超声波测距系统

超声波测距系统（精选11篇）

超声波测距系统 篇1

0 引言

目前各种超声波仪器和装置己经广泛地应用在工业、通信、医疗等许多行业中。超声检测技术的基本原理是利用某种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液位、厚度、缺陷等)之间存在着的直接或间接的关系,在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。正是在这种工作原理下,我们可以充分地利用超声波的各种特性来研制超声波传感器,配合不同的信号处理与显示电路完成许多待测量的检测工作。

测距是立足于声速在既定的均匀媒介传播速度有一恒定数值,不随声波频率变化的特点。超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来,若要求测距误差小于0.01米,那么测量时间的误差必须小于30微秒。因此,实现声波测距须避开直接测量时间的方法,才能获得实用的测长精度。

1 超声测距原理

本文的硬件设计采用超声波往返时间检测法,其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体),经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘,就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半,即:

在上式中,L为待测距离,v为超声波的声速,t为往返时间。若要求测距误差小于O.lm,已知声速v=344m/s(20℃时),显然,直接用秒表测时间是不现实的。

因此,实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法,才能获得实用的测长精度。对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前沿的检测。检测脉冲计数法:脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。本文采用的是脉冲检测计数法。这种方法实现起来较包络检测方便,电路实现简单,精度也较高。实现的方法是当回波信号经放大处理后,进入比较器,调整好合适的阈值在比较器的输出端就会产生40k Hz的方波。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲,便于测量出发射到接收到脉冲的时间。

2 超声测距系统的总体方案

发射电压从理论上说是越高越好,因为对同一只发射传感器而言,电压越高,发射的超声功率就越大,这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大,对于接收电路的设计就相对简单一些。但是,每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值,即当工作电压超过了这个极限值之后,会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。

发射部分的点脉冲电压很高,但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏,要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。最终达到对回波进行放大检测,产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

3 超声测距系统的硬件

3.1 发射电路(1)发射波形

发射部分用单片机控制产生40KHz的方波,然后加以驱动。

如图二所示波形是PWM波形经过三极管放大后发生轻微变化,之后送至发射传感器发射的信号波形,理论上说该信号是稳定无变化的。为使传感器充分震荡,发射脉宽不可以过小,一般来说我们选择40KHz的方波信号,但是实际情况是我们可以得到频率为39KHz到40KHz之间的信号。

(2)发射电压

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度,综合各种损耗的因素,包括往返传播损失、声波传输损失、声波反射损失、环境噪声损失等。在发射端电源处极其容易产生干扰,可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图三所示。

3.2 接收放大部分

接收放大单元的作用是对有用的信号进行放大,并抑制其它的噪声和干扰,从而达到最大信噪比,以利检测单元的正确检测。超声波回波经超声波接收传感器,电容隔直滤波,一级放大,二级放大后,在解码器的输出端有信号时将得到低电平进入单片机以产生中断用于计时。

在传感器接收到的信号中,除了障碍物反射的回波外,总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段,远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定,其功率谱宽度远大于接收机的通频带。而且内部会产生一个与有用信号频率基本相同,只有幅值不同的信号,可以使用一些特殊的电路将其隔离。

3.3 检测单元

接收信号放大到2V左右时,就可以进行信号检测。信号检测的目的是确定接收信号的到达时间,这是整个电路中一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度,还关系到整个系统是否能正常工作。

检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚。通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平。以零电平作为比较电平是行不通的,因为放大后的信号中含有一定幅值的噪声,这样一来,即使没有接收信号,也会造成比较器反复触发,从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平,这样做可以削除一般噪声的影响,而且比较电平固定,可以实现对电路信号的准确检测。

3.4 显示单元

显示器是一个典型的输出设备,而且其应用是极为广泛的,几乎所有的电子产品都要使用显示器,其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管,给出一个简单的开关量信息,而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。

3.5 声速校正

要想通过测量超声波传播时间确定距离,声速C必须恒定,实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下,由于大气压力变化很小,因此传播速度主要考虑温度的影响。对一定介质,通常采用对温度进行修正的方法,可以测得比较准确的距离。通过对温度修正来校正声速的方法,即用测温元件测量实际环境,根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速,再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可由下面近似公式(2)表示:

3.6 干扰问题及其解决方法

这里的干扰主要外界高频噪声及电源等对信号产生的干扰,由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似,因此在这段时间里不容易检测出回波信号。

针对高频噪声和电源干扰,可以通过选择合适的元器件,加之滤波电路就可以消除干扰,对接收部分的信号放大处理也可以采用隔离抗干扰技术。这样的处理可以很好的消除干扰。

4 系统软件

在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后,系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据以上所述系统硬件设计和所完成功能,系统软件需要实现以下功能:

(1)信号控制

在系统硬件中,己经完成了发射电路、回波接收电路、接收信号显示的设计。在系统软件中,要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出以及信号处理后的显示等。

(2)数据存储

为了得到发射信号与接收回波间的时间差,要读出此刻计数器的计数值,然后存储在RAM中,而且每次发射周期的开始,需要对计数器清零,以备后续处理。

(3)信号处理

RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出,因为计数值与实际的距离值之间转换公式为:

其中,T为发射信号到接收之间经历的时间,Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率,N为计数器的值。在这个部分中,信号处理包括计数值与距离值换算,二进制与十进制转换。

(4)数据传输与显示

经软件处理得到的距离送到四位LED显示。

由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的,因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后,原始数据经计数值与距离值换算子程序,二进制与十进制转换子程序后显示输出。

整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。

摘要：本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离,并且描述了系统研制的理论基础。文章概述了超声检测的发展及基本原理,介绍超声传感器的原理及特性,并且在介绍超声测距系统的基础上,提出了系统的总体构成。

关键词：超声波,单片机

参考文献

[1]超声波探伤编写组编著.超声波探伤[M].北京:电力工业出版社,1980.

[2]王纯正.超声学[M].北京:人民卫生出版社,1993.

[3]中国无损检测学会编译.超声波探伤[M].北京:机械工业出版社,1987.

[4]同济大学声学研究室.超声工业测量技术[M].上海:上海人民出版社,1977.

