赫级,因此,它在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内,具有良好的成束性,也就是方向性好2.超声波的研究历史可以追溯到上个世纪。1883年,Galton首先发现了超声波的存在,他当时的研究目的主要是探索人类所能感
16、知的声谱范围。在Galton之后的三十年中,超声波仍然是一个鲜为人知的东西,由于当时电子技术发展缓慢,对超声波的研究造成了一定程度的影响。因此,当压电效应和磁致现象被发现后并没有应用于制造有效的超声设备。在第一次世界大战中,对超声的研究逐步受到重视。由于战争的需要,法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波.他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并可以进行水下的通信联络.在我国,超声学的研究开始于二十世纪五十年代,1959年至1964年间我国建立了分子声学实验室,对电磁吸收、悬浮体的声吸收等问题进行了深入的研究,设计生产了固体中超声衰减的测量设备,对粘弹性和
17、可压缩流体的声速和衰减的研究取得了令人兴奋的成果.同时在超声波探伤、加工、种子处理、显示、医疗等应用领域取得了可喜的成绩。表面波换能器的研究我国开始于1965年,于1970年开始了高频表面波的研究,1977年,我国研制成表面脉冲压缩滤波器。在80年代以后,我国的超声研究进入了一个全新的阶断,取得了一系列标志性成果,压电复合材料研制成功,窄脉冲短余振探头问世,PVDF高分子压电薄膜材料赶上并超过国际水平,高分子压电PVDF型换能器和超声显微镜的研究获得了实用,高频压电材料LiNb03研制成功.在应用方面,B超医疗探头开始投入生产和医疗应用.超声显微镜投入应用。总的来说,我国在超声方面的研究在某些
18、方面己走在了世界的前列。2。2 超声波测距的工作原理2.2。1 超声波测距的原理介绍超声波发射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立即停止计时3。如图2。1所示.我们假设发射超声波与接收超声波的时间间隔t,超声波在空气中的速度为v。被测距离的公式表示为: S=vt2 由于超声波的声速与温度有关,如果温度变化不大,则可认为声速基本不变 。如果测距精度要
19、求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正.超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331。45米/秒,由单片机负责计时,单片机使用12。0M晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。图2.1 测距的原理2。2.2 超声波测距的误差分析根据超声波测距公式S=vt2,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的.1、时间误差当要求测距误差小于1mm时,假设已知超声波速度C=344m/s (20室温),忽略声速的传播误差.测距误差st(0.001/344) 0。000002907s 即2.907s。在超声波的传播速度是准确的前提
20、下,测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm的误差.使用的12MHz晶体作时钟基准的89S52单片机定时器能方便的计数到1s的精度,因此系统采用89S52定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内4。2、超声波传播速度误差 超声波的传播速度受空气的温度所影响,空气的温度越高则超声波的传播速度就越快5,如表2.1所示表2.1 超声波波速与温度的关系表温度()30-20-100102030100声速(ms)313319325323338344349386超声波速度与温度的关系如下:C=C0+0.607T 式中:C0为零度时的声波速度331。4m/s; &n
21、bsp; T为实际温度(). 2。2。3 超声波传感器超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类,电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成,具有可逆特性6。压电陶瓷片具有如下特性:当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时,就会产生“压电效应”,使压电陶瓷也产生机械变形,这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。也就是说,若在压电晶片两边加以频率为a的交流电电压时,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气的张弛,当0落在音频范围内时便会发出声音.反之,如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时,那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号,超声
22、波传感器结构如图2。2所示。a 元件内部结构 b 超声波传感器外部结构图2.2 超声波传感器的结构3 超声波测距仪的硬件设计3.1 超声波测距仪的硬件构成超声波测距仪的硬件电路有超声波发射电路、超声波接收电路、主控电路、显示电路、电源电路以及复位电路。其组成框图如图3。1所示。图3。1 超声波测距仪的系统框图单片机发出40kHZ的信号,经放大后通过超声波发射器输出;超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大,将放大后的
23、信号输送至单片机,测得时间为t,再由软件进行判别、计算,得出距离数并送LCD显示。3。2 单片机主机系统电路本次我们采用了Atmel 公司的AT89S52,该单片机主要特点如下7:(1) AT89S52系列单片机以8051为内核,兼容MCS-51系列单片机.(2) AT89S52系列单片机内、内部含有Flash存储器,在系统开发可以反复擦写。(3) AT89S52采用静态时钟方式,可以节省电能。(4) AT89S52支持ISP(在线编程),不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序。(5) AT89S52晶振频率高达24M,运行速度更快。(6) AT89S52价格也比较便宜。(7)
24、 增加了看门狗电路,防止程序“走飞”,更加安全可靠。3.2.1 单片机电路单片机电路如图3.2所示。引脚功能:P0口用来送显示信号给LCD的数据为,P2。5P2。7送命令到LCD控制LCD的显示方式.P2.4为DS18B20温度数据采集端。P1口接测量按键。图3.2 单片机电路3。2.2 复位电路单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位8,上电复位和按钮组合的复位电路如下:在系统上电的瞬间,RST与电源电压同电位,随着电容的电压逐渐上升,RST电位下降,于是在RST形成一个正脉冲.只要该脉冲足够宽就可以实现复位,即ms。一般取R1,C22uF。当人按下按钮S1时,使
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