超聲波測距畢業(yè)設(shè)計

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 姓 名： 龔 國 亮 學(xué) 號： 010700731 學(xué) 院： 電氣工程與自動化學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程與自動化（自動化方向） 年 級： 2007級 指導(dǎo)教師： （簽名）2011 年 6 月 2 日27超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用中文摘要超聲波測距儀，因為其檢測迅速、方便、計算簡單、易于實時控制等特點，可以應(yīng)用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，如：液位、井深、管道長度等場合。目前對超聲波高精度測距系統(tǒng)的需求越來越大。為能提高系統(tǒng)測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在硬件上應(yīng)盡可能少的采用分立元件，主要采用集成芯片設(shè)計，從而提高了系統(tǒng)計時的準確

2、性。在本次設(shè)計中采用壓電式超聲波換能器，主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢,使用STC89C52單片機作為控制器，將超聲波測距系統(tǒng)和單片機結(jié)合于一體,完成了超聲波測距系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。在整個超聲波測距系統(tǒng)硬件電路模塊中主要的電路設(shè)計有HC-SR04超聲波測距模塊，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。應(yīng)用程序的開發(fā)使用C語言對STC89C52單片機進行控制，以空氣中超聲波的傳播速度為確定的條件，利用超聲波反射對距離測定，通過實物驗證這一設(shè)計方案的可行性。設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的測量精度為3mm，盲區(qū)2cm，可清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。論文扼要介紹了STC89C52RC單片機的性能和特點，以及HC-SR0

3、4超聲波測距模塊的性能參數(shù)。論文圍繞應(yīng)用單片對超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計進行說明，重點闡述了超聲波測距系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計，對實驗結(jié)果使用LCD顯示屏顯示，方便對參數(shù)的控制和調(diào)整。關(guān)鍵詞 STC89C52RC單片機，HC-SR04測距模塊，超聲波測距Design and Application of Ultrasonic Ranging SystemAbstractUltrasonic rangefinder, because the test fast, convenient and simple calculation, easy to real-time control characteristic

4、s that can be applied to reverse radar, construction site and some industrial field, such as: Level measurement, Well depth measuring, pipe length measurement and so on. At present the precision of ultrasonic system is needs more and more. To improve the system measuring precision and stability of t

5、he system, hardware should as far as possible in the less by division element, mainly adopts integrated chip design, so as to improve the accuracy of the system time.In this design using the piezoelectric ultrasonic transducer, mainly using ultrasonic features and advantages, make ultrasonic ranging

6、 system and single-chip microcomputer combined in one , the use of AT89C52 single chip computer as controller, completed the ultrasonic ranging system hardware and software design. Throughout the ultrasonic ranging system hardware circuit module main circuit design have HC-SR04 ultrasonic ranging mo

7、dule, modules including ultrasonic transmitters and receivers and control circuit. Application development of AT89C52 single chip computer using C language, to control in the air to determine the propagation speed of ultrasonic, using ultrasonic reflecting the conditions of distance measurement, by

8、physical test the design scheme is feasible. The ultrasonic ranging system design measuring accuracy of 3mm, blind 2cm, can be clear, stable display measured results. Paper introduces briefly the characteristics and properties of STC89C52RC microcontroller, and HC - SR04 ultrasonic ranging module pe

9、rformance parameters. Papers on a single chip around application that ultrasonic ranging system design, expounds the application of ultrasonic ranging system with design, the results of the experiment, convenient use LCD screen shows the control of parameters adjustment.Keywords: STC89C52SCM experim

10、ent box，HC-SR04 Ranging module， Ultrasonic ranging目 錄第1章 引言11.1 課題研究的背景、概況11.2 超聲波測距儀的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢11.3畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要任務(wù)和內(nèi)容2第2章 超聲波測距的設(shè)計思路32.1 超聲波測距原理32.2 系統(tǒng)整體方案論證42.3 單片機測距原理及實現(xiàn)52.4 超聲波傳感器的基本原理5第3章 總體方案設(shè)計63.1超聲波測距系統(tǒng)總體方案設(shè)計63.2 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮73.2.1超聲波測距儀的工作頻率73.2.2 超聲波聲速83.2.3發(fā)射脈沖寬度83.3 單片機系統(tǒng)及基本電路83.3.1 STC89C52RC單片