超声波测距系统 篇2

超声波测距系统

总结报告

自03 胡效赫 2010012351

自03 胡效赫 2010012351

一、课题内容及分析

首先根据课程所给的几个题目进行选择，由于自己最近在做电子 设计大赛的平台设计，希望对超声波测距在定位方面应用有更详尽的了解，所以选择课题三——超声波测距作为课程设计，内容如下：

对课题进行分析：实验提供超声波传感器T40-16和R40-16，利用面包板和小规模芯片搭接电路，实现距离的测量及显示。大致思路即驱动发射端发出超声波，接收端收到返回的脉冲进行处理与计算得到测量距离并通过数码管和蜂鸣器显示。

二、方案比较与选择

由于超声波测距方案原理基本相同，只要能够检测出发射到接收的时间，并通过相应计算就可以得到所测距离。所以问题大致分为驱自03 胡效赫 2010012351 动发射端、接收端检测、间隔时间计算与计算结果显示四部分。具体的方案设计如下：

闸门脉冲源产生基准宽度为T 的闸门脉冲，该脉冲一方面控制计数电路的计数启动和并产生计数器清零脉冲，使计数器从零开始对标准脉冲源输出的时钟脉冲（频率为17KHz）计数。同时开启控制门，超声波振荡器输出的40kHz脉冲信号通过控制门，放大后送至超声波换能器，由发射探头转换成声波发射出去。该超声波经过一定的传播时间，达到目标并反射回来，被超声波换能器的接收探头接收变成电信号，经放大、滤波、电压比较和电平转换后，还原成方波。图中的脉冲前沿检测电路检测出第一个脉冲的前沿，输出控制信号关闭计数器，使计数器停止计数。则计数器的计数值反映了超声波从发射到接收所经历的时间（或距离）。

自03 胡效赫 2010012351

三、模块化设计及参数估算

1、闸门控制模块  设计思路

555振荡电路产生频率为2Hz的脉冲，作为闸门脉冲源。RC微分电路将输出的2Hz脉冲进行微分运算产生脉冲信号，作为计数启动和计数清零的信号，分别控制D触发器的置高端和74LS90的清零端。 参数设计：

555振荡电路T =(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取4.7kΩ，R2接入10kΩ滑动变阻器，最后实测7.51kΩ，C取47uF。RC微分电路R为1kΩ，C为4.7nF

2、超声波发生模块  设计思路

555振荡电路产生频率为40kHz的脉冲，作为驱动超声波发射端 自03 胡效赫 2010012351 的基础脉冲信号。

同时由2Hz闸门信号作为门控（高电平有效）。

再利用电压比较器，对555脉冲信号进行整形，而后输出。 参数设计

555振荡电路T =(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取2kΩ，R2接入 1kΩ滑动变阻器，最后实测440Ω，C取10nF。

3、超声波接收模块  设计思路

电压放大电路，利用LF347放大超声接收端信号

电压比较电路，利用电阻分压设计阈值电压VREF，当没有接收到信

号时V-大于V+,输出为负，当接收到信号时V-小于V+,输出为正。稳压电路，电压比较器输出端接1kΩ电阻，反接5V稳压管接地，自03 胡效赫 2010012351 使没有信号即输出为负时，输出-0.7V电平，有信号即输出为正时，输出5V电平。 参数设计

放大电路电阻值为1kΩ和750kΩ，放大倍数为750。

电压比较器VREF由100kΩ电阻和100kΩ的滑动变阻器分压决定，最终滑动变阻器阻值取为5.68kΩ，VREF取值大致为-0.6V。

4、计数控制模块  设计思路

计数控制模块由，计数启动和计数停止控制组成。由D触发器进行实现 当计数开始时闸门信号的微分电路给出低电平脉冲将Q置高，计数信号有效。而接收到回波后，接收信号由低变自03 胡效赫 2010012351 高，CLK产生上升沿将Q置低，计数信号关闭。

5、计数模块  设计思路

555振荡电路产生17kHz的脉冲型号用来计数 三个74LS90级联，采用十进制接法计数，分别对应米、分米、厘米。

计数信号控制源由计数控制模块的D触发器的Q信号给出 计数信号清零源由闸门控制信号的微分模块经由缓冲器后给出高脉冲清零。 参数设计

555振荡电路T =(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取5.1kΩ，R2接入

47kΩ滑动变阻器，最后实测18.98kΩ，C取2.2nF。

6、报警模块  设计思路

令A[4]，B[4]，C[4]分别对应米、分米、厘米，同时当模块计数时报 警应该无效，设D触发器输出信号为Q，则 逻辑函数Alarm = A1’A0’B3’B2’B1’Q 自03 胡效赫 2010012351 利用与非、或非及非逻辑运算搭接电路

四、实验电路总图

1、电路原理图

自03 胡效赫 2010012351

2、时序图

3、面包板布局

五、实验结果与实验中出现的问题分析

1、实验结果 结果：基本要求及提高要求全部完成。其中四个地方用到了滑动变阻器分别是三个555的脉冲源（产生2Hz、17kHz和40kHz的方波）和接收模块的电压比较器阈值电压VREF的确定。调试结果的各自03 胡效赫 2010012351 阻值已在模块设计中标明。

2、实验中出现的问题及分析

A．微分电路输出信号的检查

开始分模块调试时，不会测量微分电路输出的脉冲信号，然后不能确定问题出现在下级还是本级。经过老师的提示，只要把示波器显示的波形调到最粗最亮，调成相应扫描速度，可以看到面板上有亮点间歇显示。从而验证微分电路输出信号无误，并且幅值正确。

B．数码管显示不稳定

数码管显示不稳定，多数原因是由于数字电路与模拟电路相互干扰，计数器中混有杂波和高频信号。用示波器测量计数电路的74LS90的信号，发现有17kHz的杂波。首先将模拟地和数字地分开将555振荡电路的地直接由引线接到学习机上，而后数码管开始显示，但仍不太稳定。再在VCC和GND之间跨接0.1uF的电容滤掉杂波。之后数码管稳定显示。

C．信号输出不正确

D触发器输出电平Q在未接受到信号时应该是低电平，但始终是高电平。开始时不确定前级各模块的正确与否，有些停滞，之后确定前级信号正确，D触发器接线正确，而输出信号不对，则一定芯片的问题。换了芯片之后，输出正常。

六、收获、体会和建议

1、收获与体会 本次实验充分体会电路模块设计与调试的过程，对于设计电路和自03 胡效赫 2010012351 测试电路的能力有了更一步的提升。首先，搭接与调试电路时，应该本着自顶向下逐步求精的原则，在理解原理并确定原理正确之后，先对于面包板的布局进行规划，把相应的芯片测试后，插到相应部分，保证后面搭接时方便并且思路清晰。然后，按分模块逐级搭接调试的原则测试电路，保证了每一级的输入信号都是正确的后，如果输出不正确，去检查接线，接线正确后检查芯片是否正常工作。最后，发现信号干扰问题，尝试用滤波，分离数字地和模拟地，以及简单的搭接电容的方法，解决干扰。依照上述方法调试电路，保持一颗正常心态，可以高效并且正确的完成问题。

2、建议 由于整个实验过程中只需要，测量接收波形的上升沿，所以对于模拟电路中波形整形处理部分现对简单。现提出以下课程建议： 建议老师将提高要求的测量距离改为高于3m，这样同学们利用波形放大然后与阈值电压比较的方法就不能实现了，因为相应的杂波干扰也会随之放大，冲过阈值电压，影响结果。所以此时同学应该使用选频电路选出40kHz的波形，控制后面的计数模块，对于模拟电路部分会有更高的锻炼。

附工作日志

8月21日 自03 胡效赫 2010012351 经过周末的预习，查找了关于超声传感器的原理知识和超声测距的相关内容。分析了超声测距的实现方案，并将电路分为各个模块实现，每个模块进行了相应仿真（但有些仿真结果不理想，待硬件实测）。

