1、目 录1.引言11.1 设计的应用前景11.2 单片机应用系统概述11.3 超声波测距系统概述21.4 本设计任务主要要求32.超声波测距原理32.1 超声波的根本理论32.2 超声波测距系统原理43.系统主要硬件电路设计531 超声波测距系统电路总体设计方案53.2 超声波发射和接收电路的设计63.3 单片机主机系统电路84.系统软件设计124.1 系统程序的结构124.2 系统主程序134.3 40KHZ超声波发送子程序144.4 DS18B20温度采集程序154.5 距离计算子程序154.6 数据转换子程序154.7 LCD显示子程序164.8 基于PROTEUS的软件仿真175.后续研
2、究工作185.1 超声波发射波形的改良185.2 样机的制作185.3 进一步研究系统的抗干扰性能18致谢19参考文献19附录21基于单片机的超声波测距仪的设计 利用超声波测距原理，出于低本钱、高精度的目的，提出了一种基于AT89S52的超声波倒车雷达系统的设计方案。硬件局部采用AT89S52单片机作为控制器，主要有超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、LCD显示电路和报警电路。在分析超声波测距原理的根底上，给出了实现超声波倒车雷达系统的硬件设计电路图和软件设计流程图。该系统测量精度为1cm，测量范围为0.50-4.00m，完全能够满足汽车倒车系统的设计要求。关键字 单片机 超声波 温
3、度补偿 测距 LCD显示 角度补偿1.引言1.1 设计的应用前景目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的本钱很高，并且显示距离也比拟困难，操作使用也不是很方便。而本设计研究的测距仪本钱低廉，性能优良，市场前景极为广阔。在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出警告声，提醒驾驶员注意刹车。本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和防止那些视野不良的大型汽车，如集装箱车、载货车、公共汽车等倒车交通事故。1.2 单片机应用系统概述单片机的出现及开展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领
4、域。从此，计算机技术在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的开展,并正在深深地改变着我们的社会。单片机应用系统的设计包括单片机根本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如下： 图 1 技术路线1.3 超声波测距系统概述随着社会的开展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。目前测量距离可以采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量。常用的技术主要有激光测距、微波雷达测距和超声波测距三种。激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。超声波测距由于其能进行非接触测量和
5、相对较高的精度，越来越被人们所重视。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常有用的工具在各方面都将有很大的开展空间，它将朝着更高定位、更高精度的方向开展，以满足日益开展的社会需求。由于超声波具有指向性好、能量损耗低、传播距离较远、不易受外界环境影响和对被测目标无损害等特点，利用超声波测量距离就可以解决传统测量方法中遇到的问题。利用超声波检测往往比拟迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能到达工业实用的要求，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往
6、可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。超声波测距适用于高精度的中长距离测量，超声波在标准空气中的传播速度为331.45m/s，由单片机计时，单片机使用12.0MHz晶振，所以此系统的测量精度在理论上可以到达毫米级。本文设计的倒车雷达系统就是利用超声波的上述特性做到对倒车距离实时和高精度的检测，同时，此系统本钱低、设计简单、精度和稳定性好，有望得到广泛的应用，从而减少交通事故的发生。1.
7、4 本设计任务主要要求1设计一个以单片机为核心的超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、工业现场的位置监控；2测量范围在0.504.00m，测量精度1cm；3测量时与被测物无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。2.超声波测距原理2.1 超声波的根本理论超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为根底的、各行各业都可使用的通用技术之一。超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产本钱，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活泼。21.1 超声波的三种形式超声波在介质中可以产生三种形式的振
8、荡波：横波，质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波，质点振动方向与传播方向一致的波；外表波，质点振动介于纵波和横波之间，沿外表传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，外表波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。2.1.2 超声波的物理性质(1) 超声波的反射和折射当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一局部超声波被反射；另一局部透射过界面，在相邻介质内部继续传播。这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。(2)超声波的衰减超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。(3)超声波的干预如果在一种介质中传播几个声波，
9、于是产生波的干预现象。由于超声波的干预，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。2.1.3 超声波对声场产生的作用(1) 机械作用超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大，有时足以到达破坏介质的程度。(2) 空化作用在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压到达一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。(3) 热学作用如果超声波作用于介质时被介质
10、所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。 2.2 超声波测距系统原理2.2.1 超声波传感器总体上讲，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。他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。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。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
11、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。超声波传感器结构如下：图 2超声波传感器外部结构 图 3 超声波传感器内部结构 2.2.2 超声波测距的方案超声波测距方法主要有三种：1相位检测法：精度高，但检测范围有限；2声波幅值检测法：易受反射波的影响；3渡越时间法：工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。设l为测量距离，t为往返时间差
12、，超声波的传播速度为c，那么有l=ct/2。综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。 图 4 测距原理由于超声波也是一种声波，其声速c与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米秒。表1列出了几种温度下的声速：表1 声速与温度的关系表温度摄氏度3020100102030100声速米秒313319325323338344349386在使用时，如果温度变化不大，那么可认为声速c是根本不变的，计算时取c为340m/s。如果测距精度要求很高，那么可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路根本不变的情况下通过软件改良算法的方法来加以校正。在本系统中利用AT89S52中的定时器
13、测量超声波传播时间，利用DS18B20测量环境温度，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可表示为： 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：l=1/2(331.4+0.6T)t。 系统中应用该式进行温度补偿如果为了进一步提高测量精度，本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的设计：。 系统中应用该式进行角度补偿3.系统主要硬件电路设计31 超声波测距系统电路总体设计方案本系统硬件局部由AT89S52控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、声音报警电路和LCD显示电路组成。汽车行进时LCD显示环境温度，当倒车时，发射和接收电路工作，经过AT89S52数据处理将距离也显示
14、到LCD上，如果距离小于设定值时，报警电路会鸣叫，提醒司机注意车距。超声波测距器的系统框图如以下列图所示：图5 系统设计总框图由单片机AT89S52编程产生10us以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。由时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同时启动
15、定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。图6 时序图3.2 超声波发射和接收电路的设计分立元件构成的发射和接收电路容易受到外界的干扰，体积和功耗也比拟大。而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以优先采用集成电路来设计收发电路。321 超声波发射电路超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两局部，可采用软件发生法和硬件方法产生超声波。在超声波的发射电路的设计中，我们采用电路结构简单的集成电路构成发射电路： 图7 由反相器构成的超声波发射电路图7是由反相器74HC04构成的发射电路，用反相器74HC04构成的电路简单，调试容易，易通过软件控制。单片机输出的方波经过反相器接到发射器T1的两极，用图中的推