11、機功能介紹83.3.2 HC-SR04超聲波測距模塊介紹103.4 液晶顯示器113.5 單片機的基本連接電路123.6 時鐘電路12第4章 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計144.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計144.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計164.3軟硬件調(diào)試17第5章 系統(tǒng)誤差分析及改進185.1誤差產(chǎn)生原因分析185.1.1 溫度對超聲波聲速的影響185.1.2 回波檢測對時間測量的影響195.1.3 超聲傳感器脈沖電壓對測量范圍和精度的影響195.2 系統(tǒng)改進方案19總 結(jié)21參考文獻22謝 辭23附 錄：程序清單24超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用第1章 引言1.1 課題研究的背景、概況 高速，高效是現(xiàn)代工業(yè)的標志，而這是

12、建立在有著高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的。設(shè)計和工藝人員理應(yīng)了解：非均一的組織結(jié)構(gòu)，隨機出現(xiàn)的微觀，宏觀缺陷，常?？梢杂袝r甚至是只能依靠無損檢測技術(shù)的運用才可能發(fā)現(xiàn)。多年來多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力使得無損檢測技術(shù)得到長遠發(fā)展。人類首次有效產(chǎn)生高頻聲波并對其研究始于1876年，隨著科技的發(fā)展，超聲波技術(shù)因其具有高精度，無損，非接觸等優(yōu)點，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。我國無損檢測技術(shù)是從無到有，從低級階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。五十年代，我國開始從國外引進超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國的 UCT-2 超聲波檢測儀，重達 24Kg，

13、各單位積極開展試驗研究工作，在一些工程檢測中取得了較好的效果。利用超聲波進行定位的技術(shù)源于對蝙蝠利用超聲波定位的生存手段，超聲波借助空氣媒介傳播被障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波強弱判斷障礙物位置的方法。超聲波速度相對于光速小很多，因而傳播時間更易于檢測，并且易于定位發(fā)射，方向性好，重量易于控制，所以人類采用仿真技能利用超聲波測距。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，不受光照、電磁場、色彩等因素的影響，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達

14、到工業(yè)實用的要求。1.2 超聲波測距儀的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，超聲波在測距儀中的應(yīng)用也將越來越廣泛。超聲波測距被應(yīng)用于倒車雷達、建筑工地和機器人導(dǎo)航避障等場合。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在胎兒檢查儀，超聲波潔牙器，血流測量計，診斷顯像技術(shù)等醫(yī)療器械都利用了超聲波的特性。在軍事領(lǐng)域中，超聲波用于武器制導(dǎo)，雷達目標定位等方面，它不僅在這眾多領(lǐng)域有廣泛的作用，可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量、安全保障，還可以起到節(jié)約能源、降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比，其最大特點是穿透力強，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測物體內(nèi)部情況。超聲檢測設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點，有利于工程實際使用。近十

15、幾年來，由于微機技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測的限制，進一步開拓了其適用范圍。在我國，超聲波檢測技術(shù)屬重點發(fā)展和推廣的新技術(shù)，憑借著其具有無損、高精度、非接觸等優(yōu)點，在國內(nèi)和國外都有學(xué)者對其做了大量相關(guān)研究，在超聲波領(lǐng)域向著數(shù)字化方向進行發(fā)展，越來越多的數(shù)字式超聲波檢測儀器將得到廣泛的生產(chǎn)和應(yīng)用。但就目前的技術(shù)水平來說，超聲波在測距技術(shù)方向的具體利用還較為有限，因此，對一個正在快速發(fā)展而且有著很好的前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，在未來，超聲波測距儀作為一種新型的工具在各方面作用性都將有很大的發(fā)展空間，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用，它將朝著更加高

