毕业论文超声波测距仪

德州职业技术学院高职专业毕业论文

论文题目：超声波测距仪的设计与制作

系部：电子与新能源技术工程系

专业: 应用电子技术（太阳能光电方向）姓名：

学号：201202060153 指导教师：

2014年11月14日

原创声明

本人声明所呈交的论文是在张老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

毕业设计（论文）成果归德州职业技术学院所有。

特此声明。

作者专业：应用电子技术（太阳能光电方向）

作者学号：201202060153

作者签名：

2014年11月14日

目录

摘要 (4)

引言 (6)

第一章绪论 (7)

1.1超声波测量技术的现状及发展趋势 (7)

1.2 选题的目的及意义 (7)

1.3 课题设计的任务和要求 (8)

1.3.1 任务 (8)

1.3.2 要求 (8)

第二章超声波测距仪的整体设计思路 (9)

2.1 超声波的特性 (9)

2.2 超声波测距的基本原理 (10)

2.3 超声波测距仪原理框图 (11)

2.4 超声波传感器 (11)

2.5 压电式超声波发生器原理 (12)

第三章系统的硬件结构设计 (14)

3.1 超声波测距的主控芯片 (15)

3.2 单片机时钟电路 (18)

3.3 单片机复位电路 (18)

3.4 电源电路 (20)

3.5 超声波发射电路 (20)

3.6 超声波接收电路 (21)

3.7 超声波测距注意事项 (22)

第四章系统的软件设计 (23)

4.1 编程语言的选择 (23)

4.2 系统程序流程 (24)

第五章系统调试、数据测量与误差分析 (24)

5.1系统的调试 (25)

5.2 数据测量 (25)

5.3误差分析 (27)

5.3.1误差因素 (27)

5.3.2 温度对超声波测距的影响 (27)

5.4结论 (27)

参考文献 (29)

致谢语 (30)

附录 (31)

摘要

随着社会的发展，人们对距离或长度的测量要求越来越高。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。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。

本文介绍了超声波测距原理和基于AT89C2051单片机的超声波测距系统的组成、硬件结构和软件结构。从实验情况来看，该系统可靠性好、精度高。在设计中兼顾系统性能和器件成本的关系，降低整套系统的成本。该课题实物测量时与被测物体无直接接触，以数字的形式清晰、稳定地显示测量结果，其测量范围为0.25~5.90 m，测量精度为0.01m。

关键词：AT89C2051 超声波测距

Abstract

With the development of society, people distance or increasing the length of the measurement requirements. Since the directivity of the ultrasonic intensity, the energy consumption is slow, propagating in the medium distance, and thus often used in ultrasonic distance measurement. Ultrasonic distance measurement can be performed due to its non-contact measurement and relatively high accuracy, more and more people pay attention.

This article describes the composition, the hardware and software architecture based on ultrasonic distance measurement principle and AT89C2051 microcontroller ultrasonic ranging system. From the experimental point of view, the system reliability, high accuracy. Taking into account the relationship between system performance and device cost in the design, reduce the cost of the entire system. When the object to be measured without direct contact with the physical measurements of the subject, in digital form a clear, stable display measurement results, the measurement range of 0.25 ~ 5.90 m, the measurement accuracy of 0.01m.

Keywords: AT89C2051 Ultrasonic Ranging

引言

超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。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。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。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。

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。

第一章绪论

1.1超声波测量技术的现状及发展趋势。

从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70年代末期开始广泛应用于生产领域。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，因此在工农业生产上到了广泛的应用。随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广。展望未来，超声波测距仪作为一种非常重要的测距工具在各方面都将有很大的发展前景，在未来将朝着更加高精度的方向发展，以满足人们日益发展的日常需求。

1.2 选题的目的及意义

随着社会的发展，人们对距离或长度的测量要求越来越高。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。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。超声波测量技术利用回波测距原理，技术发展已经成熟，应用也积累了很多经验。超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时监控，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。因此该设计具有很大的实用价值，并且具有一定的商业价值。对我而言，通过对简易的超声波测距仪的设计，需要学习使用单片机的控制功能和用超声波传感器实现测量距离，并且掌握使用Protel99、Altium Designer进行电路设计和制图的方法步骤，能将设计出的电路原理图下载到PCB板进行仿真，最终制作出实物。理解超声波传感器的超声波发生机制及发射、接受 放大装置和以单片机AT89C2051为中心控制单元，实现超声波发射及其遇到障碍物发生反射形成回波信号，根据

超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，以完成设计目标，熟悉51单片机软件编程及调试环境KeilC51软件。总体而言该毕业设计课题涉及了部分大学专业课程的的主要专业知识，对我的专业技能进行了一次考验。

1.3 课题设计的任务和要求

1.3.1 任务

（1）了解超声波测距原理。

（2）根据超声波测距原理，设计超声波测距仪的硬件结构电路，画出超声波测距器的硬件原理图。

（3）编写单片机程序。

（4）制作硬件电路板（或进行软件仿真）并进行调试。

1.3.2 要求

该毕业设计的超声波测距仪要求其测量范围为0.25~5.90 m测量精度为0.01m。测量时与被测物体无直接接触，以数字的形式清晰、稳定地显示测量结果。

第二章超声波测距仪的整体设计思路

2.1 超声波的特性

声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。

超声波的特性有：

（1）超声波的束射特性：

由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。

（2）超声波的吸收特性：

声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。

（3）超声波的能量传递特性：

超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量，换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。