本日上午首先针对超声测距系统方案中的几个模块与同学进行了讨论，包括方波频率的选择与实现，闸门信号的实现与清零，以及面包板的布局合理性。

而后首先搭接了三个555方波发生器。上午只搭接测试出了，40kHz的方波 本日下午再次对于板子的规划进行思考，并大致划分了区域，把相应用到的芯片放到了相应的位置。然后搭接测试出了2Hz方波。分别测试两种方波的频率均很稳定，效果不错。而后开始搭接超声发射模块的实现，将两种频率的方波进行逻辑运算，经由LS00，信号传至运算放大器LF347，将信号与2.5V电压值进行比较，得到最终的大约0.5s驱动一次超声波发射器的效果。

但是遇到的问题是，当2Hz和40kHz的方波共同输入到LS00中时，对2Hz的方波进行测量，示波器显示的频率很难稳定下来，发现混有杂波，可能是40kHz的杂波，也可能是交流成分。进行了各种测试，重新退到上一步骤，检查芯片的问题，等等。但是问题并没解决，后来怀疑是示波器测量可能不是很准。直接测量最终运放发射的信号，发现效果正常。问题解决。

而后进行超声接收信号接收处理的部分电路的搭接，以及触发器电路的搭接。之后搭出17kHz的脉冲源后，下课。

晚上又把数码显示和蜂鸣器部分搭出来了，明天分模块测试。8月22日

由于昨天已经把各个模块全部搭好，今天开始分模块测试和模块的联调测试。今天下来调试结果：

超声波发射模块调试通过正常运行，并且接收模块可以接收到相应信号，在示波器上显示相应波形。40kHz的555脉冲源正常，2Hz的555脉冲源正常，经过LS00运算后，到LF347正常驱动T40-16，而相应的R40-16接收到反射的超声波信号后，产生较大幅值的波形（较之原有的干扰信号），可以通过放大，与阈值电压比较后得到相应的脉冲信号（没有接收到信号时，信号为0，大于阈值电压，最终输出低电平信号-0.7V；接收到信号后，信号为负，小于阈值电压，最终由于稳压管稳压后输出高电平5V）。即，当调整出较好的阈值电压后接收到超声信号后会产生相应的上升沿信号。

对于闸门信号的作用部分，由74LS74双上升沿D触发器来完成。对2Hz脉冲信号进行微分运算，上升沿时给出正脉冲，经由40106COMS施密特反相器可以得到一直是高电平闸门信号时给出低电平和一直是低电平闸门信号时给出高电平的信号。将LS74的置高端接前者信号，给出低电平脉冲时D触发器被置高，而只有CLK信号给出上升沿后才能将D触发器置低。

！！但是输入信号都测出来了，输出不对哎有木有 所以明天LS74是重点哎有木有！！

而后是计数器显示模块，需要有17kHz的555脉冲源，搞定。与经由闸门信号控制锁存后的Q输出端进行逻辑运算（LS00），结果输出到LS90中进行计数并在数码管中显示。同时从计数的信号端中做组合逻辑实现低于0.2m时报警。同时计数器的清零信号由闸门信号微分运算后COMS施密特反相器整形后得到。

开始没有产生555脉冲信号的时候，将CLK和CLR用学习机模拟，效果很好，接上555后发现数码管不稳，有木有！！

模拟地和数字有干扰有木有！！想办法有木有！！自03 胡效赫 2010012351 数电电子技术实验考核的时候就有这个问题木有解决，明天上午一定要解决有木有！！

8月23日

超声波测距装置的研究和设计 篇3

摘 要 利用超声波测量距离具有原理简单、抗干扰能力强等优点，因此超声波测距装置也具备了结构简单，工作情况稳定的优势，被广泛采用。本文通过对其工作原理的介绍和设计实例的分析，介绍了超声波测距装置的基本构造和工作过程。

关键词 基本原理 装置特征 装置设计

一、超声波测距装置的研究

1．装置的应用和基本原理

利用超声波进行距离测量的主要是发挥其受外界干扰较小的优势，而且传感器的结构相对简单，成本不高。在测量的过程中传输的声频不高，便于接收元件识别和计算。因此在机器人研制、车辆辅助系统、测量测绘等方面得到了广泛的应用。而且电子技术的发展让新型的电气元件和传统的超声波理论有机的结合起来，拓展了该技术领域的空间。目前超声波测距装置主要利用的是陶瓷超声波能量转器，作为固体超声波发生装置，发生超声波的频率为40kHz的固定频率，利用先进的单机芯片负责声波的收发，从而计算发射和接收的微量时间差测算出目标距离，这就是超声波测距的原理。

2．超声波测距装置特征

从理论上看，超声波发生装置的电压越高效果越好，这是因就同一个发生系统来看，电压越高其发出的超声波功率也就越大，这样在接收装置上接到的回波功率也就越高，测量也就越准确。但是在实际的应用过程中，设备的应用的工作电压是不可能超过一个极限的，如果超负荷运行就会对装置造成不可修复的损伤。因此在实际的工作中发射模块所产生的脉冲电压是相对的高，而不能无限的放大。基于这样的条件限制，在发射部分的电脉冲信号发出后，由物体反射回的信号当然也就受到一定的限制，其引起的压电晶片产生的电压当然也就较低，而且在其中还会混入一些环境因素导致的杂波，让装置出现错误。所以，在超声波测距装置的设计过程中需要着重研究系统对回收信号的处理，除了需要必要的放大外，也需要进行过滤，要达到芯片能够处理的强度。

二、超声波测距装置的设计

超声波装置的设计因为采用的元件有所差异，其设计的思路也不尽相同，但是其工作的原理、装置组成、工作过程是基本一致的，因此下面选择一种设计方式进行简要的介绍。

1．装置单机芯片功能选择

一般的超声波测距装置主要的系统构成为发射、接收放大、温度测量、数据处理这四个模块，以满足其功能实现。本例中采用的是低电压高性能的单机芯片，具备可编程存储器。这一款单机芯片由Atmel公司出品，可以完全与工业用80C51产品进行兼容，指令和脚本没有冲突。芯片的可编程存储器完全可以适应各种装置的设计需求，满足应用功能。

2．装置的发射电路设计

在超声波装置的应用过程中，理论认为40kHz的超声信号是理想频率。因此在利用555电路的时候电路产生的40kHz的超声波，其振荡可以利用公式：f≈1.43÷（（R1+2×R2）×C1）进行计算，其中R2采用的是可调节电阻，主要是为了实现转换频率的一致性。在设计的过程中R1、R2、C1这三个参数的选取可以利用软件进行选取，最后进行测试以保证准确。而且为了能够保证555的驱动能力装置采用了12伏电源进行供电。工作中555电路产生的40kHz方波通过元件调整，让超声波换能器发出超声波，而且在过程中利用单机芯片通过555的高低电平来实现超声波的发射控制。

3．回波接收的电路设计

装置的设计关键就在于对回波的处理，因为反射回来的声波信号十分的微弱，因此必须经过放大电路的放大，才能保证识别和计算。装置接收到声波信号后，先经过电容的耦合，然后加载到预算放大器上进行两级放大，这里可以采用NE5532，这不仅是因为回波的频带宽，噪声低，更是为了其共模抑制大，电源电压抑制小，因此偏置电压小。而且工作的性能较好，价格合理。在这里实现的两级放大分别为100倍，得到的最终信号放大了10000倍。放大的信号采用电子元件进行比较和调整，通过电阻对其进行调节已选择不同的比较电压，达到对测量距离的调整。