16、定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。因此設(shè)計出好的超聲波測距儀將是非常重要的。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的目的及意義。1.3畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要任務(wù)和內(nèi)容1、掌握超聲測距的工作原理。2、超聲測距模塊與單片機的硬件接口電路。3、設(shè)計單片機上的軟件，進行軟硬件集成，研制基于單片機的超聲測距實驗樣機，測試其功能。4、現(xiàn)場實驗、演示；結(jié)果分析，討論。第2章 超聲波測距的設(shè)計思路2.1 超聲波測距原理超聲波是指振動頻率超過20KHz以上的機械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦苑瓷?、折射、干涉、衍射、散射。將超聲波用作于檢測的方法，須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功

17、能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上也稱為超聲波探頭或超聲波換能器。超聲波傳感器包括發(fā)送器和接收器，一個超聲波傳感器可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)原理將電能和超聲波相互進行轉(zhuǎn)化：在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換為發(fā)射的振動超聲波；而在收到回波的時候，則將振動超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號。 對測量進行距離的方法有很多種，短距可以用尺，長距離可以使用激光測距等，而因為超聲波頻率高，波長短，傳播過程衰減緩慢，指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠的特點，因而超聲波可應(yīng)用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計較為方便，計算處理也很簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。超聲波測距適用

18、于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用11.0952MHZ晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 超聲波發(fā)生器分為兩類：一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波，一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，使用單片機對時間差進行計算 即可算出距離S： S=Ct/2 （2-1）其中：C為超聲波傳播速度，由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且量程也不大，溫

19、度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計算出為 340 m/s。t為發(fā)射超聲波和接收超聲波的時間差?？梢钥闯鲋饕糠钟校?(1) 供應(yīng)電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；(2) 使接收和發(fā)射隔離的開關(guān)部分；(3) 轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；(4) 接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號的接收傳感器；(5) 接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè)備；(6) 記錄/控制設(shè)備，通常控制發(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時間，存儲所要求的數(shù)據(jù)，并將時間間隔轉(zhuǎn)換成距離。2.2 系統(tǒng)整體方案論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)

20、射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間差來計算出傳播距離。實際應(yīng)用的測距方法通常有兩種，一種是在被測距離的兩端，由一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；另一種方式為反射波方式：由發(fā)射波被物體反射回來后接收，適用于測距儀，倒車雷達等。本次設(shè)計采用反射波方式。目前常用的超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是通過電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是通過機械方式產(chǎn)生超聲波，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有：1、壓電傳感器；2、磁致伸縮傳感器；3、靜電傳感器。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把

21、超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電傳感器是屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是

22、壓電晶片。當壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲

23、波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板，當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓

24、的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。由于超聲波在空氣中傳播時會有一定量的衰減，衰減的程度與頻率的高低成正比，而頻率高的超聲波分辨率也高，因此短距離測量時常選

25、擇使用頻率高的傳感器，而進行長距離的測量時常使用低頻率的傳感器。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，本次設(shè)計采用STC89C52RC單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LCD數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器來驅(qū)動。 2.3 單片機測距原理及實現(xiàn)單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離S=Ct/2，式子中的C為超聲波聲速1。限制單片機超聲波測距系統(tǒng)的最大可測距離主要有4個因素：超聲波的幅度大小、接收換能器的靈敏度以及反射、反射的質(zhì)地、和入射聲波之間的夾角。為增加所測量的覆蓋范圍，增加測量精度，可以采用多個超聲波

26、換能器分別作為超聲波發(fā)射接收的設(shè)計方法。距離測量系統(tǒng)常用的頻率范圍為 25KHz300KHz 的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時共用一個，或者兩個是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負責向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強大的發(fā)射信號；記錄/控制部分啟動或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時及接收的瞬時，并將時差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。2.4 超聲波傳感器的基本原理超聲波傳感器的主要材料分為壓電晶體（電致

27、伸縮）和鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著換聲換能器轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)（類似于麥克風的作用），處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析，判斷接收到的信號是否是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是，就測量超聲波行程時間，根據(jù)測量的時間換算為行程，除以2，即為距離。第3章 總體方案設(shè)計3.1超聲波測距系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，在本課題中采用STC89C52RC單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LCD數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示：

