超声波传感器测距离

目 录

一、课程设计任务书 ................................................ 2 二．超声波传感器测距原理 ......................................... 4

2.1超声波传感器 .................................................... 4 2.2超声波测距原理概述 .............................................. 5

三．系统总体设计方案 .............................................. 6 四．系统的硬件结构设计 ............................................ 8

4.1 单片机最小系统原理概述 .......................................... 8 4.2超声波发射电路 ................................................. 14 4.3 超声波检测接收电路 ............................................. 14 4.4 超声波测距系统的显示电路设计 ................................... 15 4.5 PROTUES仿真硬件电路图.......................................... 15

五．系统软件的设计 ............................................... 16

5.1 超声波测距仪的算法设计 ......................................... 16 5.2 程序流程图 ..................................................... 16 5.3 主程序设计 ..................................................... 18 5.4定时中断服务子程序设计 ......................................... 18 5.5超声波发生子程序和超声波接收中断程序设计 ....................... 19

六．调试结果....................................................... 20 七．系统误差来源及解决方案分析 ................................. 22 八．收获体会....................................................... 23 参考文献 ........................................................... 24 附录一 超声波测距电路原理图 ..................................... 25 附录二 程序清单 .................................................. 26 附录三 元件清单 ................................................... 36

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一、 课程设计任务书

《智能仪器综合设计》课程设计任务书

题目：超声波测距系统设计

一、课程设计任务

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，如液位、井深、管道长度等场合。超声波测距的原理是，发射器发射出超声波，遇到被测物体后返回声波由接收器接收，测量出超声波发射和接收到回波的时间差，超声波波速与时间差乘积的一半即为被测距离。该超声波测距系统以AT89S52单片机为核心进行设计。

二、课程设计目的

通过本次课程设计使学生掌握：1）智能仪器的一般设计、实现方法；2）超声波传感器测距的工作原理；3）智能仪器设计的实际调试技巧。从而提高学生对智能仪器的设计和调试能力。

三、课程设计内容和要求

1、掌握超声波传感器的测距原理，测量结果数显；

2、根据超声波测距原理，设计超声波测距系统的硬件结构电路并画出原理图； 3、用PROTUES对所设计的系统进行仿真； 4、给出软件设计流程图；

5、系统软硬件连调，给出该测距系统的性能指标，并对产生的误差进行分析。

四、课程设计报告要求

报告中提供如下内容： 1、目录

2、正文

（1）课程设计任务书； （2）超声波传感器测距原理； （3）系统总体设计方案；

（4）超声波测距系统硬件电路的设计，包含发射电路、接收电路和显示模块的设计，

用PROTEL软件绘制硬件原理图并列出器件清单，用PROTUES仿真；

（5）软件设计：程序流程图及清单（子程序不提供清单，但应列表反映每一个子程序

的名称及其功能）；

（6）调试结果：各个关键点波形和实测数据组； （7）系统误差来源及解决方案分析； 3、收获、体会 4、参考文献

五、课程设计进度安排

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周次 工作日 1 工作内容 布置课程设计任务，查找相关资料 熟悉智能仪器综合实验平台所提供的相关资源 完成总体设计方案 画出硬件原理图并进行仿真 完成硬件接线，编写程序并调试 编写程序并调试 编写程序并调试 编写程序并调试及准备课程设计报告 完成课程设计报告并于下午两点之前上交 答辩 第 一 周 2 3 4 5 1 第 二 周 2 3 4 5 本课题共需两周时间 七、课程设计考核办法

本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。

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二．超声波传感器测距原理

2.1超声波传感器

超声波是由机械振动产生的，可以在不同的介质中以不同的速度传播，其频率高于20KHz。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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距是一种非接触式的检测电路，因而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。

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。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农业生产等自动化的使用要求。超声波发射器如今有两类，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。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。本系统选用的是压电式超声波传感器。它是利用压电效的应原理，压电效应有逆效应和顺效应，实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器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。

发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，表2.1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表2.1 超声波波速与温度的关系 温度（℃） -30 -20 319 -10 325 0 323 10 20 30 100 声速（m／s） 313

338 344 349 386 4

2.2超声波测距仪原理概述

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。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。

单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波换能射器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射波之间的夹角以及接受换能器的灵敏度。接受换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。

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