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超声波测距仪的设计（毕业论文详细版）.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.83M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    Hefei University
    第一章前言
    1.1设计的目的和意义
    1.2超声波测距系统理论依据
    1.2.1系统概述及发展趋势
    1.2.2系统设计原理
    1.3设计的任务和要求
    第二章系统总体设计
    2.1发射传感器触发
    2.2发射传感器驱动
    2.3超声波的衰减
    2.4接收信号处理
    2.5 数码管驱动显示
    第三章 系统硬件设计
    3.1 AT89s52单片机
    3.1.1主要性能
    3.1.2功能特性描述
    3.2 超声波传感器
    3.2.1 压电式超声波发生器原理
    3.2.2超声波测距
    3.2.3温度补偿
    3.3数码管驱动
    第四章 系统软件设计
    4.1编程语言的选择
    4.2程序模块及流程图
    4.2.1主程序流程图
    4.2.2测距子程序流程图
    4.3主要程序模块
    第五章 系统制作调试及误差分析
    5.1 硬件电路的布线与焊接
    5.1.1 总体特点
    5.1.2 电路划分
    5.1.3 焊接
    5.2 调试步骤
    5.3 系统测试结果及误差分析
    第六章 结论
    参考文献
    致谢
    附录一：程序代码
    附录二：电路PCB图
    学校代码： 11059 学 号：0705071040 Hefei University 毕 业 论 文 （ 设 计 ） BACHELOR DISSERTATION 论文题目： 超声波测距仪的设计 学位类别： 学科专业： 作者姓名： 导师姓名： 完成时间： 工 学 学 士 自 动 化 宋 文 钦 台 德 艺 2011 年 5 月
    超声波测距仪的设计 超声波测距仪的设计 摘 要 本设计主要利用单片机实现控制超声波测距系统，单片机控制定时器计时、 软件产生约40KHZ的方波信号触发发射传感器，控制超声波的发射和接收。利用 超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89s52单片机进行控制及数据处理，设 计出了能准确测量两点间距离的超声波测距仪。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，整形电路，该电路简单，调试 工作较小。 该测距仪主要由单片机控制电路、超声波发射器电路、超声波接收器电路及 显示电路构成。利用所设计出的超声波测距仪，对不同距离进行了测试，并进行 了的误差分析。该系统电路设计合理简单、工作稳定、性能良好、检测速度快、 计算简单、易于做到实时控制，并且在测量误差方面能达到简单工业实用的要求。 关键词：超声波测距；AT89s52；超声波传感器；定时器； 合肥学院电子信息与电气工程系 07 自动化（1）班 宋文钦（0705071040） 1
    超声波测距仪的设计 ABSTRACT This ultrasonic ranging system designer mainly controlled by Micro Control Unit, MCU controls the timer, the software produces about 40KHZ square wave signal triggered emission sensors, the transmit and receive ultrasound. The AT89s52 MCU to control the data process and design to accurately measure the distance between two points in the ultrasonic range finder. The Transmitter circuit drives the output from the MCU to send ultrasound directly. Receiver circuit consists of transistor amplification, the shaping circuit. The circuit is simple, less debugging. to control The range finder controller system is mainly included by the microcontroller, ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit and display circuit. Using the design of the ultrasonic range finder, for different distances were tested, and conducted the error analysis. The system is reasonably simple circuit design, stable, good performance, test speed, calculation is simple and easy to do real-time control, and measurement error terms to achieve a simple and requirements of practical industry. Key words：ultrasonic distance；AT89s52；ultrasonic sensors；timer 合肥学院电子信息与电气工程系 07 自动化（1）班 宋文钦（0705071040） 2
    超声波测距仪的设计 目录 第一章 前言 ...................................................................................................................................... 4 1.1 设计的目的和意义 .............................................................................................................. 4 1.2 超声波测距系统理论依据 ..................................................................................................4 1.2.1 系统概述及发展趋势...............................................................................................4 1.2.2 系统设计原理........................................................................................................... 5 1.3 设计的任务和要求 .............................................................................................................. 6 第二章 系统总体设计 ...................................................................................................................... 6 2.1 发射传感器触发 .................................................................................................................. 7 2.2 发射传感器驱动 .................................................................................................................. 7 2.3 超声波的衰减 ...................................................................................................................... 7 2.4 接收信号处理 ...................................................................................................................... 8 2.5 数码管驱动显示................................................................................................................. 8 第三章 系统硬件设计 ...................................................................................................................... 8 3.1 AT89s52 单片机................................................................................................................8 3.1.1 主要性能................................................................................................................... 8 3.1.2 功能特性描述........................................................................................................... 9 3.2 超声波传感器 ................................................................................................................... 10 3.2.1 压电式超声波发生器原理....................................................................................10 3.2.2 超声波测距............................................................................................................. 12 3.2.3 温度补偿................................................................................................................. 13 3.3 数码管驱动 ........................................................................................................................ 15 第四章 系统软件设计 .................................................................................................................... 19 4.1 编程语言的选择 ................................................................................................................ 19 4.2 程序模块及流程图 ............................................................................................................ 20 4.2.1 主程序流程图......................................................................................................... 20 4.2.2 测距子程序流程图.................................................................................................21 4.3 主要程序模块 .................................................................................................................... 