28、60;圖3-1 超聲波測距原理框圖由單片機STC89C52RC編程產(chǎn)生40kHz的方波，由P1.4口輸出，然后經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波在經(jīng)過障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理，最后送還至單片機。單片機通過發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間差，由超聲波在空氣中的傳播速度即可計算出障礙物的距離,并由單片機控制顯示出來。該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機和LCD顯示器組成。觸發(fā)信號輸入端與超聲波測距模塊TRIG端相連,回響信號輸出端與超聲波測距模塊ECHO端相連接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖3

29、-2所示。圖3-2 時序圖 以上時序圖表明你只需要提供一個10us以上的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所檢測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式：uS/58=厘米 或 uS/148=英寸；或是：距離=高電平時間*聲速(340M/S)/2；建議測量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的測量。注：1、此模塊不宜帶電連接，若要帶電連接，則先讓模塊的GND端先連接，否則會影響到模塊的正常工作。2、測距時，被測物體的面積不少于0.5平方米并且要求平面盡量平整，否則會影

30、響測量的結(jié)果，造成誤差。3.2 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮 超聲波測距系統(tǒng)主要參數(shù)有超聲波傳感器的工作頻率、超聲波聲速、脈沖寬度、傳感器指向角等，下面將對其進行介紹并闡述。3.2.1超聲波測距儀的工作頻率空氣中超聲波的衰減系數(shù)為=as=Af2+Bf4。所以，空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在 40KHz 左右。太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。傳感器的工作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮：(1) 如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質(zhì)對

31、聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。(2) 工作頻率越高，對相同尺寸的換能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復(fù)雜表面越準，而且波長短，尺寸分辨率高，“細節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。(3) 從傳感器設(shè)計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz，定為 44KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。3.2.2 超聲波聲速由公式S=Ct/2可

32、知，聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為V=331.40.60T(m/s) (3-1) 式中，T是溫度5。由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計算出為 340 m/s。3.2.3發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實際的經(jīng)驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路

33、都造成一定困難。在具體設(shè)計中，HC-SR04循環(huán)發(fā)出8個40Khz脈沖。此時，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方面來衡量比較適中。測量盲區(qū)為2cm。3.3 單片機系統(tǒng)及基本電路3.3.1 STC89C52RC單片機功能介紹51單片機中芯片STC89C52RC是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾一種單片機，其指令代碼兼容傳統(tǒng)的8051單片機采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，8kB的ROM，256 B的RAM，2個16b的定時計數(shù)器TO和T1，4個8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只

34、讀存儲器(EEPROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖3-3所示，實物圖如圖3-4所示。圖3-3 89C52RC單片機引腳封裝圖 圖3-4 89C52RC單片機實物圖(1)STC89C52芯片共40引腳: 18腳: 通用I/O接口p1.0p1.7         9腳:  RST復(fù)位鍵         10 11腳:

35、RXD串口輸入 TXD串口輸出         1219:I/O p3接口 (12,13腳 INT0中斷0   INT1中斷1         1415 : 計數(shù)脈沖T0 T1 16,17: WR寫控制 RD讀控制輸出端)         1819: 晶振諧振器 20 地線   

36、         2128 p2 接口 高8位地址總線         29: psen 片外rom選通端   單片機對片外rom操作時 29腳(psen)輸出低電平         30:ALE/PROG 地址鎖存器        

37、60; 31:EA/ROM取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取          3239:P0.7P0.0(注意此接口的順序與其他I/O接口不同 與引腳號的排列順序相反)          40:電源+5V4(2)其主要特性有：工作電壓5.5V-3.3V用戶程序應(yīng)用空間：8K壽命：1000寫擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年工作頻率：0Hz一40MHz，外部晶振20MHz以下可省復(fù)位電路三

38、級程序存儲器鎖定片上集成1280字節(jié)或512字節(jié)RAM32可編程IO線兩個16位定時器計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路有EEPROM功能看門狗 在空閑模式下，CPU保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，這種方式又軟件產(chǎn)生。此時，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變。空閑模式可由任何允許的中斷請求或復(fù)位終止。 應(yīng)注意的是：在用硬件復(fù)位終止空閑模式時，AT89C2051通常從程序停止一直到內(nèi)部復(fù)位獲得控制之前的兩個機器周期恢復(fù)程序執(zhí)行。在這種情況下片內(nèi)硬件禁止對內(nèi)部RAM的讀寫，但允許對端口的訪問，要消除硬件復(fù)位終止空閑模式

