蒂for personal use only in study and research; not for commercial use
膈for personal use only in study and research; not for commercial use
莇前言肂隨著我國科學技術的迅速發展，許多場合都需要測距儀器的應用，如汽車倒車，建築工地的施工以及一些工業現場的位置監控，還有礦井深度、水位位置、管道長度等場合都需要用到測距儀器。要求儀器簡單，方便，易操作控制，而超聲波測距儀，就能實現以上的要求。它測量範圍在0.
10-1.20m，測量精度1cm，測量時儀器與被測物體不會直接接觸，而且能夠清晰穩定的在液晶顯示屏上顯示出測量結果。
蒃但就目前整體的技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限。因此，這是乙個正在蓬勃發展而又有無限前景的技術及產業領域。展望未來數十年，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要且有用的工具在各方面都將有很大的發展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發展，以滿足日益發展的社會需求。
薁本設計採用以at89c51微控制器為控制器核心的高精度、低成本、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬體電路和軟體設計方法。整個電路採用模組化設計，由主程式、中斷程式、發射子程式、接收子程式、顯示子程式等模組組成。各探頭的訊號經微控制器綜合分析處理，實現超聲波測距儀的各種功能。
在此基礎上設計了系統的總體方案，最後通過硬體和軟體實現了各個功能模組。
螆1 總體方案設計介紹
螂所謂的超聲波就是指頻率高於20mhz的機械波。既然是以超聲波為檢測工具，那麼肯定要產生超聲波和接受超聲波的工具，這就需要用到我們的感測器，俗稱探頭。它有發射器和接收器之分，主要原理就是利用電效應把電能和超聲波相互轉換，利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。
超聲波感測器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質均能檢測。
芁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、中長距的高精度測距等優點，即用超聲波發射器向某一方向傳送超聲波，將電能轉換，發射超聲波，同時在發射的時候微控制器就開始計時，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回波時，將超生振動轉換成電訊號，同時微控制器停止計時。超聲波測距原理一般採用渡越時間法tof，設超聲波在空氣中的傳播速度為c，從發射到遇到障礙物反射回來在空氣中的傳播時間為t，聲源與障礙物的距離為l，則易知l=c*t/2，這樣可以測出聲源與障礙物之間的距離，然後在led顯示屏上穩定的顯示出來[1]。
蠆感測器的工作機理是依據壓電材料的正逆壓電效應，利用逆壓電效應產生超聲波，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訊號，材料就會產生隨所加電壓的變化規律而變化的機械形變，這種機械形變推動周圍介質振動，產生疏密相間的機械波，如果其振動頻率在超聲範圍內，這種機械波就是超聲波[1]。
膆根據設計要求並綜合各方面因素考慮，本文決定採用at89c52微控制器作為主控制器，超聲波發射電路、超聲波接收放大電路、顯示電路，並用動態掃瞄法實現led數字顯示，超聲波驅動訊號用微控制器的定時器完成。超聲波測距儀的系統硬體原理框圖如圖1-1所示。薃莂
蟻膇圖1-1 超聲波測距系統硬體原理框圖
薄肀超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45公尺/秒，由微控制器驅動產生12mhz晶振，所以此系統理論上可以達到公釐級。由發射器傳送超聲波出去，在遇到障礙物反射回來時的回波由接收器檢測到訊號，然後經過濾波、放大、整形之後送入at89c52微控制器進行計算，並將計算結果顯示到led液晶顯示屏上。
超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波；另一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統笛、液和氣流旋笛等。
它們所產生的超聲波的頻率，功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。本文屬於近距離測量，適合汽車的倒車雷達，故可採用常用的壓電式超聲波換能器[2]。
蝿2 超聲波的相關知識
薇2.1 超聲波測距儀的主要功能概述[3]：
芅★ 實時穩定顯示當前測量距離；
膁★ 實時穩定顯示當前測量溫度；
袇★ 具有近距離和遠距離兩種測量模式；
羆★ 能夠實時報警功能；
羅★ 具有開機系統自檢功能；
膂★ 耗電量低；
芀★ 可靠性高；
蒅★ 高靈敏度和高聲壓
螅2.2 超聲波測距儀的主要技術指標
羀測量距離：0.20m-1.3m
莈測溫範圍：-10℃～115℃
嫋測量距離精度：1cm
蒆實時功率：0.05w
肁標準頻率：40khz
蟻聲壓級：120±3（公式： 20logp/pre (db)）
薈系統發射功率：1mw(max)
羂工作電流：80ma(min)、90ma(max)
肂輸入電源電壓：5v
衿3 系統設計原理[4]
羈超聲波測距其實有很多的方法，包括聲波幅值檢測法、相位檢測法、以及往返時間檢測法等等，聲波幅值檢測法容易受到反射波損耗的映像，相位檢測法雖然精度高，但是檢測範圍有限，所以本系統採用往返時間檢測法，其原理就是利用超聲波在空氣介質中的傳播速度，測量聲波從發射到遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離，進而達到測距的效果。
蠁測距的公式表示為：l=c*t/23-1)
袀式中l為被測量的距離長度；c為超聲波在空氣中的傳播速度；t為測量距離傳播的時間差(t為發射到接收之間時間數值的兩倍)。要想利用超聲波準確的測得發射點與障礙物之間的實際距離，那麼就應該準確的測得超聲波在空氣介質中得實際傳播速度。我們知道超聲波是要隨環境中的氣壓和介質溫度的變化而變化，一般情況下受大氣壓力的影響非常小，但是受溫度的影響確實非常大的，例如在攝氏0度時其傳播速度為331.
