【正文】 題 目： 基于單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計 專 業(yè)： 自動化 班 級： 自動化 092 學(xué) 號： 203090240 學(xué)生姓名： 曹松青 指導(dǎo)教師： 邵祥兵 起迄日期： ～ 設(shè)計地點： 工程中心 4 棟 Graduation Design (Thesis) Design of ultrasonic range finder based on the MCU By Cao song qing Supervised by Shao xiang bing School of Automation Nanjing Institute of Technology June, 2020南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗 少 ，傳播 距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點，所以在利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種。它廣泛應(yīng)用于建筑施工 、 防盜 、 倒車 、 水位測量以及一些工業(yè)現(xiàn)場。 整個電路采用模塊化設(shè)計， 發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，接受模塊接受回波，單片機(jī)計算距離， LCD1602 顯示測量結(jié)果。 軟件部分 由主程序、延時子程序、發(fā)射子程序、接受子程序、顯示子程序、溫 度檢測子程序等模塊組成。 經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、抗干擾能力強(qiáng)、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。 ranging。 [1]正是因為有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量 。 由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境 。具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點。可在不同環(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度 的 在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用 。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要 的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著 高定位 以及 高精度的方向發(fā)展，滿足日益發(fā)展的社會需求，因此研究超聲波南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 測距系統(tǒng)有著很大的現(xiàn)實意義。 國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)一些學(xué)者也作了相關(guān)的研究 。現(xiàn)在對超聲波測距的精度主要取決于所測的超聲波傳輸時間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時間 對 精度影響 最 大， 因此 大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時間的不確定度來提高測距精度。 [2] 在處理器方面大多以單片機(jī)為主，其中 以 51 系列應(yīng)用最為廣泛，采用運算速度更快，效率更高 DSP 芯片作為處理器，也正成為一個非?；钴S的研究方向。 準(zhǔn)確度方面已控制在測量 距離 的 %左右， 與真值的差距在厘米級的范圍內(nèi)，若采用互相關(guān)或偽隨機(jī)法，最高可控制在 內(nèi)，在提高精確度方面，超聲波測距還有很大的發(fā)展?jié)摿蜕仙臻g [3]。超聲波測距通過發(fā)出超聲波并接收反射回來的回波，并通過單片機(jī)的計算就可以知道物體的距離。而且單片機(jī)更適宜 應(yīng)用于小型的嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。 超聲波測距技術(shù)：超聲波測距技術(shù)與一般測距技術(shù)相比，具有操作方便、系統(tǒng)簡單以及計算簡單的優(yōu)點。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 課題的可行性 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和電子行業(yè)的興起， 出現(xiàn)了 各種具有強(qiáng)大功能集成電路的先進(jìn)的電子儀器和電子設(shè)備，這些都為開發(fā)這種電子產(chǎn)品奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。 超聲波概述 聲音是和 人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象，人們對 很早以前對 聲音 就有一定認(rèn)識，在人們的日常生活中存在著各式各樣的聲音 。然而，由于超聲 波 是人耳聽不到的 聲信號， 18 世紀(jì) 左右 ，人們 在 開始研究海豚、蝙蝠等動物時，才推測自然界存在超聲。根據(jù)聲波振動頻率的范圍，可以 將其 分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。頻率高于人類聽覺上限頻率 (約20200Hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。它是一秒鐘超聲波等相位面通過的距離，與介 質(zhì)的彈性性質(zhì) 和 密度 有關(guān)。聲速參數(shù)與聲介質(zhì)、聲阻抗及生衰減等有很大關(guān)系。如在常溫下，空氣中的聲速約為340m/s，在 液體中 的聲速約為 1440m/s，而在 固體 中約為 5000m/s。流體中的聲速隨壓力的增加而增加。由于介質(zhì)的壓強(qiáng) 、 溫度 和流速等狀態(tài)參量的變化都會引起 相 應(yīng)的聲速變化，因此出現(xiàn)了超聲溫度計和超聲流量計等 儀器 。 聲阻抗是當(dāng)聲波從一種介質(zhì) 向 另一種介質(zhì) 傳播時，在兩個介質(zhì) 分界面上一部分超聲波被反射 回來 ，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。 根據(jù) 物理學(xué)可知，當(dāng) 波在界面上產(chǎn)生反射時， 波速之比 等于 入射角的正弦之比 ，南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 當(dāng)反射波 和 入射波 的波型相同時，波速相同，反射角 等于入射角度 。 超聲波在兩種介質(zhì)的界面上的 透 射能量和 反 射能量的變化，取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。它是 不同 介質(zhì)固有的一個常數(shù)，它的數(shù)值對超聲波在介質(zhì)中的傳播非常重要，單位為瑞利 (rayl)。 壓電式超聲波傳感器原理及特性 : 為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。壓電式超聲波傳感器如圖 所示。超聲換能器的種類很多，按 照實現(xiàn)超聲傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等，壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。如電場反向，則 物體形變亦相反。 利用逆壓電效應(yīng)可以 產(chǎn)生 超聲波。 正壓電效應(yīng)是指當(dāng)對某介質(zhì)施加應(yīng)力時，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部電荷中心發(fā)生相對移位 而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力 大小 成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。 頻率特性 圖 是超 聲波的頻率特性曲線。而在 f0 兩測， 聲壓能級迅速減小。 由 圖 知 ， f0 為中心頻率 ， 曲線在 f0 處 達(dá)到最大值 ， 相應(yīng) 輸出電信號的幅度最大，信號 在 f0 處接收靈敏度最高。