39、對端口意外寫入的可能，原則上進入空閑模式指令的下一條指令不應(yīng)對端口引腳或外部存儲器進行訪問。 在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容終止掉電模式前被凍結(jié)。退出模式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內(nèi)容，在VCC恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重新啟動并穩(wěn)定工作5。3.3.2 HC-SR04超聲波測距模塊介紹HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ?/p>

40、原理：(1) 采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；(2) 模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；(2) 有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S）/2；電氣參數(shù)：電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC5V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號，與射程成正比規(guī)格尺寸45*20*15mm圖3-5 HC-SR04電氣參數(shù)3.4 液晶顯示器可以與微機相連接的顯示種類有很

41、多，從LED發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器、LCD液晶顯示到CRT顯示器等。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED（Light Emitting Diode）；液晶顯示器，簡稱LCD（Liquid Crystal Display）。前者的價格低廉，配置靈活，與單片機接口方便，后者LCD可以顯示圖形、功耗低、體積小，但成本相對較高。本設(shè)計采用LCD顯示，顯示器型號為LCD1602，是使用5x7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等。LCD1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3

42、腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生殘影，使用時可以通過1個10K電位器調(diào)整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以顯示地址或?qū)懭胫噶睿擱S為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，液晶模塊執(zhí)行命令第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線第1516腳：空腳1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不

43、同的點陣字符圖形，其中包含：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、日文假名等，每個字符有著一個固定的代碼。HC6800單片機實驗箱有1602/12864插座，可以方便的使用LCD1602液晶顯示器。3.5 單片機的基本連接電路單片機在正常工作時，單片機的最小系統(tǒng)由一個時鐘電路以及一個復(fù)位電路來構(gòu)成。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時所需的時鐘信號，它有兩種時鐘方式：外部時鐘和內(nèi)部時鐘。外部時鐘始終是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片單片機同時工作，這樣方便同步。在本設(shè)計中只有一片單片機，因而采用內(nèi)部時鐘方式。STC89C52RC內(nèi)部有一個可控制的負反饋反向大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放

44、大器的輸入端和輸出端。負反饋反向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。外接電容值的大小會影響振蕩器頻率的高低，震蕩器的穩(wěn)定性、快速性和溫度穩(wěn)定性。設(shè)計中使用12MHz晶振。單片機的初始化操作是復(fù)位，將RST引腳出至少保持兩個機器周期的高電平就可以實現(xiàn)復(fù)位。在RST端出現(xiàn)高電平后的第二個周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個周期重復(fù)一次，直至RST端變低。單片機的復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。本設(shè)計采用手動復(fù)位方式。當按下復(fù)位按鈕時，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

45、漸使RST端恢復(fù)低電平。3.6 時鐘電路時鐘電路的作用是用來產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個同步時序電路，為了能實現(xiàn)同步工作方式，必須使電路在惟一的時鐘信號控制下嚴格按時序進行工作 。該時鐘電路由兩個電容C1，C2和一個晶體振蕩器組成。XTAL1是接外部晶體管的一個引腳，在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳XTAL2，在芯片的外部通過這兩個引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。圖3-6晶振電路電路中的C1和C2一般取30PF左右，晶體振蕩器的頻率范圍通常是1.212MHz，設(shè)計中電路中采用12MHz，

46、晶體振蕩器的頻率越高，振蕩頻率就越高。使用高精度晶振，可以獲得較為穩(wěn)定的時鐘頻率，減少超聲波測距的測量誤差。第4章 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計4.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計設(shè)計中采用STC89C52RC單片機，經(jīng)濟且易用性強，片內(nèi)含8K的ROM，易于編程，整個電路設(shè)計是通過單片機對超聲波模塊對超聲波的發(fā)射和接收間的時間差，通過計算得出距離。原理圖如下圖所示：圖4-1 單片機最小系統(tǒng)圖4-2 單片機電源電路圖4-3 超聲波模塊圖4-4 LCD液晶顯示模塊4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計超聲波測距儀的軟件主要由主程序、控制超聲波接收和發(fā)射程序和LCD顯示子程序組成。程序使用C語言進行編程。下圖為主程序流程圖：N液晶顯示超出范圍