4．装置的温度补偿设计

超声波在传播的过程中可以对其产生影响的因素包括湿度、压力、温度，实践证明温度对其影响最大。因此在超声波测距装置的设计中应当加入必须的温度补偿模块，以保证装置的适应性。在这里应用的是根据超声波的特性总结出的经验公式：V=331.5+0.607T以此作为测距中波速的补偿，V是实际速度，T为温度。一般的装置都会采用数字温度传感器来采集现场温度，并对波速进行补偿。其中如：DS18B20的应用，它是一总线器件，不需要其他调理电路，就能和单片机直接相连。工作过程是，通过DS18B20单片机可以实时采集温度值，在进行测量时将温度补偿给波速，保证单机芯片计算出该温度下的超声波速度。

三、结束语

目前超声波测距装置在电子技术的支持下，已经实现了集成化的控制。设计中利用电机芯片作为控制核心，通过简单的编程保证各部元件的相互配合，已经成为了设计的主要思路和方向。这能够让超声波测距装置更为简单小巧，应用范围也不断扩展。

参考文献：

超声波测距系统 篇4

超声波作为一种检测技术, 采用的是非接触式测量, 此特点可使测量仪器不受被测介质的影响[1,2]。这就大大解决了在粉尘多情况下, 给人类引起的身体接触伤害, 腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀, 触点接触不良造成的误测情况。且对被测元件无磨损, 使测量仪器牢固耐用, 使用寿命加长, 而且还降低了能量消耗, 节省人力和劳动的强度。无论从精度还是从可靠性方面, 超声波测距做得都比较好[3,4]。利用超声波检测即迅速, 方便, 计算简单, 又易于做到实时控制, 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求, 具有广泛的发展前景。

这些年来, 随着超声波技术研究的不断深入, 超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海等工业领域。目前国内专用超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度[5,6,7,8]。

1 超声波测距原理

本硬件设计采用超声波往返时间检测法, 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, 即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘, 就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半, 即:

在上式中, L为待测距离, v为超声波的声速, t为往返时间。由下式计算测量误差;

式中, σL为测距误差, v为声速, σ△t为时间测量误差, σv为声速误差。

2 超声波测距系统的硬件设计

发射电压从理论上来说是越高越好, 因为对同一只发射传感器而言, 电压越高, 发射的超声波功率就越大, 这样能够在接受传感器上接收的回波功率就比较大, 对于接收电路的设计就相对简单一点。但是, 每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值, 会对传感器的内部电路造成不可恢复的伤害。

发射部分的点脉冲电压很高, 但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏, 要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度, 最终达到对回波进行放大检测, 产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

2.1 发射部 分

(1) 发射波形

发射部分用单片机产生40k Hz的方波, 然后加以驱动。波形经过放大后发生轻微变化后送至发射传感器发射出的信号, 理论上是稳定变化的, 为使传感器充分震荡, 发射脉宽不可以过小, 一般来说我们选择40k Hz的方波信号, 但是实际情况是我们可以得到频率为39k Hz到40k Hz之间的信号。

(2) 发射电压

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收器的灵敏度。在发射端电源处极其容易产生干扰, 可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图2所示。

2.2 接收部分

在传感器接收的信号中, 除了障碍物反射的回波外, 总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段, 远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪音决定, 其功率谱宽度远大于接收机的通频带, 而且内部会产生一个有用信号频率基本相同, 只有辐值不同的信号, 可以使用一些特殊的电路将其隔离。接收电路如图3所示。

2.3 检 测单 元

接收信号放大到2V左右时, 就可以进行信号检测, 信号检测的目的是确定接收信号的到达时间, 这是整个电路一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度, 还关系到整个系统是否能正常工作。

检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚, 通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平, 以零电作为比较电平是行不通的。这样一来, 即使没有接收信号, 也会造成比较器反复触发, 从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平, 这样就可以消除一般噪声的影响, 而且比较电平固定, 可以实现对电路信号的准确检测。

2.4 显示单 元

显示器是一个典型的输出设备, 而且其应用是极为广泛的, 几乎所有的电子产品都要用到显示器, 其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管, 给出一个简单的开关量信息。

2.5 声速校 正

要想通过测量超声波传播时间确定距离, 声速C必须恒定。实际上, 声速随着介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下, 由于大气压力变化比较小, 因此传播速度主要考虑温度的影响。通过温度修正, 即根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速, 再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可以用公式 (3) 表示。

2.6 干扰问题的解决方法

干扰主要是外界高频噪音及电源等对信号产生的干扰。由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似, 因此不容易检测出回波信号。针对这样的干扰信号, 可以通过选择合适的元器件, 加之滤波电路就可以消除干扰。

3 超声波测距系统的软件设计

3.1 信号控制

在系统软件中, 要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出信号处理后的显示等。

3.2 数 据存 储

为了得到发射信号与接收回波间的时间差, 要读出此刻计数器的数值, 然后存储在RAM中, 而且每次发射周期的开始, 需要计数器清零, 以备后续处理。

3.3 信 号处 理

用超声频脉冲激励超声波探头, 使之向外界辐射超声波, 并接收从被测物体反射回来的超声波 (简称回波) , 通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段t (称为射程时间) , 然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离L, 即

式中, C为空气介质中声波的传播速度。

由式 (4) 可知, 当传播介质的温度发生变化时, 声的传播速度。也随之改变。因此, 在超声波测距仪中均内置温度探头, 用于实时检测声传播介质的温度, 以补偿环境温度变化对测距精度的影响。为了改善超声波测距系统的性能, 仅仅从系统的硬件入手是不够的, 还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。

在此超声波测距仪的设计中, RAM中存储的计数值不能作为距离值直接显示输出, 因为计数值与实际的距离值之间的转换公式。

其中, t为发射信号到接收信号之间经历的时间, Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率, N为计数器的值。

3.4 数据输出与显示

经软件处理得到距离传送的四位LED显示。

由于距离值的得到及显示是中断子程序中完成的, 因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待, 在中断响应的之后, 原始数据经计数值与距离值换算子程序, 二进制与十进制转换后显示输出。

整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。

3.5 超声波测距系统软件流程图

4 结论

基于时差测距原理设计了8051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系统, 给出了原理框图和硬件各部分的实现, 并进行了软件设计。在本设计方案中还存在着一些不足, 例如环境温度的变化将影响超声波在媒质中的传播速度受温度影响造成的误差无法消除。

摘要：超声波测距技术在社会生活中己有广泛的应用, 超声波测距传感器在车辆避障与安全预警系统、车辆自动导航和现场机器人等专题中具有广阔的应用前景。本文根据超声波特征及测距原理, 完成了一款以单片机为核心的基于时差测距原理的一种超声波测距系统的软硬件设计。

关键词：超声波,距离测量,单片机

参考文献

[1]卜英勇, 王纪婵, 赵海鸣, 等.基于单片机的高精度超声波测距系统[J].仪表技术与传感器, 2007, 3:66-68

[2]马大猷.现代声学理论基础[M].北京:科学出版社, 2004.