21 第五章 系统制作调试及误差分析 ................................................................................................22 5.1 硬件电路的布线与焊接 ...................................................................................................22 5.1.1 总体特点 ................................................................................................................ 22 5.1.2 电路划分 .............................................................................................................. 22 5.1.3 焊接 ...................................................................................................................... 22 5.2 调试步骤......................................................................................................................... 22 5.3 系统测试结果及误差分析...............................................................................................23 第六章 结论 .................................................................................................................................... 24 参考文献 .......................................................................................................................................... 26 致谢 .................................................................................................................................................. 27 附录一：程序代码 .......................................................................................................................... 28 附录二：电路 PCB 图.....................................................................................................................38 合肥学院电子信息与电气工程系 07 自动化（1）班 宋文钦（0705071040） 3
    超声波测距仪的设计 第一章 前言 1.1 设计的目的和意义 由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响， 较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、 不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、 水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、 食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不 同环境中进行距离准确度在线标定， 可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制， 可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空 气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。 利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且 在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲 避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距 离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由 于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到 了广泛的应用。 1.2 超声波测距系统理论依据 1.2.1 系统概述及发展趋势 超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发 射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。 通 过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收 到回波的时间差 T，然后求出距离 L。基本的测距公式为： L=(△t/2)*C 式中 L——要测的距离 T——发射波和反射波之间的时间间隔 C——超声波在空气中的声速，常温下取为 340m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得距离 L。 合肥学院电子信息与电气工程系 07 自动化（1）班 宋文钦（0705071040） 4
    超声波测距仪的设计 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测 法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的 影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出 的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中 的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发 射时刻的同时单片机开始计时，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。 超声波测距有以下几个方面的发展趋势： （1）价格比较低廉的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于 建筑物内部、液位高度的测量等。 （2）提高超声波测距精度的方法，根据测距系统应用具体环境的不同提高 精度的方法，但基本都是围绕着减小测量渡越时间的误差和减小环境温度的影响 两个方面提出的。 1.2.2 系统设计原理 发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返 回，由接收器接收，其往返时间为 t，由 s=vt/2 即可算出被测物体的距离。由 于超声波也是一种声波，其声速 v 与温度有关，在使用时，如果温度变化不大， 则可认为声速是基本不变的。由于不同温度下声速需要精确测量，对于短距离的 测量，速度的精确度对测量误差的影响是不容忽视的，如果测距精度要求很高， 则应通过温度补偿的方法加以校正。 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，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片 机中断程序，测得时间为 t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送液晶显 示器显示。超声波测距原理框图如图 1-1 所示。 超声波接收器 放大电路 锁相环 检波电路 定时器 单 片 机 控制 显示器 超声波发射器 放大电路 图 1-1 超声波测距仪原理框图 合肥学院电子信息与电气工程系 07 自动化（1）班 宋文钦（0705071040） 5
    超声波测距仪的设计 1.3 设计的任务和要求 1 任务： （1）了解超声波测距原理； （2）根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。 2 要求： （1）设计出超声波测距仪的硬件结构电路。 （2）对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收， 从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，范围要求为 6m。 （3）对设计的电路进行分析。 （4）以数字和字母的形式显示测量距离。 （5）精度要求优于 1%，进行温度补偿，以数码管显示，抗干扰能力强。 第二章 系统总体设计 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 Atmel 公司的 AT89s52 系列单片机，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，电路简单。 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 接收电路四部分。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，从而减小 测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，P1.1 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 P0 口，位码输出端口分别为单片机的 P2.0、 P2.1、P2.2 口,数码管位驱运用 PNP 三极管 8850 三极管驱动。 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 P1.1 输入一个低电平方波。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 P1.1 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。 合肥学院电子信息与电气工程系 07 自动化（1）班 宋文钦（0705071040） 6
    超声波测距仪的设计 2.1 发射传感器触发 由于传感器的中心频率是 40KHZ，本系统采用的是高精度的 12MHZ 晶振，方 波的周期为 1/40ms，即 25µs，半周期为 12.5µs。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 1µs，所以只能产生半周期为 12µs 或 13µs 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 41.67kHz 的方波信号来触发超声波发射传感器。 2.2 发射传感器驱动 超声波发送部份为了简化电路,没加设置专门的超声波驱动电路,而是用单 片机的 P1.0 引脚输出端加了一个上拉电阻后，从而增加驱动电流，就直接驱动 超声波发送头。理论上，驱电电压只有 5 伏。 2.3 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象 叫超声波的衰减。引起超声波衰减的主要原因有： 1 扩散衰减:超声波在传播过程中，由于声束的扩散能量逐渐分散，从而使 单位面积内超声波的能量随传播距离的增加而减弱。超声波的声压和声强均随至 声源的距离的增加而减弱。 2 散射衰减:当声波要传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时， 就将产生散乱反射，从而损耗了声波的能量，被散射的超声波在介质中沿着复杂 的路径传播下去，最终变为热能。 3 粘滞衰减:声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性造成近质点之间的内 摩擦从而使一部分声能转化热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏 部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。 超声波的衰减有两种表示方法。一种是用底波多次反射的次数来表示。这种 方法仅能粗略地比较声波在不同材料中的衰减程度，也就是对同样厚度的不同材 料在同样的仪器灵敏度下，观察它们的底面反射波的次数，底波次数多的材料， 说明声波在该材料中衰减少，底波次数少，则声波衰减比较严重。另一种是理论 上定量计算的表示方法，即用衰减系数来表示声波的衰减。 合肥学院电子信息与电气工程系 07 自动化（1）班 宋文钦（0705071040） 7
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