47、Y圖4-5 主程序流程圖結(jié)束顯示距離計算距離值關(guān)定時器定時中斷 低電平 計數(shù)計數(shù)計數(shù)高電平發(fā)射超聲波初始化定時器模塊，液晶模塊，超聲波模塊開定時器YN開始流程圖中包含系統(tǒng)軟件所需的主要4個功能：1、信號控制，2、數(shù)據(jù)存儲，3、信號處理，4、數(shù)據(jù)傳輸與顯示。4.3軟硬件調(diào)試在硬件電路制作完成并調(diào)試好LCD顯示屏后，便可以把編譯好的程序下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.031.m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，

48、不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。第5章 系統(tǒng)誤差分析及改進前面幾章介紹了超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計，本章大致介紹超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因。超聲波測距因為在使用過程中不會受到光照強度、電磁場、色彩等方面因素的影響，并且有著結(jié)構(gòu)簡單成本低廉的優(yōu)點，在汽車倒車雷達、機器人避障、井深液位測量等方面有著廣泛的應(yīng)用。從原理上，超聲波測距分為三種：即超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法最為常用。在測量過程中，由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波難以精確進行捕捉，使得超聲波在空氣中發(fā)射到接收的傳播時間很難精確測量。這些因素使得超聲波測距的精度和測量范圍受到影響。5.1誤差產(chǎn)

49、生原因分析5.1.1 溫度對超聲波聲速的影響超聲波是由機械振動產(chǎn)生的縱波，超聲波在空氣傳播過程中通過氣體的反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實現(xiàn)傳播過程。因此，氣體的密度、溫度及氣體分子成分將會影響超聲波的傳播速度。即： （5-3）其中，B為氣體的彈性模量，r為氣體的密度。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得：B=g·r ，其中g(shù)為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為1.40，P為氣體的壓強。氣體的壓強為： （5-2）其中，R為普適常量 8.314kg/mol，T為氣體溫度K(絕對溫度)，M為氣體分子量，空氣為28.8×10-3 kg/mol。所以 （5-3）

50、由公式5-3可知，超聲波在空氣中的傳播速度受到空氣溫度影響較大。例如：-20時,T253.15，CS=319.9 m/s； 20 時，T=293.15， CS=344.2 m/s；40時，T=313.15，CS=355.8 m/s；從上面的數(shù)據(jù)可以看出，溫度對超聲波聲速有明顯的影響，當需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。5.1.2 回波檢測對時間測量的影響超聲波在由超聲傳感器發(fā)出后，在空氣中進行傳播，遇到被測物反射，后傳回超聲傳感器。整個過程，超聲波會有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器x 處有被測物，則空氣中傳播的超聲波波動方程描述為：A=A(x) cos(ax

51、+kt) （5-4）其中，A為超聲傳感器接收振幅；A0 為超聲傳感器初始振幅；為衰減系數(shù)；x 為超聲波傳播距離；w角頻率；k 為波數(shù)。衰減系數(shù)=b·f。其中b為空氣介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。由此可見，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時超聲波頻率的過高會產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強，這一點有利于距離測量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計超聲接收電路時，要設(shè)計較大放大倍數(shù)(萬倍級)和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測。5.1.3 超聲傳感器脈沖電壓對測量范圍和精度的影響制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測距常

52、用壓電材料傳感器，例如TR40 壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當壓電材料不受外力時，其應(yīng)變S與外加電場強度E 的關(guān)系為： S=d*E （5-5）其中d 為應(yīng)變電場常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進而影響超聲波幅值。這些會直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。5.2 系統(tǒng)改進方案在實際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。測距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時間計測、微機控制和溫度測量五個部分組成。如何提高

53、測量精度是超聲測距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測距精度的措施下：(1)合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期據(jù)經(jīng)驗，超聲測距的工作頻率選擇f=40kHz 較為合適：發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的10倍以上即：T>0.25s，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機處理數(shù)據(jù)的速度，速度趕快，脈沖發(fā)射周期可選短些。(2) 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動增益負反饋控制環(huán)節(jié)因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用(AGC)電路使放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測量距離的變化而大幅度的變化，