[3]曹建海, 路长厚, 韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感器, 2004 (1) :39-40.

超声波测距方案流程图 篇5

距离显示LED发射电路缓冲器高频振荡器接受电路放大器比较器单片机声光报警模块定时器

该方案采用超声波测距系统，超声波的优点如下：

超声波指向性强，能量消耗缓慢。在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量

(1)超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高。

(2)超声波对色彩，光照度不敏感，适于识别透明，半透明及漫反射性差的物体，如玻璃，抛光体等。

(3)超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗，灰尘，烟雾，电磁干扰强，有毒等恶劣环境中。

(4)超声波传感器体积小，设备简单，易于做到实时控制，硬件容易实现，信息处理简单，易于小型化和集成化。

(5)超声波传感器的价格低廉，并且在测量距离，测量精度等方面能达到工业实用要求，因此超声波作为非接触检测识别手段，在汽车，飞机的防撞系统方面得到广泛应用，越来越引起人们的重视，并得到较深的研究。

※单片机型号选用AT89S51 T89S51是89c51的升级版本，89SXX可以向下兼容89CXX等51系列芯片。其区别如下： 1、89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。

2、新增加很多功能，性能有了较大提升。3、89s51有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要4～5V即可。

4、最高工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率是24M。5、89s51具有双工UART串行通道。6、89s51内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。7、89s51带有双数据指示器。8、89s51带有电源关闭标识。9、89s51带有全新的加密算法，这使得对于89S51的破解变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

10、电源范围：89S5*电源范围宽达4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常工作。

11、烧写寿命更长：89S5*标称的1000次，实际最少是1000次～10000次，这样更有利初学者反复烧写，减低学习成本。

※

超声波测距系统 篇6

关键词 声波;测距;实验设计

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）24-0151-02

Design of Acoustic Distance Measurement based on Correlation Method//Umut Yunus， Mijit Ablimit， Kurban Ubul

Abstract Experimental teaching is important for electronic and information majors. Through the theory combined with the application， we can greatly improve the student’s interest in learning， and to deepen the understanding of theoretical knowledge. Here， we design an acoustic distance measurement experiment based on correlation method by using computer， amplifier and microphone. Also， introduce the experimental design and commissioning process. This experiment not only can meet the need of teaching but also can be used in simple exploit.

Key words acoustic; distance measurement; experimental design

在电子信息专业的教学过程中，经常遇到互相关计算的概念。互相关函数在工程中具有重要的应用价值，主要应用在定位、测速、同步等领域[1-3]。在讲到相关计算时，经常举例说明相关计算在雷达监测[1]、GPS定位系统中的应用[4]，发现学生对这些应用很感兴趣。但是，因为没有实验，教学只限于书本和黑板。在教学过程中提高学生对特定问题的兴趣是非常重要的。如果学生能通过一些生动的实验接触到实际应用，他们就不会觉得书本上学到的那些理论知识是没有用的，还可以让他们更加积极地思考，提高他们的创新能力。本文提出通过相关计算设计的声波测距实验，让学生动手操作，理解相关计算及测距原理。

1 系统结构

测距系统结构如图1所示。先利用计算机产生chirp信号，再通过声卡将信号送到扬声器。扬声器设在需要检测距离的目标物体的正前方，负责将声波信号发射到空间中。同时，在此位置设置麦克风来接收反射信号。任何一种波都具有反射、折射、衍射等特性。波在两种介质的分界面上发生反射的同时，另一部分入射波从一种介质透入另一种介质。基于对波的基本认识，当声波在空间传播中遇到障碍物时，会产生反射信号。在此实验中，试图利用声波在目标物体的反射信号来计算距离。

2 测距原理

首先，利用计算机Matlab编程环境，产生如下的线性调频信号（chirp信号）：

s（t）=Asin（2πf0t+πkt2）    （1）

选择线性调频波是因为它具有非常好的相关特性。式（1）中，A是信号振幅，f0是最低频率，k是频率增加率，t是时间。 为了更好地理解，给出chirp信号的波形，如图2所示。从图2（a）可以看到chirp信号的瞬时频率随时间进行线性变化。图2（b）所示的是chirp信号的波形。下一步，通过计算机的声卡将此chirp信号送入扬声器，并用扬声器发射到空间。然后，在同样位置，利用麦克风接收来自目标物体的反射信号，并将数据送入计算机。最终，通过计算机对接收信号和发射信号进行相关运算，可得到很窄又很尖的压缩脉冲波。压缩波的脉冲最大值出现的时间点代表的是反射信号相对于发射信号的延迟时间。互相关计算可以通过如下计算实现：

（2）

式（2）中，R（τ）代表的是互相关计算结果，s（t）代表发射信号，s′（t-τ）代表延时为τ的反射信号。如前所述，通过相关计算可以估计延迟时间。然后利用延迟时间、声波的速度，可计算出反射部位离声源的距离。

（3）

式（3）中，S是距离，v是声波在空气中的传播速度，τ是往返时间，也是声波的延迟时间。

声波在不同媒介中的传播速度不同，随着温度的变化，速度也会变化。在空气中声速为：v=331.45+0.61θ。其中，θ是空气的摄氏度。可见，声速v随温度会有一些变化，但是一般情况下，这个变化不大，实际计算时常取v为340米/秒。

在实验中所使用的硬件设备如表1所示。

3 实验结果

将墙壁作为测试距离的目标物体进行实验。下面分别介绍墙壁距离为1.56 m和2.6 m时的实验结果。

图3是测试距离为1.56 m时的相关计算的结果图。图3中，水平轴是时间轴，单位是秒，垂直轴代表相关计算的幅度。波形中第一个尖脉冲是由扬声器发射的信号直接进入麦克风所产生的，称它为直接波;而第二个尖脉冲才是从墙壁表面反射过来的信号产生的。很显然只要计算出两个邻近的尖脉冲之间的时间间隔，便可知道从麦克风到反射物体（墙壁）之间来回的声波所需要的时间。然后，通过声波的速度和反射信号的往返时间，可简单计算出目标距离。图3中两个尖脉冲的水平轴（X轴）值相减后得时间延迟Δt：

Δt=0.077 47-0.068 49=0.008 98（sec）

再通过式（3）计算出距离为：

S=vΔt/2=346*0.008 98/2=1.550 5 m

对实际距离为1.56 m的墙壁进行实验后，测试距离为1.550 5 m，误差仅为0.005 m左右。笔者认为，这个误差是由计算时引用的声波速度的误差导致的。如前所述，声波速度是随温度而变化的，因此可以通过使用精确的声波速度来提高测试精度。

利用相同的方法可以对图4进行计算。对2.6 m的测试结果中，可以计算出距离为2.61 m，测试误差仅为0.01 m。从实验结果可以知道此测距系统是可行的。

4 结语

本文通过计算机、扬声器、麦克风等简单设备，利用相关计算方法设计出一种声波测距实验，并详细介绍了实验设计方法和调试过程。学生可以通过动手实验理解相关计算和测距原理。本文设计的测距系统既可以满足教学要求，又可用于简单的工程研究，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]承德宝.雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2]姜义成.无线电定位原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]王雪松.雷达技术原理和应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4]张凤举，王宝山.“GPS”定位技术[M].北京：煤炭工业出版社，1997.