45m/s，在攝氏20度時其傳播速度為343.869m/s，在攝氏30度時其傳播速度為349.176m/s，具體參考表1。
故要考慮到溫度給實際測量帶來的影響，盡量使測距準確性大大提高，本方案中採用測量溫度的方法來補償聲速，即用測溫元件測量實際環境的溫度來校正聲速，這就是溫度補償法。其中超聲波在空氣中的傳播速度和溫度有如下的關係：
羇v=331.4+0.607t m/s t3-2)
莇其中v為超聲波在該溫度下的實際傳播速度（單位為 m/s），t為攝氏溫度。當溫度知道的情況下，通過該式就可以知道該溫度下超聲波的傳播速度了。
蒃羈表1 不同溫度下的超聲波傳輸速度
蚇膂4 超聲波測距系統的硬體組成
袁4.1 控制晶元的選擇[5]
蠆一般情況下採用at89c51微控制器，但是他的資源有限，只有4k的程式儲存空間和兩個定時器，而它的兄弟模組at89c52微控制器相容mcs51指令系統，內部整合了8k的可反覆擦寫的程式儲存空間（flash rom），四個8位的雙向i/o口，256x8bit內部ram，2個序列中斷，可程式設計uart序列通道，中斷源增加乙個，即額外增加了乙個定時器/計數器 t2，而且有pdip、pqfp、tqfp及plcc等幾種封裝形式，以適應不同產品的需求。
莇at89c52支援串列埠程式**，具有操作簡便、**便宜、應用簡單等許多優點。因此我們選用這一型號的微控制器作為控制器實現對超聲波模組進行控制，然後微控制器不停的檢測int0引腳，當int0引腳的電平由高電平變為低電平時就認為超聲波已經返回。微控制器用p1.
0埠輸出超聲波換能器所需的40khz的方波訊號，占空比50%，連續發10個波（3-15個波都可以），然後拉低（或拉高）50ms以上，接著再輸出，如此迴圈。利用外中斷0口監測超聲波接收電路輸出的返回訊號。採用12mhz高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差，是後面計算的基礎。
計數器所計的資料就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到感測器與障礙物之間的距離。控制電路如圖4.1-1所示。
芃羀膈膇蒞圖4.1-1 超聲波控制電路
莂薈4.2 超聲波發射電路[6]
袈max232是美國maxim公司專為串列埠路通訊設計的晶元，它能將ttl電平和rs232電平相互轉換，具有功耗低，只需要單一 +5v電源供電，供電電流5ma；內部整合2個rs-232c驅動器，高整合度，片外最低只需4個電容即可工作，所以這裡超聲波發射電路採用基於max232的方波發射電路。電路前級主要由一塊反向器晶元74ls04和超聲波發射探頭t構成，74ls04內部具有6個獨立的反相器，通過將外部管腳的組合連線來實現對微控制器發出的超聲發射探頭激勵訊號進行功率放大處理；微控制器p1.0埠輸出超聲波轉化器所需的40khz方波訊號，占空比為50%的方波訊號，一路通過74ls04內部一級反向器後送到超聲波發射探頭t的乙個電極，另一路經兩極反向器後送到超聲波換能器的另乙個電極。
用這種推挽形式將方波訊號反相疊加到超聲波換能器的兩端，可以將超聲波發射強度提高一倍。同時輸出端兩路訊號都採用兩個反向器併聯得方式，這樣可以提高超聲脈衝的驅動能力。上拉電阻r10、r11一端接上正5v電源，另一端連線超聲波發射探頭t的一極，一方面可以提高反向器74ls04輸出高電平的驅動能力，使發射探頭發射超聲波的能力更強；另一方面還可以增加超聲波發射探頭t的自身阻尼效果，縮短其自由振盪的時間得到更加完整的超聲脈衝波形，這樣驅動max232實現從ttl電平到rs232電平的轉換，具體電平轉換圖4.
2-1所示[10]膂蒁
羇莄圖4.2-1 max232電平轉換圖膃蕿
蕆肅圖4.2-2 基於max232的超聲波發射電路
芅羈由於發射到換能器的電壓高，波形比較完整，因此可以達到很高的發射功率與效率，可以測量到比較遠的距離，同時用這個電路發射方波，電路工作穩定，適合單電源供電，功耗也非常小。所以我們採用這個方案作為發射電路。電路圖如圖4.
2-2所示。
肀4.3 超聲波接收電路[7]
超聲波測距儀的製作 常規器件
這裡介紹一款國外的不使用微控制器的超聲波測距儀。本超聲波測距儀通過測量超聲波發射到反射回來的時間差來測量與被測物體的距離。可以測量0.35 10m的距離。實物圖如下 原理圖如下 一 電路原理 1 超聲波發射電路 由兩塊555積體電路組成。ic1 555 組成超聲波脈衝訊號發生器，工作週期計算公式如下...
基於51微控制器的超聲波測距系統的設計
微控制器系統課程設計報告書 題目 基於51微控制器的超聲波測距系統設計 院系名稱 資訊工程學院 專業名稱 電子資訊工程 班級 資訊1201b 學號 12341301xx 姓名 x x 指導教師禹定臣 超聲波是指頻率在20khz以上的聲波，它屬於機械波的範疇。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質中的傳播規...
課程設計報告 旋轉超聲波測距儀
大連民族學院機電資訊工程學院 自動化系 微控制器系統課程設計報告 設計完成日期 2013年 10月18日 目錄1任務分析和效能指標 1 1.1任務分析 1 1.2效能指標 1 2總體方案設計 1 3硬體設計與實現 3 3.1檢測電路 3 3.2顯示電路 3 3.3轉動電路 4 4軟體設計與實現 5 ...