简易超声波测距仪的设计

I摘要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51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、预置子程序、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、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。关键词AT89C51；超声波；测距IIAbstractUltrasonicwavehasstrongpointingtonature,slowlyenergyconsumption,propagatingdistancefarther,so,inutilizingtheschemeofdistancefindingthatsensortechnologyandautomaticcontroltechnologycombinetogether,ultrasonicwavefindsrangetousethemostgeneraloneatpresent,itappliestoguardagainsttheft,movebackwardtheradar,waterlevelmeasuring,buildingconstructionsiteandsomeindustrialscenesextensively.Thissubjecthasintroducedprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail,andtheperformanceandcharacteristicofone-chipcomputerAT89C51ofAtmelCompany,andonthebasisofanalyzingprinciplethatultrasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,providelowcost,thehardwarecircuitofhighaccuracy,ultrasonicrangefinderofminiaturedigitaldisplayandsoftwaredesignmethodtakingAT89C51asthecore.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.Theresearchhasledtothediscoverythatthesoftwareandhardwaredesigningisjustified,theanti-disturbancecompetenceispowerfulandthereal-timecapabilityissatisfactoryandbyextensionandupgrade,thissystemcanresolvetheproblemofthecaravailably,buildingconstructionthepositionoftheworkplaceandsomeindustriesspotsupervision.KeywordsAT89C51;UltrasonicWave;MeasureDistanceI目录1绪论.......................................................................................................11.1超声波测距仪的设计思路..........................................................11.2方案一：利用分立模块的超声波测距仪...................................11.3方案二：基于AT89C51单片机的超声波测距仪.....................22理论分析与计算....................................................................................42.1测量与控制方法..........................................................................42.2理论计算.....................................................................................43系统的硬件结构设计............................................................................63.151系列单片机的功能特点及测距原理......................................63.1.151系列单片机的功能特点...............................................63.1.2单片机实现测距原理........................................................73.2超声波发射电路..........................................................................73.3超声波检测接收电路..................................................................83.4超声波测距系统的硬件电路设计...............................................94系统软件的设计..................................................................................114.1超声波测距仪的算法设计........................................................114.2主程序流程图............................................................................124.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序.............................134.4系统的软硬件的调试................................................................144.4.1超声波测距误差分析.......................................................154.4.2提高精度的方案及系统设计............................................16总结...........................................................................................................17致谢...........................................................................................................18附录...........................................................................................................19参考文献...................................................................................................26河北经贸大学毕业论文1简易超声波测距仪的设计1绪论1.1超声波测距仪的设计思路超声波传感器及其测距原理超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。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。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。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要求。超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。1.2方案一：利用分立模块的超声波测距仪系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组、控制模组及电源五部分。超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制（如图1-1所示）；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。河北经贸大学毕业论文2显示模块是一个8位段数码显示的LED；测量结果用两位数字段码显示数据的个数。电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供系统各部分电路使用。系统结构图1-1超声波测距模块组硬件框图优点：具有历史数据存储功能、出错管理功能。缺点：能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高。1.3方案二：基于AT89C51单片机的超声波测距仪超声波测距仪主要以单片机AT89C51为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的。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，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即s=340×t/2，这就是常用的时差法测距。在测距计数电路设