免費超聲波測距儀的設計(一)信息工程

1、免費超聲波測距儀的設計(一)信息工程     2013-05-22 01:29        導讀：電子信息工程論文畢業(yè)論文，免費超聲波測距儀的設計(一)信息工程畢業(yè)怎么寫，格式要求，寫法技巧，展示的這篇論文是很好的參考：        摘    要  本文提出了一種       

2、0;    摘    要 本文提出了一種適用于可移動智能機器人定位、測障及簡單形體識別的實時、高精度超聲測距處理方法。介紹了以單片機實現(xiàn)該方法的超聲測距系統(tǒng)，系統(tǒng)由AT89C2051單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路及顯示電路組成。 利用微處理機控制單元(MCU microprocessor control unit)控制的超聲測距儀的原理：由MCU控制時間計數(shù)，計算超聲波自發(fā)射至接收的往返時間，從而得到實測距離。并且在數(shù)據(jù)處理中采用了溫度補償和修正量的調(diào)整。此系統(tǒng)具有易控制、工

3、作可靠、測距準確度高和流程清晰等優(yōu)點。關鍵詞：超聲波；測距；換能器；單片機；溫度補償（ ） 6.2 超聲波的傳播速度隨著溫度的變化而變化 116.3 其它影響 11結束語 11參考文獻 12附錄（子程序） 13致謝 161 引言 利用超聲波作為定位技術是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波(20kHz以上的機械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播，由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。 超聲波是由機械振動產(chǎn)生的，

4、可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。而且超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測。并且超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優(yōu)點，超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測方法，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距 1 。 迄今為止，國內(nèi)外許多學者均著眼于超聲應用學測距的研究。與其它方法相比，它不受光線、被測對象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境中(如含粉塵時)具有一定的適應能力；在近距范圍內(nèi)超聲測距有其不受光線影響、結構簡單、成本低等特點。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。 目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設計超聲波

5、測距儀，但是專用集成電路的成本很高。而且沒有顯示，操作使用很不方便。本文介紹一種以AT89C2051或GSM97C2051單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法 7 。實際使用證明該測距儀工作穩(wěn)定，性能良好。2 超聲波測距原理2.1 超聲波 與光波不同，超聲波是一種彈性機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播我們知道，電磁波的傳播速度為，而超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s左右，其速度相對電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播媒體里(大氣條件)傳播速度相同，即在相當大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動的傳播方向與振動方向一致，是縱向振動的彈性

6、機械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運動而傳播的，波動方程描述方法與電磁波是類似的： （1）（2）式中，為振幅，為常數(shù)，為圓頻率，t為時間，為傳播距離，為波數(shù)，為波長，為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關系為： （3）式中，為介質(zhì)常數(shù)，為振動頻率。在空氣里，,當振動的聲波頻率=40kHz(超聲波)代入式(3)可得，即1/a=31m；若=30 kHz，則1/a=56m。它的物理意義是：聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。在(1/a)長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實際工程測量要求，在

7、設計超聲波測距儀時，我們通常選用頻率=40kHz的超聲波 2 ，波長為0.85cm。2.2 超聲波傳感器 人們?yōu)檠芯亢蛻贸暡?，已設計并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器：可歸類為機械方式和電氣方式。實質(zhì)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器 3 ：它將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量(由發(fā)射換能器來完成)和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其它易于檢測的能量(由接收換能器來完成)。一般是用電能和超聲能量相互轉(zhuǎn)換。電氣方式類型包括：壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械式方式有氣流旋笛、液哨和加爾統(tǒng)笛等。各種類型產(chǎn)生的超聲波的功率、頻率和聲波特性都不相同。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。而壓電材料

8、有單晶體的、多晶體復合的，如石英單晶體，鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷復合晶體等。 這里選用的是壓電型超聲波傳感器T40-12(發(fā)射管)和R40-12(接收管)。 壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是借助壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應 8 。其結構原理如圖1(a)所示。          圖1 超聲波傳感器結構原理框圖說明 超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當它的兩電極加脈沖信號(觸發(fā)脈沖，脈沖信號越尖越好，電壓越高，功率越大，距離越遠)，若其頻率等于晶片的固有頻率時，

9、壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當共振板接收到回波信號時，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，此時的傳感器就成了超聲波接收器。圖1(b)為超聲波傳感器等效電路。2.3 測距原理 超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等 12 。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為：檢測從超聲波發(fā)     2013-05-22 01:29     &#

