1、超聲波測距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),專業(yè)： 應(yīng)用物理系 姓名： 指導(dǎo)教師：,第一章 緒論,1.1 選題背景及意義,超聲波測距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測量方法，和激光、渦流和無線電測距方法相比，具有不受外界光及電磁場等因素的影響的優(yōu)點(diǎn)，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。但由于超聲波傳播聲時(shí)難于精確捕捉，溫度對聲速的影響等原因，使得超聲波測距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測距系統(tǒng)在測量精度要求更高的場合下的應(yīng)用。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個(gè)參數(shù)，測距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問題。而由于超聲波的速度相對光速小

2、的多，其傳播時(shí)間比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。因?yàn)樗欠墙佑|式的，所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。比如要測量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測等。,1.2 本設(shè)計(jì)相關(guān)說明,根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時(shí)器完成，其中硬件部分主要由單片機(jī)主系統(tǒng)及超聲波發(fā)射模

3、塊、超聲波接受模塊、溫度補(bǔ)償模塊、語音播報(bào)模塊、LCD顯示模塊幾部分組成。采用AT89S52來實(shí)現(xiàn)對各個(gè)子模塊的控制。由單片機(jī)計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，結(jié)合超聲波聲速通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，并將距離和溫度補(bǔ)償模塊所測得的環(huán)境溫度在LCD屏幕上予以顯示。軟件部分主要有主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序。,項(xiàng)目概述,第二章 超聲測距技術(shù)方案分析,2.1 超聲與超聲的特性,聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，取整數(shù)為20000赫茲)時(shí)，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率

4、的聲為“超”聲。 超聲波的特性有： （1）束射特性 由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。,（2）吸收特性 聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的部分能量。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的

5、。 （3）超聲波的能量傳遞特性 超聲波之所以能在各個(gè)工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢。因?yàn)楫?dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 （4）超聲波的聲壓特性 當(dāng)聲波進(jìn)入

6、某物體時(shí),由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。,2.2 超聲測距原理,最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離S，即：S=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。V=331.4+0.607T在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似

7、認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。,第三章 超聲測距技術(shù)硬件部分設(shè)計(jì),3.1 概述,整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路,語音播報(bào)電路和溫度補(bǔ)償電路等幾部分模塊組成。單片機(jī)控制發(fā)射模塊發(fā)出40kHZ的超聲波信號并開始記時(shí)，通過超聲波發(fā)射器輸出超聲

8、波信號；超聲波接收器將接收到的超聲波返回信號送至接收模塊，經(jīng)處理后，送至中斷信號至單片機(jī)，單片機(jī)啟動中斷程序，測得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算和修正，得出距離數(shù)并送LCD顯示。顯示內(nèi)容包含當(dāng)前溫度值和所測距離。,硬件結(jié)構(gòu)圖,整體設(shè)計(jì)圖,3.2 單片機(jī)處理單元,單片機(jī)正常工作時(shí)，都需要一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路來構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘信號，其有兩種時(shí)鐘方式：外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘。外部始終是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作，以便于同步。本設(shè)計(jì)只有一片單片機(jī)，采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。AT89S52內(nèi)部有一個(gè)可控制的負(fù)反饋反向大器，引腳XTAL1和XTA

9、L2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、快速性以及溫度穩(wěn)定性。出于對測距精度的考慮，本設(shè)計(jì)采用12MHZ的晶體振蕩器，c1和c2的電容值約為100PF。 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要RST引腳出至少保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。在RST端出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個(gè)周期重復(fù)一次，直至RST端變低。單片機(jī)的復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。本設(shè)計(jì)

10、采用手動復(fù)位方式。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，電容迅速放電，使RST端迅速變?yōu)楦唠娖剑瑥?fù)位按鈕松開后，電容通過電阻充電，逐漸使RST端恢復(fù)低電平。,單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖,3.3 發(fā)射模塊,超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT4016T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號。發(fā)射模塊的核心是MAX232集成塊。由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，故需要通過發(fā)射模塊來實(shí)現(xiàn)推動超聲波發(fā)射探頭工作的效果，通過編程由單片機(jī)P3.1端口輸出脈沖信號至發(fā)射模塊，發(fā)射模塊隨即控制超聲波發(fā)射器TCT4016T以將超聲波發(fā)射到空氣中。,資料,發(fā)射模塊電路圖,3.4 接收模塊,TCT4016T發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇

11、到障礙物就會返回，返回的部分有超聲波接收器接收。超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到，超聲波接收換能器TCT4016R將接收到的反射波轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。在這里我采用的是集成電路CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。,接收模塊電路圖,3.5 語音播報(bào)模塊,語音播報(bào)模塊電路圖,3.6 溫度補(bǔ)償模塊

12、,DS18B20是美國DALLS公司推出的溫度傳感器芯片。為提高測距精度，采用溫度檢測電路。溫度測量電路是基于DS18B20單線式數(shù)字溫度傳感器，電路非常簡單，可直接將其DS-D端與單片機(jī)P3.3口（詳見圖3.6）相連。利用溫度檢測電路實(shí)時(shí)的測量環(huán)境溫度T并將結(jié)果送至單片機(jī)，單片機(jī)分析計(jì)算超聲波的修正后速度。,溫度補(bǔ)償模塊電路圖,第四章 超聲測距技術(shù)軟件部分設(shè)計(jì),4.1 概述,超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。采用C語言編程，翻譯成匯編語言寫入單片機(jī)。,4.2 發(fā)射程序和接收中斷程序,void send()/脈沖波發(fā)送 uchar i;

13、TH0=0; TL0=0;/清定時(shí)0 TR0=1;/開定時(shí)0 ET0=1; for(i=0;i10;i+) sg=sg;/超聲波發(fā)送引腳 _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); sg=1; delay(36); EX0=1; /開外部中斷 ,void rec() interrupt 0 using 2 Tout=0; /超時(shí)標(biāo)志 flag=1; /外部中斷標(biāo)志位 TR0=0; /關(guān)定時(shí)器0 ET0=0; EX0=0; time=256*

14、TH0+TL0; void TimeOut(void) interrupt 1 using 2 Tout=1; flag=0; TR0=0; ET0=0; ,4.3 通過溫度修正速度程序,uint get_temp() float wendu; init18b20(); wr18b20(0 xcc); wr18b20(0 x44); init18b20(); wr18b20(0 xcc); wr18b20(0 xbe); temp_data0=read18b20(); temp_data1=read18b20(); tvalue=temp_data1; tvalue=8; tvalue|=te

15、mp_data0; if(tvalue0 x0fff) tflag=0; else tvalue=tvalue+1; tflag=1; wendu=tvalue*(0.625); tvalue=wendu*100; return(tvalue); ,float computerv(void) float v; v=331.4+0.607*tvalue/1000; return(v); ,4.4 主程序,ulong s; uchar flag1; TMOD=0 x11;/定時(shí)0方式1 TH0=0; TL0=0;/清定時(shí)值;/EX0=1;/開外部中斷0 IT0=1;/外部中斷0下降沿觸發(fā) EA=1; /開總中斷 lcd_init(); flag=0; while(1) flag1=1; if(flag1=1) tvalue=get_temp(); display2(tvalue); print(1,1,溫度:); printstr(4,1,disbuft,7); c=computerv(); send(); while(Tout=0) if(flag=1),s=computers(c); if(s1462) print(3,2,盲區(qū)); sound_play3(); else dis