【正文】 電子與信息工程學院綜合實驗課程報告課題名稱 超聲波測距儀 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 07級 一、二班 學生姓名 王利偉、魏麗麗、齊斯超 學 號 07205010122王利偉 07205010205魏麗麗 07205010241齊斯超 指導教師 丁剛、嚴輝 2010年 7 月 4日摘要隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產(chǎn)業(yè)領域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。本設計采用以AT89C51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。整個電路采用模塊化設計，由主程序、中斷程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。本文所研究的超聲波測距儀利用超聲波指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優(yōu)點，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，同時在發(fā)射的時候開始計時，在超聲波遇到障礙物的時候反射回來，超聲波接收器在接收到反射回來的超聲波時，停止計時。設超聲波在空氣中的傳播速度為V，在空氣中的傳播時間為T，汽車與障礙物的距離為S，S=VT/2，這樣可以測出汽車與障礙物之間的距離，然后在LED顯示屏上顯示出來。其工作機理是依據(jù)壓電材料的正逆壓電效應，利用逆壓電效應產(chǎn)生超聲波，即逆壓電效應是在壓電材料上加上某種特定頻率的交變正弦信號，材料就會產(chǎn)生隨所加電壓的變化規(guī)律而變化的機械形變，這種機械形變推動周圍介質振動，產(chǎn)生疏密相間的機械波，如果其振動頻率在超聲范圍內，這種機械波就是超聲波。本文所設計的超聲波測距儀主要由AT89C52單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、顯示電路.首先由單片機驅動產(chǎn)生12MHZ晶振，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去，在遇到障礙物反射回來時由超聲波接收探頭檢測到信號，然后經(jīng)過濾波、放大、整形之后送入單片機進行計算，把計算結果輸出到LED液晶顯示屏上。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是用機械方式。產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液 和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率，功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本例決定采用AT89C51單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成。超聲波接收 單片機控制器超聲波發(fā)送LED顯示掃描驅動 超聲波測距器系統(tǒng)設計框圖硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅動，位碼用PNP三極管9012驅動。主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89S51來實現(xiàn)對超聲波模組進行控制，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。（）本文采用的超聲波測距模組集發(fā)射和接受為一體，內部超聲波傳感器諧振頻率40KHz，~9V，~。提供三種測距模式，選擇跳線可以選擇短距、中距和可調距。本實驗采用短距（20~100cm）精度1cm。模組結構示意圖如下：應用時只需要用J5的第1個口與單片機Vcc連接，最后一個口與單片機GND連接，第4個接口與 單片機的INT0口相連接，同時將J1跳線設置為短距模式，J2跳線設置為非外部電源供電方式（此時開發(fā)板通過10PIN排線為模組供電，板上J5選擇5V，要把J2跳接到5v的一端）。這就完成了模組硬件的連接。超聲波諧振頻率調理電路圖如下：，連接模組接口J4到模組的CD4049，而后面的CD4049則對40KHz頻率信號進行調理，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。上圖為超聲波回波接收處理電路，超聲波接受處理部分電路前級采用NE5532構成10000倍放大器，對接收信號進行放大；后級采用LM311比較器對接收信號進行調整，比較電壓為LM311的3管腳的輸入。接收回路中測得的超聲波信號共有兩個波束，第一個為余波信號，即超聲波接收頭在發(fā)射頭發(fā)射信號（一組40KHz的脈沖）后，馬上就接收到了超聲波信號，并持續(xù)一段時間。另一個波束為有效信號，即經(jīng)過被測物表面反射的回波信號。超聲波測距時，需要測的是開始發(fā)射到接收到信號的時間差，要盡量避免檢測到余波信號，這也是檢測中存在最小測量盲區(qū)的主要原因。單片機控制模組每次發(fā)生若干完整的40KHz的脈沖信號，發(fā)射信號前打開計數(shù)器T0，進行計時，等計時到達一定值后再開啟檢測回波信號，以避免余波信號的干擾。采用外部中斷INT0對回波信號進行檢測，接收到回波信號后馬上讀取計數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為需要測量的時間差數(shù)據(jù)。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，斷碼用74LS244驅動，位碼用PNP三極管9012驅動。由P0口輸出顯示數(shù)據(jù)，~。顯示電路如下圖： 超聲波測距器的軟件設計主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成，由于C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精確計算程序行動的時間，而超聲波測距器的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精確計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。下面對超聲波測距器的算法，主程序，超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。 超聲波測距器的算法設計 ，既超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就會被超聲波接收器R接收到。這樣，只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器于反射物體的距離。該距離的計算公式如下： d=s/2(vt)/2其中：