10、160;  導讀：射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x 9 ?？紤]實際情況，采用異地        射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x 9 ?？紤]實際情況，采用異地脈沖反射式來測距，即需測距離是聲波傳輸距離的一半：（4）式中，L為待測距離，為超聲波的聲速，t為渡越時間。由下式計算測量誤差:（5）式中,為測距誤差，為聲速，為時間測量誤差，為聲速誤差。若要

11、求測距誤差小于0.01m，已知聲速為344ms(20時)，忽略聲速誤差，那么測量時間的誤差: （6）顯然，直接用秒表測時間是不現(xiàn)實的。因此，實現(xiàn)聲波測距必須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。這里利用單片機定時器計數(shù)的方法，間接測量時間，可以把聲波傳播的時間精度提高到所需的準確度。也就是把對渡越時間的測量轉(zhuǎn)化為對計數(shù)脈沖個數(shù)N的測量，所以式(4)可寫為:（7）式中，S為等效標尺，為計數(shù)脈沖的頻率，為聲速。所以:（8）式中，為晶體振蕩器頻率 13 ，這里用的是的晶體振蕩器，可測得時間為，可見此方法完全合乎要求。2.4 溫度補償 由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫

12、度有關。表l列出了幾種不同溫度下的聲速。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間。即可求得距離。表1 聲速與溫度關系表溫度（） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 聲速（米/秒） 313 319 325 332 338 344 349 386  常溫常壓下，空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體中傳播速度為： ， 式中為氣體摩爾質(zhì)量；為氣體的比熱比；R為氣體常數(shù)；T為熱力學溫度 10 。對于一定

13、的氣體、為定值。由公式可知：聲速與熱力學溫度的平方根成正比。溫度越高聲速越大，溫度越低聲速越小。0 時，空氣中聲速的實驗值為331.45 ms，空氣中聲速表達式為:（9）由實驗分析得距離計算公式為: (10)式中 N 為計數(shù)個數(shù)；為參考頻率；為攝氏溫度；為距離。3 AT89C2051的功能特點 AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含2k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和

14、Flash存儲單元，功能強大AT89C2051單片機可為您提供許多高性價比高的應用場合。3.1 主要性能參數(shù)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容2k字節(jié)可重復擦寫閃速存儲器1000次擦寫周期2.7-6V的工作電壓范圍全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz兩級加密程序存儲器128×8字節(jié)內(nèi)部RAM15個可編程I/O口線兩個16位定時/計數(shù)器6個中斷源可編程串行UART通道可直接驅(qū)動LED的輸出端口內(nèi)置一個模擬比較器               &#

15、160;       圖3  AT89C2051功能管腳圖低功耗空閑和掉電模式3.2 功能特性概述 AT89C2051提供以下標準功能：2k字節(jié)可重復擦寫閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個雙工串行通信口，內(nèi)置一個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C2051可降低至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振

16、蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位。 由AT89C2051單片機系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖寬度為25Os，載波為40kHz的10個脈沖的脈沖群，直接通過P3.7輸出，并以推挽形式加到變壓器的初級，經(jīng)升壓變換后推動超聲波換能器T40-12發(fā)射出去。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射回來的超聲波進到放大器進行放大，用外部中斷INT0來接受發(fā)射回波 4 ，這樣可以及時的接收信號，并做出處理。系統(tǒng)溫度補償部分的電路是用DALLAS最新單線數(shù)字智能溫度控制器DS18B20來實現(xiàn)的，我們用單片機的串行輸入口RXD     2013-05-22 01:29

17、60;       導讀：的串行輸入口RXD(P3.0)來接收數(shù)據(jù)，從而限制了串口顯示的使用，同時用串口顯示需用到好幾塊譯碼器，這樣也不經(jīng)濟，所以這里我選擇用一塊譯碼器(CD45導讀：微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)        微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法

18、讀取測溫結果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 (2)在DS1820的有關資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。 (3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏

19、蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 (4)在DS1820測溫程序設計中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個DS1820接觸不好或斷線，當程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。5 系統(tǒng)軟件設計 AT89C2051單片機和其開發(fā)應用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達能力強、表選方式靈活、可進行結構化設計、可以直接控制計