*致谢：该研究得到新疆大学博士启动基金（BS100119）支持。

超声波测距系统设计 篇7

本系统设计的超声波波测距系统采用PIC16F73作为主控制芯片,首先产生40KHz的方波,驱动超声波发射探头发出超声波。在发波的同时,开启T1定时器,用来记下收到回波的时间。接收部分先对接受到的回波信号两级放大,然后整流成一较平稳的信号,再通过一个比较器将模拟信号转化成数字信号作为有无回波的识别。当单片机接收回波信号时,使用单片机捕捉功能,产生中断,在中断程序中读出T1计数寄存器中的数值即为超声波发射与接收的时间间隔。测得回波的时间,根据声在空气中的传播特性,通过计算S=v*t/2,即可得到障碍物的距离。

1.1 超声波发波电路

超声波的发波部分,首先由软件产生40KHz的方波,经引脚RCO输出,分两路驱动超声波发射探头,一路经一个4011与非门反向,驱动探头之前分别先各由一个9013NPN的三极管做开关,后由4069反向器来增强驱动能力,使超声波发射探头发出40KHz的超声波。

1.2 超声波接收电路

接收部分先对接受到的回波信号放大,然后将信号整流,最后通过一个比较器将模拟信号转化成数字信号作为有无回波的识别信号。

1.3 放大电路

放大电路有两个LM358构成一个两级放大电路,第一级放大约100倍,第二级放大约10倍。

其中C4可除去超声波传感器接收头收到的信号的直流信号,第一级放大其放大倍数为R1/R4=100,第二级放大器放大倍数为R2/R4=10。由于LM358是双电源供电,这里为了使电路的供电系统简单点,在LM358的第3脚输入一个2.5V的电压,来取代器件的双电源供电,从而使器件能正常工作。

1.4 整形、比较电路

由于超声波传感器接收头接收到的信号是一个正弦信号,不便于单片机处理,故在电路上用两个检波二极管和一个电容组成的整流电路将回波信号整形成一平稳的电平,信号经整流后通过LM358构成的一个比较器将模拟信号转化成数字信号,然后与单片机引脚RA5共同经一个4011与非门输出到单片机RC2/CCP1引脚,以产生单片机的中断。其中R10、R1 1构成一个分压电路产生一个比较电压,当回波信号的电压大于此比较电压时,LM358输出一个高电平;当回波信号小于此比较电压时,LM358输出一个低电平。单片机引脚RA5用做信号接收的使能控制,当RA5为高电平时允许接收,当RA5为低电平时,回波信号无效,不允许接收。

1.5 数据传输

当模块将距离测出后,需将数据传输到外围的电路以供应用,此系统采用两种数据传输方式,D/A数据传输和I2C数据传输。

1.6 D/A数据传输

D/A数据传输是利用单片机的PWM输出将测得的距离值转化成电压值输出,使得测得的距离与输出的脉宽调制方波的占空比成正比,PWM波再经整流输出平稳电压,这样就能将测得的距离按一定的线性关系输出,外围电路可使用A/D转换器将数据读取。

1.7 I2C数据传输

I2C要求两条总线线路一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL,每个连接到总线的器件都可以通过一个唯一的地址与主机获得通信。它是一个真正的多主机总线,如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s,快速模式下可达400Kbit/s,高速模式下可达3.4Mbit/s。片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波以保证数据完整。

本系统采用12C数据传输方式,可使得测量距离毫无偏差得传输到外围电路中,避免D/A数据传输过程中的转化误差。

I2C地址的设置使用一个4位的拨码开关,电路如图4.9示。4位的拨码开关最多可识别16个I2C地址,本系统使用前三个开关,提供8个不同的12C地址,8个地址0×BO,0×B2,0×B4,0×B6,0×B8,0×BA,0×BC,0×B E,具体设置由软件实现。

2 超声波波测距系统软件设计

其中初始化中包括I/O口设置、中断系统设置、I2C初始化,CAP初始化,然后发送超声波,开始时按短距离模式发波,发完波开启接收回波,同时开始计时,当有回波信号产生中断时,计时停止,并计算出距离。随后将距离以D/A数据传输的方式输出,最后根据当前的测量结果来选择下次发波的模式。I2C数据传输采用中断实现,测距模块实时响应外围电路中I2C主控器对数据读取的要求。

3 总结

超声波测距已广泛的应用于工业定位检测、移动机器人、汽车防碰撞和海洋捕捞作业等领域。随着信号处理技术和计算机技术的发展,超声波测距的应用范围越来越广,测量精度和响应速度也越来越高。这种测距方法不仅可以避免人为因素带来的影响,而且系统测量精度高,适用性强。

由于测量的过程全都式是电子化,可实时存贮测量结果,并生成自动报表方便技术人员进行质量分析与管理,且容易实现联网,通过联网实现数据共享,技术管理人员不用到生产现场就能及时掌握生产状况,实现品质管理。

基于这些优点,这类非接触的测量方法有着广泛的应用前景。

摘要：超声波作为一种传输信息的媒体，由于其本身的直射性和反射性，以及不易受光照、电磁波等外界因素影响的特性，在探伤、测距、测速等多种领域越来越受到重视。

超声波测距系统设计 篇8

在常温常压下。超声波在理想气体中的传播速度为:

C=√Rrt∕M (m/s) 式中, M为气体的摩尔质量;r为气体的定压比热Cp与定容比热c r之比;R为摩尔气体常数;T为热力学温度。对于一定的气体, r、R、M为定值。由公式可知:声速与热力学温度的平方根成正比。在温度T为273.16K、气压为标准大气压情况下, 空气中声速的实验值为:C0= (331.45±0.05) m/s, 在其他条件保持稳定, 计算不同温度时, 空气中的声速可用下式计算:C=C0√T+T0∕T0 (m/s) , 式中, T0=273.1 6K。在实际测量中, 我们可以根据声速与温度的关系作相应的温度补偿。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。超声测距最常用的是渡越时间检测法。其原理为:超声传感器发射超声波, 在空气中传播至被测物, 经反射后由超声传感器接收反射波, 并转化为电信号, 测量出发射和接收信号之间的时间差t, 即渡越时间。利用, s=vt/2, 即可算得传感器与反射点间的距离s, 测量距离d=√s2- (h∕2) 2, 若s≧h, 则d≈s;如果使发射、接收传感器非常接近时, h≈0, 则d=vt∕2。其中, d为超声波发射器到被测物体之间的距离;v为超声波在媒体中传播的速度;t为从发射超声波到接收到超声波之间的时间差。

2 超声波传感器系统的构成

超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子, 将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外, 用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器, 陶瓷振子接收到超声波产生机械振动, 将其变换为电能量, 作为传感器接收器的输出, 从而对发送的超声波进行检测。