54、采用電流負反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。(3)提高計時精度，減少時間量化誤差如采用芯片計時器，計時器的計數(shù)頻率越高，則時間量化誤差造成的測距誤差就越小。例如：單片機內(nèi)置計時器的計數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當晶振頻率為6MHz時，計數(shù)頻率為0.5MHz此時在空氣中的測距時間量化誤差為0.68mm；當晶振頻率為12MHz時，計數(shù)頻率為1MHz，此時測距時間量化誤差為0.34mm。若采用外部硬件計時電路，則計數(shù)頻率可直接引用單片機的晶振頻率，時間量化誤差更小。(4)補償溫度對傳播聲速的影響超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù)有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進行補償。有文獻表明，按下

55、式計算聲速可以達到較高的精度：在空氣中，m/s；在海水中，C=1450+4.21t-0.037t·t+1,14(S-35)+0.175P m/s式中：t攝氏溫度；S水鹽度，按千分比計算；P海水靜壓力，單位為大氣壓。聲速可以用聲速儀測量，以驗證理論計算的準確性。(5) 補償系統(tǒng)電路的時間延遲系統(tǒng)電路的時間延遲可通過實驗測定，通過測試兩個已知標準距離S1、S2所得到的時間t1、t2，可求出系統(tǒng)電路的延遲，(s1·t2-s2·t1)/(s2-s1) (5-6)總 結(jié)本次設(shè)計為超聲波測距提供了理論和實踐的基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送

56、接收，使用單片機記錄時間差，并計算出測量物體間的距離，并在顯示屏中顯示出來。超聲波測距的原理是利用超聲波發(fā)射到被測物體后會反射回波，通過接收回波，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差即超聲波傳播時間計算出傳播距離。在這次試驗中使用HC-SR04超色波測距模塊采用反射波方式，即發(fā)射波被物體反射回來后接收的發(fā)射波。超聲波測距系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計主要包括了超聲波發(fā)射電路，超聲波檢測電路和單片機LCD顯示電路。單片機采用STC89C52RC，使用12Mhz高精度的晶振，從而獲得較為穩(wěn)定的時鐘頻率，以減小測量誤差。超聲波模塊使用HC-SR04，利用單片機對其控制超聲波的發(fā)射與接收。顯示電路使用LCD1602液晶顯示屏對

57、測量結(jié)果顯示。在元器件選擇方面，因為由于采用的電路使用了較多的集成電路，設(shè)計起來不會太難，稍加調(diào)試應(yīng)該可以正常工作。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)到了很多東西。在進行課程設(shè)計時，應(yīng)該做到以下三點：第一，通過查閱資料對老師給的題目進行了解和研究；第二，在老師講解的基礎(chǔ)上認真研究硬件電路的設(shè)計和軟件流程的設(shè)計；第三，重點實現(xiàn)軟硬結(jié)合的綜合調(diào)試。 這次設(shè)計時間一共進行了三個月左右，在這幾個月的時間里我進行了硬件電路圖設(shè)計，以及軟件的編程實現(xiàn)，軟硬件的綜合調(diào)試，最終將一個完整的設(shè)計成果做出來了，很高興它能按著設(shè)計的思路和要求運行起來。 當然，這其中還包含著許多問題。但就實現(xiàn)功能來說，設(shè)計結(jié)果能夠符合題意，成功完成了此次設(shè)計的要求。對于這次設(shè)計，在乎的不但是這一結(jié)果，更加在乎的，是這個過程。這個過程中，花費了很多的時間和精力，掌握了很多學(xué)過但沒有掌握好的知識。在已度過的大學(xué)時間里，我們大多數(shù)接觸的是理論課程。在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論基礎(chǔ)，如何通過知識轉(zhuǎn)化為實踐能力？如何把我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課理論知識運用到實踐中去呢？我想這次畢業(yè)設(shè)計就為提供了良好的實踐平臺?？傮w上說，這次實習中收獲和感觸很多。參考文獻1 姜道連,寧延一,袁世良.用AT89C2051 設(shè)計超聲波測