20、算機硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點 5 。本系統(tǒng)軟件部分與硬件系統(tǒng)配合完成對超聲波往返時間的測量，根據(jù)在一定溫度下超聲波的傳播速度計算測量的距離，送往數(shù)碼管顯示出測量結果。為了使儀器的適應性強、功能更穩(wěn)定、軟件系統(tǒng)的移植性能更好，系統(tǒng)采用匯編語言來編寫程序 6 。  為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)應用軟件設計采用模塊化結構設計，其主要程序模塊為：（1）系統(tǒng)初始化及主程序模塊(含溫度補償程序)；（2）脈沖信號發(fā)射模塊；（3）距離計算模塊；（4）回波接收模塊。5.1 系統(tǒng)初始化及主程序模塊 系統(tǒng)初始化主要是設置兩定時器的工作方式：定時器T0為方式1，T1為方式2，并分別給TH0

21、/TH1，TL0/TH1賦初值；T1用來產(chǎn)生40kHz的脈沖信號；T0用來計算距離；外部中斷INT0用來接收回波信號。 在初始化中，關閉外部中斷INT0，開啟定時器T1發(fā)出10個脈沖群，同時開啟定時器T0開始計算距離。 用智能溫度控制器DS18B20來給系統(tǒng)補償溫度，測出當時的環(huán)境溫度，并算出T1中的TH1對應值，修改TH1。應用到T0中計算距離，即可得到溫度補償。 重復的調(diào)用顯示子程序，以便隨時刷新當前的測量距離。 然后系統(tǒng)重復測溫和顯示，直至中斷信號的來臨5.2 脈沖信號發(fā)射模塊圖10 40kHz脈沖信號產(chǎn)生框圖 系統(tǒng)采用24MHz晶體振蕩

22、器,定時器T1工作在方式2，用其自動賦值功能，系統(tǒng)可以直接由單片機的P3.7輸出精確的40kHz脈沖，其脈沖寬度為25Os，載波為40kHz的10個脈沖群。 由于超聲波的發(fā)射探頭T發(fā)出的超聲波一部分會直接傳送到超聲波的接收探頭R中，從而產(chǎn)生錯誤的判斷(這將在第6章的問題及解決方案中詳細闡述)；為了避免這一錯誤的產(chǎn)生，在開始發(fā)出信號時，必須關閉外部中斷INT0；當發(fā)射完畢時，開啟外部中斷INT0，同時還要先清掉外部中斷的請求標志IE0，這又是因為在關閉了外部中斷的情況下，中斷信號還是會產(chǎn)生的，請求標志仍然存在，只有清除了該標志位，才能避免系統(tǒng)對該中斷請求的響應。5.3 回波接收模塊 &

23、#160;用外部中斷INT0來接受發(fā)射回波，這樣可以及時的接收信號，并做出處理；要是采用查詢的方式，系統(tǒng)可能要等上5-6ms才能查詢到,這樣超聲波也就多走了1-2m的路程了，精度將大打折扣，甚至有時就是錯誤的結果。但用中斷就是比較麻煩一些，比如，已經(jīng)關掉了中斷，但是在有中斷信號時，其中斷標志位IE0還會產(chǎn)生，在退出中斷子程序后，系統(tǒng)仍會執(zhí)行此中斷請求，但是在采集信號前先清掉此標志位，這個問題也就迎刃而解了。圖11 信號處理子程序框圖 在進入中斷子程序時，先關閉中斷，同時關閉定時器T0，讀取其算出的距離值，并且保存起來，當讀取了4次距離值時，去掉其最高和最低的值，然后求出平均值，并送往

24、顯示緩沖區(qū)，以便于刷新顯示。在返回前，清掉請求標志位IE0，在開啟T1、T0，開始下一次的測量。5.4 距離計算模塊圖12 測算距離子程序框圖 定時器T0用來計算超聲波所走的距離。產(chǎn)生一次中斷，則代表超聲波已經(jīng)行程0.2米，此時得出的距離值為0.1米，依此類推，T0中斷n次，則測得距離值為n×0.1m；當INT0接收到回波時，關閉T0，再讀取數(shù)據(jù)時，此數(shù)據(jù)即為測得的距離值。6 設計中遇到的問題及其解決方案6.1 發(fā)射超聲波的探頭直接對接收超聲波的探頭的影響 發(fā)射超聲波的探頭T發(fā)出的超聲波一部分直接傳送到接收超聲波的探頭R中，其波形圖如圖13所示 11 。 

25、;圖13(a)為發(fā)出的脈沖信號；圖13(b)為接收管接收到的回波信號；圖13(c)為實際上我們所需要的回波信號。 圖13(b)中所示的波形 ，此波形為干擾信號，這里要想辦法屏蔽波形 。                                  