控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无, 作为超声波传感器的控制输出。对于限定范围式超声波传感器, 通过控制距离调整回路的门信号, 可以接收到任意距离的反射波。另外, 通过改变门信号的时间或宽度, 可以自由改变检测物体的范围。

超声波传感器的电源常由外部供电, 一般为直流电压, 电压范围为12~24V, ±10%, 再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。

超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波, 其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子, 但这种方法需要人参与, 因而是不能持久的, 也是不可取的。为此, 在实际中采用电路的方法产生超声波, 根据使用目的的不同来选用其振荡电路。

3 电路的调试

通过多次实验, 对电路各部分进行了测量、调试和分析。首先测试发射电路对信号放大的倍数, 先用信号源给发射电路输入端一个40k Hz的方波信号, 峰-峰值为38V。经过发射电路后, 其信号峰-峰值放大到10V左右。40k Hz的方波驱动器驱动超声波发射头发射超声波, 经反射后由超声波接收头接收到40k Hz的正弦波, 由于声波在空气中传播时衰减, 所以接收到的波形幅值较低, 经接收电路放大, 整形, 最后输出一负跳变, 在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号。该测距电路的40k Hz方波由单片机编程产生, 方波的周期为1/40 ms, 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40k Hz方波。由于12M晶振的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41.6 7 k H z和3 8.4 6 k H z。本系统在编程时选用了后者, 让单片机产生约38.46k Hz的方波。

4 结语

超声波传感器是本系统的核心器件, 单片机是本系统的控制部分。驱动超声波传感器的40k Hz的方波信号, 就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC0 4六反向器, 通过它对单片机产生的方波信号进行放大, 以驱动传感器工作。接收电路采用的是LM741, 通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形, 最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的LE D显示部分采用的是静态扫描方式, 并用单片机软件译码。单片机内部采用C语言编程, 方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。

本设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从20cm到200cm, 测量精度在±2cm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合, 都有很重要的作用。但由于经验不足, 电路硬件、软件部分都有不够完善的地方, 在今后的学习中会进一步改进。

摘要：超声测距是一种传统而实用的非接触测量方法, 和激光、无线电测距方法相比, 具有不受外界光线及电磁场等因素影响的优点, 在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力, 且结构简单、成本低, 因此, 在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了应用。本设计以AT89C51单片机为核心, 发射电路74HC04六反相器, 接收电路LM741, 通过接收到信号放大和整形, 最终输出负脉冲给单片机响应中断, 通过LED静态扫描方式显示出来。本设计测量范围20cm-2m, 误差在2cm左右。

关键词：超声波,单片机,测距

参考文献

[1]牛余朋, 成曙.基于单片机的超声波测距系统[J].太原理工大学学报, 2005, 13 (1) :51-62, 65.

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[3]夏路易.单片机技术基础教程与实践[M].北京:电子工业出版社, 2008:102.

[4]戴曰章, 吴志勇.基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计[J].计量与测试技术, 2005, 32.

超声波测距系统的电路设计 篇9

由于超声波指向性强, 能量消耗缓慢, 在介质中传播的距离较远, 因而超声波经常用于距离的测量, 如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制, 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求, 因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

为了使移动机器人能自动避障行走, 就必须装备测距系统, 以使其及时获取距障碍物的距离信息 (距离和方向) 。本文所介绍的三方向 (前、左、右) 超声波测距系统, 就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

2 超声波测距原理

2.1 超声波发生器

为了研究和利用超声波, 人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲, 超声波发生器可以分为两大类: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。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同, 因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2.2 压电式超声波发生器原理

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示, 它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号, 其频率等于压电晶片的固有振荡频率时, 压电晶片将会发生共振, 并带动共振板振动, 便产生超声波。反之, 如果两电极间未外加电压, 当共振板接收到超声波时, 将压迫压电晶片作振动, 将机械能转换为电信号, 这时它就成为超声波接收器了。

2.3 超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波, 在发射时刻的同时开始计时, 超声波在空气中传播, 途中碰到障碍物就立即返回来, 超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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=340t/2。

3 超声波测距系统的电路设计

本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时, 单片机选用8751, 经济易用, 且片内有4K的ROM, 便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图, 左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同, 故省略之。

3.1 40kHz脉冲的产生与超声波发射

测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器, 它的工作电压是40kHz的脉冲信号, 这由单片机执行下面程序来产生。

前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口, 单片机执行上面的程序后, 在P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号, 经过三极管T放大, 驱动超声波发射头UCM40T, 发出40kHz的脉冲超声波, 且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口, 工作原理与前方测距电路相同。

3.2 超声波的接收与处理

接收头采用与发射头配对的UCM40R, 将超声波调制脉冲变为交变电压信号, 经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567, 内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3, 电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上, 则LM567输入信号大于25mV, 输出端8脚由高电平跃变为低电平, 作为中断请求信号, 送至单片机处理。

前方测距电路的输出端接单片机INT0端口, 中断优先级最高, 左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口, 同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端, 中断源的识别由程序查询来处理, 中断优先级为先右后左。部分源程序如下:

4 本设计基于汇编语言编程, 其软件设计思路如下:

超声波测距仪的算法设计:

超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号, 当这个超声波遇到被测物体后反射回来, 就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间, 就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为:

其中, d为被测物与测距仪的距离, s为声波的来回的路程, c为声速, t为声波来回所用的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0, 利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时, 接收电路输出端产生一个负跳变, 在INT0或INT1端产生一个中断请求信号, 单片机响应外部中断请求, 执行外部中断服务子程序, 读取时间差, 计算距离。其部分源程序如下:

5 结论

汽车超声波测距防撞报警系统设计 篇10

1 硬件电路设计

本系统硬件电路部分由A T89S51单片机控制器的电源电路、按键电路、超声波发射电路、超声波接收电路、H C -SR 04测距模块、液晶显示电路组成。

51系列单片机的最大优点就是高度灵活和低成本。充分利用其片内资源, 即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

本系统采用的是A T89S51单片机, 下面简单的来介绍一下该单片机各引脚功能:

V C C:电源端。工作电源和编程校验 +5V;V SS:接地端。X TA L1与X TA L2分别作用系统时钟的反相放大器输入端和输出端。A LEA LE/PR O G:A LE为地址锁存器允许信号。R ESET:A T89S51的重置引脚。EA /V pp:访问外部程序的控制信号。

PSEN:外部程序存储器R O M的读选通信号。P0口 (P0.0~P0.7) :是一个8位漏极开路型双向I/O口。P1口 (P1.0~P1.7) :是一个内部带提升电阻的准双向I/O端口。P2口 (P2.0~P2.7) :是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O端口。P3口 (P3.0~P3.7) :是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O端口。

这里介绍一下P3口8个引脚各自的第二功能:P3.0:R X, 串行口输入。P3.1:TX D, 串行口输出。P3.2:IN T0, 外部中断0输入。P3.3:IN T1, 外部中断1输入。P3.4:T0, 定时器 / 计数器的外部输入。P3.5:T1, 定时器 / 计数器的外部输入。P3.6:W R:片外数据存储器写选通控制输出。P3.7:R D, 片外数据存储器读选通控制输出。