（4）超声波的声压特性：

当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀

疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。

2.2 超声波测距的基本原理

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。实用的测距方法有两种：一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计，一种是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。此次设计采用反射波方式。

超声波发射器向某一方向发射超声波波束，在发射时刻的同时开始计时，超声波在传播过程中，途中碰到障碍物、被测物后反射回波，超声波接收器收到反射波后，立即停止计时。如图2-2所示，超声波在空气中的传播速度为V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：

S=V×（T÷2）

图2-2超声波的测距原理

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校

正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。

2.3 超声波测距仪原理框图

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多次放大，放大后的信号经过整形、比较、触发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LED显示。

图2-3 超声波测距仪原理框图

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的脉冲调制信号。

2.4 超声波传感器

为了以超声波作为检测工具，必须产生超声波和接受超声波。完成产生超声波和接收超声波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。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多用作探测方面。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、

斜探头（横波）、表面波探头（表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种，由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高。超声波换能器是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波，反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。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。

2.5 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2-5（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。

图2-5（1）超声波传感器内部结构

测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比，而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器，目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。常用的超声波传感器有T/R-40-16、T/R-40-12等(其中T表示发送R表示接收，40表示频率为40kHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计)。本设计选用T/R-40-12 超声波传感器，如图2-5（2）

图2-5（2）超声波传感器

第三章系统的硬件结构设计

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三部分。单片机采用AT89C2051或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0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4位共阳LED数码管，采用的灌电流驱动。电路原理图见附录1

单片机的最小系统及显示电路：

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:单片机、时钟电路、复位电路、电源电路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图：

图3（1）单片机最小系统电路图

显示电路，采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。单片机系统及显示电路如图所示：

图3（2）显示电路

3.1 超声波测距的主控芯片

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes 的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash 存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。

单片机是依赖程序来运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。但是单片机通过你编写的程序就可以实现高智能、高效率，以及高可靠性。

（1）AT89C2051功能特性及性能参数：

2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。

1、和MCS-51产品指令系统完全兼容；

2、2KB可重编程FLASH存储器（10000次）；

3、2.7-6V电压范围；

4、全静态工作：0Hz-24MHz；

5、2级程序存储器保密锁定；

6、128*8位内部RAM；

7、15条可编程I/O线；

8、两个16位定时器/计数器；

9、6个中断源；

10、可编程串行通道；

11、高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）；

12、直接驱动LED的输出端口。

（2）AT89C2051的引脚功能说明：

单片机AT89C2051的引脚图如图所示：

图3-1 单片机AT89C2051的引脚图

1、VCC：电源电压。

2、GND：接地。

3、P1口：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻，

P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P!口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。

4、P3口：P3口的P3.0~P3.

5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3品缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部时拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。

P3口还用于实现AT89C2051的各种劝能，如下表所列：

TXD串行输入端口

引脚口功能

P3.0 RXD串行输入端口

P3.1 TXD串行输入端口

P3.2 INT0 外中断0

P3.3 INT1 外中断1

P3.4 T0定时器0外部输入

P3.5 T1定时器1外部输入

P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

5、RST：复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周器的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

6、XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。

7、XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。

3.2 单片机时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地作。（1）时钟信号的产生：

单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。

MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2~24MHz之间选择一般使用6MHz 和12MHz。电容器C6和C7的作用是稳定频率和快速起振，它们的取值对振荡频率输出地稳定性、大小及振荡电路起振速度有一定的影响，可在

20pF~100pF范围内取值,典型值为30pF。只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

（2）时钟振荡电路如图3-2所示。

图3-2 时钟振荡电路

3.3 单片机复位电路

复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作。单片机的复位都靠外部电路实现，MCS-51单片机有一个复位引脚RST高电平有效。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，

该引脚上出现两个机器周期，即24个时钟周期，以上高电平，使器件复位，只要RST保持高电平MCS-51便保持复位状态。此时ALE,PSEN,P0 P1 P2 P3口都输出高电平。RST变为低电平，退出复位状态CPU从初始状态开始工作。

MCS-51 单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如图3-3（1）所示。对于CMOS型单片机，因RST引脚的内部有一个拉低电阻，故电阻R可以不接。单片机在上电瞬间RC电路充电RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期以上的高电平，因为振荡器从起振到稳定需要大约10ms的时间，故通常定为大于10ms就能使单片机有效复位。当晶体振荡频率为12MHz时RC的典型值为C=10F，R=8.2k Ω。在复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存器错误复位，这是可在RST引脚上接一去耦电容。

由于系统运行等需要，常常需要人工按钮复位，如图3-3（2）所示，只需讲一个常开按钮并联于上电复位电路，按一下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。在此设计中，采用的是上电按钮复位电路。

图 3-3（1）上电自动复位电路