另外，超聲波接收器的頻率特性和輸出端外接電阻有很大關(guān)系，如果 R 較 大，（如大于 100K）頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度 很高。并且最大靈敏度向著稍低的頻率移動。 圖 超聲波發(fā)射傳感器的發(fā)射頻率特性 120 110 100 80 70 0 靈敏度 KHZ f=40KHZ 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 指向特性 實際 上 超聲波傳感器中壓電晶片是 一 個小圓片，可以把表面上每個點看成 一 個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。指向特性用指向圖表示。超聲波傳感器的指向圖是由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是 Ф=0聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。 [5] 圖 超聲波傳感器指向特性圖 超聲波測距 超聲測距的方法 超聲波測距的方法有多種，如 聲波幅值檢測法 、相位檢測法 和往返時間檢測法等。往返時間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。若要求測距誤差小于 ，已知聲速 v=344m/s(20℃ 時 )。因此，實現(xiàn)超聲波測距必須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。目前使用的方法有信號過零檢測，包絡(luò)檢測和脈沖檢測等方法。這種方法實現(xiàn)起來較包絡(luò)檢測方便，電路實現(xiàn)簡單，精度也較高。利用查詢或者中斷的方法便可以檢測出這些脈沖，便于測量出發(fā)射到接收到脈沖的時間。距離過遠(yuǎn)時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠(yuǎn)限存在的原因 。 使用 單 個探頭同時充當(dāng)發(fā)射 器 和接收 器的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強(qiáng)達(dá)幾十伏，雖然發(fā)射信號只維持一個很短的時間，但 施加發(fā)射信號 停止后，探頭上還有 一定的余 振，因此在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值還是很 強(qiáng)的，可以達(dá)到限幅電路，引起探頭振動， 導(dǎo)致不能進(jìn)行正確的測量。當(dāng)液面離探頭越來越遠(yuǎn)時，接收信號與發(fā)射信號 相隔時間越來越長，其幅值相應(yīng)的越來越小。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，才能有輸出信號。 在使用單 個探頭的情況下，發(fā)射信號的幅值要維持到低于引起探頭振動時，接收信號才基本上擺脫了發(fā)射信號的影響而能夠明顯地分辨出來。當(dāng)開始計時，測量超聲波在空氣中的 傳播時間才有效。而使用雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。 [6] 提高測距儀性能的若干措施 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 聲速校正 要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速 c 必須恒定，實際上聲速隨 溫度 、介質(zhì)、壓力的 變化而變化。對一定介質(zhì)，通常采用對溫度進(jìn)行修正的方法，可以測得比較準(zhǔn)確的距離。 減小盲區(qū)措施 (1)壓縮發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個脈沖，可使余震 減少，此法常用于短距離測量 。另一方面，可以 使遠(yuǎn)處的回波信號的幅度增大，以提高測量的精度。量程主要決定于接收信號的幅值應(yīng)大于規(guī)定的閾值。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，另一類為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作頻率較高，可以避開 工業(yè)噪聲頻譜段。這時要求對環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 超聲波測距原理 超聲波測距的方法有多種 ,如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。 本測距系統(tǒng)采用超聲波渡越時間檢測法。設(shè) l 為測量距離， t 為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。再由單機(jī)計算出距離，送數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。t2 是 接收超聲波 時刻 ， t1 是 超聲波 聲波 發(fā)射 時刻， t2t1 得出的是一個時間差的絕對值，假定 t2t1=，則有 340m=。 超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如公式（ 21）： 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 L=C x ( t2 t1 )/ 2 (21) 超聲波測距原理框圖 超聲波測距模塊用 HCSR04，溫度傳感器使用 DS18B20，微處理器使用STC89C52 單片機(jī)，顯示部分采用 LCD1602 液晶顯示屏顯示 。 S T C 8 9 C5 2 單 片 機(jī)溫 度 檢 測 模 塊測 距 顯 示 模 塊信 號 放 大 ， 脈 沖整 形 ， 帶 通 濾 波驅(qū) 動 模 塊測 距 數(shù) 據(jù)發(fā) 射接 收超 聲 波 換 能 器溫 度補(bǔ) 償 圖 超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由于測量距離的精度和長度要求不是很高，精度達(dá)到 2cm，測量距離達(dá)到 4m即可，因此超聲波模塊選用價格低廉且實用的 HCSR04 即可。 溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅鬟x擇普遍且實用的 DS18B20。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第三章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計 STC89C52 單片機(jī)的功能及特點 STC89C52 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)， 12 時鐘 /機(jī)器周期和 6 時鐘 /機(jī)器周 期可以任意選擇。即定時器 T0、 T T2； 外部中斷 4 路 ,下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 ； 通用異步串行口（ UART） ,還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART； 工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級） /0～ 75℃（商業(yè)級） 。 掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備。作 為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動 8 個 TTL 負(fù)載，對端口 P0 寫入 每個引腳能驅(qū)動 寫入“ 1”時，可 以作為高阻抗輸入。此時， P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。驗證時，要求外接上拉電阻 ； P1 端口（ ～ ， 1～ 8 引腳） ： P1 口是一個帶內(nèi)部 上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對端 口寫入 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。 P2 的輸出緩沖器可以驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 P2 作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ I） 。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如 執(zhí)行“ MOVX R1”指令）