各端口的负载能力:P0口的每一位能驱动8个LSTTL门输入端, P1-P3口的每一位能驱动3个LSTTL门输入端。

集成电路是一款专门用于接受红外线信号的芯片, 比较常见的就是用于电视机遥控器的红外线接收器。红外遥控常用的载波频率为38~40k H z, 而本实验中使用的测距的超声波频率40~42k H z, 两者较为接近, 所以可以选取它来制作超声波检测接收电路。通过实验证明用接收超声波 (无信号时输出高电平) , 具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。另外, 如果适当的增大或减小电容C 4, 便可以达到改变接收电路的灵敏度和抗干扰效果。

2 软件设计

本系统内部软件重要的参数为安全距离, 这也是设计汽车防撞报警系统的意义所在, 提醒用户保持一个安全距离。

本系统采用C语言编写程序, 在软件Keil_C 51上编译仿真, 超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。

主程序的流程为:完成单片机初始化工作、定子中断子程序、各路超声波发射是否有回波, 有回波则继续外部中断子程序。

定时中断服务子程序完成定时器初始化, 三方向超声波的轮流发射, 最后停止发射并返回。

外部中断服务子程序主要完成关外部中断, 读取时间值、计算距离、输出结果, 然后开外部中断最终返回的工作。

主程序首先是对系统环境进行初始化, 设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口0的位0和位1清0。然后用超声波发生子程序发出的一个超声波脉冲, 为了防止超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发, 需要延时后才打开外中断1接收返回的超声波信号。由于已知具时钟振荡器的频率和计数器每计一个数值, 当主程序检测到接收成功的标志位后, 将计数器T0中的数 (即超声波来回所用的时间) 按公式d= (c×t) /2计算, 即可得被测物体与测距仪之间的距离。

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送约为2个频率40k H z左右的方波超声波脉冲信号, 脉冲宽度约为12μs, 同时把计数器T0打开进行计时。由于超声波发生子程序较为容易, 且要求程序运行准确, 所以采用C语言进行编程。

超声波测距仪主程序的超声波信号利用外中断1检测返回, 接收到返回超声波信号后, 立即进入中断程序。进入中断后就迅速关闭计时器T0停止计时, 并将测距成功标志字赋值x。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号, 则定时器T0溢出中断将外中断1关闭, 并将测距成功标志字赋值y以表示此次测距不成功。

3 结束语

汽车防撞报警系统以A T89S51单片机为控制器, 该芯片为一般控制应用的8位单芯片, 晶片内部具时钟振荡器, 要比传统的工作频率高, 外部程序和存数据储器可扩充至64KB, 拥有2条双向输入输出线, 且每条均可以单独做I/O的控制, 8751及8752单芯片具有数据保密的功能且单芯片提供位逻辑运算指令, 功能上来讲要好过于A T89C 51。

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受, 根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法采用反射波方式, 发射波被物体反射回来后接收的反射波方式, 适用于测距仪。

在元件和调试方面, 由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件调试应该不会太难, 元件的数量不是很多。只要电路焊接无误, 稍加调试应该会正常工作。电路中除集成电路外, 对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不同, 可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C 0的大小, 以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来, 则可提高抗干扰能力。

参考文献

[1]谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社, 1999.

超声波测距系统 篇11

1 超声波的概念

正常情况下, 人可以听到的声音频率有一个范围, 即20Hz之上, 20 000Hz以下。其中, 人们常常将20Hz之下的声音频率称为次声波, 而高于20 000Hz的声波频率则被称为超声波, 有时也被称为超声吲。一般情况下, 声波的波形可分为3种形式:纵波、横波和表面波。若超声波发射的方向与其在介质中的传播方向不一样, 那么, 形成的波形也将有所不同。在不同的传播介质中, 会产生不一样的波形, 两者之间有很大的关联。

2 超声波传感器

根据超声波的振动频率较高这一物理特性可以做成各种各样的传感器装置。超声波传感器的核心结构是芯片, 具体的芯片是根据电压激励下的振动特性制成的。机械能在一定的情况下会转化为其他的形式。超声波传感器的应用涉及当代生活中的很多方面, 如在电子产品、医学检测、海底探测、工业生产等。

2.1 超声波传感器的组成

超声波探头主要是由压电晶片组成的。它有许多不同的结构, 例如, 单晶直探头主要由外壳、引线、保护膜、被测件、耦合剂、阻尼吸收块、压电晶体等构成。双晶斜探头只是在单晶直探头的基础上多了一个延迟块和隔离层。斜探头则是在单晶直探头的基础上添加了一个有机玻璃斜视块。

2.2 超声波测距的工作原理

由超声波发射器向空间某一方向发射超声波信号, 而在途中碰到障碍物时, 该超声波信号会被反射, 声波会立即沿着原路径返回。若在超声波发射信号的那一刻开始计时, 到超声波接收器收到反射信号的那一刻立即停止计时, 将该时间差取半, 可以得到超声波走过发射点到障碍物实际距离的时间 (见图1) 。

3 超声波测距系统设计

本次超声波测距硬件系统设计所采用的单片机系统是AT89S52MCS-51单片机, 该器件共有40个引脚, 每个引脚都有着各自不同的作用。同时该单片机也具有很强的兼容性, 其不但可以与其他类型的单片机指令兼容, 还可以与其他类型的单片机引脚兼容。

3.1 超声波的发射电路设计

超声波的发射电路由很多元器件共同组成。其中, 最主要的2部分是74LS04反相器和超声波发射换能器S1。其电路原理如图2所示。

3.2 超声波的接收电路设计

超声波接收电路的设计采用集成电路CX20106A的主要原因是该芯片使用起来比较方便, 电路图较简单, 在后期的调试过程中减少了不必要的麻烦。虽然在使用的过程中有很多优点, 但也有缺点, 即必须保证接收电路接到的信号为40khz。超声波的接收电路原理如图3所示。

3.3 超声波的复位电路设计

对于任何一个单片机, 在使用的过程中都需要复位, 只有这样, 才能保证单片机系统从初始状态开始工作。超声波复位的工作过程是:通电后, 只需在reset输入引脚上接一高电平信号, 就可以使单片机复位 (见图4) 。

4 结论

在超声波测距中, 该程序会采用数码管来显示测距的结果。当超声波发生器发送了超声波脉冲信号后, 立即打开外部中断, 读取时间值并开始计时。当超声波接收器接收到返回的脉冲信号时, 立即停止所有的程序, 提取计数器中显示的次数, 这样就可以得到需要的距离值。

参考文献

[1]兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电子测量技术, 2013 (2) :85-87.

[2]李戈, 孟祥杰, 王晓华, 等.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学, 2011 (4) :60-62.

[3]赵海鸣, 卜英勇, 王纪婵.一种高精度超声波测距系统的研制[J].矿业研究与开发, 2006 (3) :62-65.

[4]沈燕, 高晓蓉, 孙增友, 等.基于单片机的超声波测距仪设计[J].现代电子技术, 2012 (7) :126-129.