26、;       圖13 波形圖 大學排名  從圖13(b)中知道波形的信號比波形來的晚一些，且波形的信號只在發(fā)射管發(fā)射的時候才有，在10個脈沖群發(fā)射完畢之后，則沒有了此信號，從而我們在這之后再接收回波信號，也就起到了隔離此干擾信號的效果。 計算驗證：10個脈沖信號的脈沖寬度為25Os，超聲波所走的路程大約在8cm左右，即使返回，則其距離也就在4cm左右，還不到5個厘米，這遠遠小于我們的精度要求10個厘米。即證得此屏蔽方法可行。6.2 超聲波的傳播速度隨著溫度的變化而變化 在超聲波的兩個探頭旁邊放置溫度傳感

27、器DS18B20，測出超聲波所處的環(huán)境溫度T，將T送入單片機中，求出對應的聲速。 空氣中聲速表達式為:（9）由實驗分析得距離計算公式為:. (10)式中 N 為計數(shù)個數(shù)；為參考頻率；為攝氏溫度；為距離。 根據(jù)上面的公式，算出對應溫度的速度值，然后求出對應的TH1值，之后列出TH1-溫度的對應數(shù)據(jù)表，利用查     2013-05-22 01:29        導讀：表的方式修改定時器中TH1的值，從而完成溫度補償。 6.3 其它影響 本系統(tǒng)采用的是壓電型

28、超聲波換能器T40-12、R40-12發(fā)射接收對管，其要求超聲波的頻率為（ ）   MOV TH1,#0E7H   MOV TL1,#0E7H   MOV R5,#14H   SETB TR1   SETB ET1   SETB IT0    置1，下降緣觸發(fā)   SETB EA

29、       MOV P1,#0FFH   MOV P3,#0FFH   MOV 7AH,#00H  顯示緩存寄存器   MOV 7BH,#00H   MOV 7CH,#00H   MOV 7DH,#00H   MOV 7FH,#00H  用于消影判

30、斷顯示子程序： DISP: MOV A,7DH   顯示百位   JNZ  XSBW   判斷百位是否為零   MOV 7FH,#00H       2013-05-22 01:29        導讀：bsp;XSGW;當百位為零時消隱 XSSW:SWAPA;正常顯示 ORLA

31、,#0BH MOVP1,A ACALLDELAY XSGW:MOVA,7BH;顯示十位 SWAPA ORLA,#0DH MOVP1,A ACALLDELAY MOVA,7AH;顯示小數(shù) SWAPA ORLA,#0EH MOVP1,A ACALL        bsp;XSGW   當百位為零時消隱 XSSW: SWAP A    正常顯示   ORL A,#0BH &

32、#160; MOV P1,A   ACALL DELAY  XSGW: MOV A,7BH   顯示十位   SWAP A   ORL A,#0DH   MOV P1,A   ACALL DELAY      MOV A,7AH 

33、  顯示小數(shù)   SWAP A   ORL A,#0EH   MOV P1,A   ACALL DELAY       RET   超聲波發(fā)射子程序： TIMER1:CPL P3.7   發(fā)射10個40K脈沖信號   DJNZ R

34、5,FH_T1   CLR TR1   CLR IE0    清外部中斷0標志位   SETB EX0   開外部中斷0 FH_T1: RETI 回波接收處理子程序： TT0: PUSH ACC   PUSH PSW   CLR TR0   

35、;關定時器T0   CLR EX0   關外部中斷0   ACALL DISP   刷新顯示   ACALL DISP   刷新顯示   MOV 7AH,70H   MOV 7BH,71H   MOV 7CH,72H   MOV 

36、7DH,73H      MOV 70H,#00H   MOV 71H,#00H   MOV 72H,#00H   MOV 73H,#00H   MOV TH0,#0F6H    MOV TL0,#0EAH   MOV TL1, TH1    

37、60; SETB TR0   MOV R5,#14H   SETB TR1   重新發(fā)射10個脈沖波  CLR IE0    清外部中斷0標志位  SETB EX0   開外部中斷0 FH_TT0:POP PSW   POP ACC   RETI&#

38、160;  距離計算子程序： TIMER:PUSH ACC   PUSH PSW   MOV TH0,#0F6H   MOV TL0,#0F1H      INC  70H   INC  70H   MOV A,70H   CJNE A,#0AH,FH   MOV 70H,#00H      INC  71H