基于超声波传感器的测距系统设计课程设计说明书

课程设计说明书

成绩

题目基于超声波传感器的测距系统设计课程名称检测技术及系统课程设计

1．课程设计应达到的目的

通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。

2．课程设计题目及要求

题目：基于超声波传感器的测距系统设计

要求：

（1）测距范围：0~200mm，测距精度：±1mm；

（2）根据题意，明确测距系统性能指标及系统能完成的功能；

（3）根据系统要求，选择合适的传感器；

（4）设计传感器测量电路；

（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；

（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；

（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始）；

（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；

（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。

3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕

(1)给出设计说明书一份；

(2)有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；

(3)在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用PROTEL画）。

4．主要参考文献

1、李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，2009

2、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.2001

3、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.2000

5．课程设计进度安排

起止日期工作内容

13年6月3日布置设计任务，熟悉课题，查找资料；

13年6月4日结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；

13年6月5日做实验,设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；

13年6月6日设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；

13年6月7日继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；

13年6月8日查找资料，理解系统各部分工作原理；

13年6月9日理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；

13年6月13日书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；

13年6月14日上午完善设计说明书，准备设计答辩。

13年6月14日下午设计答辩。

6．成绩考核办法

平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%.

教研室审查意见：

教研室主任签字：

年月日

院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

年月日

目录

1.超声波测距系统总体设计 (1)

1.1超声波和超声波传感器 (1)

1.1.1 超声波 (1)

1.1.2超声波传感器结构 (1)

1.2 超声波测距系统原理及测量方法 (3)

1.3 超声波测距系统主要参数论述 (4)

1.3.1 工作频率 (4)

1.3.2 指向角介绍 (4)

1.3.3 温度介绍 (4)

1.4 总体设计 (5)

2.超声波测距系统硬件设计 (6)

2.1时钟电路和复位电路 (6)

2.2 发射部分电路 (7)

2.3 接收电路 (8)

2.3.1 CX20106的应用 (8)

2.3.2 显示电路 (9)

2.4温度测量电路 (10)

2.5 报警电路 (10)

3.超声波测距系统软件设计 (11)

3.1 软件设计原理 (11)

3.2 主程序分析 (12)

3.3 子程序流程图 (13)

3.4 测量温度子程序 (14)

3.5 系统误差分析及改进 (16)

3.5.1 误差产生原因分析 (16)

3.5.2 针对误差产生原因的系统改进方案 (17)

4.运行图 (17)

总结 (18)

参考文献 (18)

附录1 超声波距离探测器设计原理图 (19)

附录2 源程序 (20)

基于超声波传感器的测距系统设计

一．超声波测距系统总体设计

1.1．超声波和超声波传感器

1.1.1．超声波

在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，我们生活的世界充满了各种可

听的声信号。声学是最早发展的学科之一。我国两千多年前的先秦时期，在乐律和乐器的研究方面，对声学的发展作出了重要的贡献。在国外，19世纪，声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。

然而超声波人们发现的就相对晚一点了。由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。

我们知道以前在物理课中学过，人们可听到的声音频率为20HZ-20KHz，即为可听声波，超出频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波，称为超声波，或称超声。声波的速度越高，越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同。一般有以下几种：

①纵波

质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播。

②横波

质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。它只能在固体中传播。

⑧表面波

质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波。表面波只在固体地表面传播。

1.1.2超声波传感器结构

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1．压电传感器：2．磁致伸缩传感器：3．静电传感器。

流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性:

把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变：相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。

传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，

根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号[7]。

双压电晶片如图1-1所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方

向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动

双压电晶片的等效电路如图1-2所示，c0为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗并联

电阻O”和Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为损耗串联电阻。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率儿。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

超声波传感器的结构如图13所示，它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反

极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷

薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这

两处的支点就成为振予振动的节点。金属板的中心有圆锥形振予，发送超声波时，圆

锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波：接收超声波时，超声波的振

动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。

1.2超声波测距系统原理及测量方法

超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距最为常用，它主

要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现。

如图1-4所示，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后

由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在己知超声波声速犷的前提下，利用：

1.3超声波测距系统主要参数论述

1.3.1工作频率

空气中超声波的衰减对频率f很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz 左右，太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的上作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑：

(1)如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。

(2)1作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍

物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

(3)从传感器设计角度看，I作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于木测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz。这样传感器方I句性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

1.3.2指向角介绍

传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，记为0，它直接影n向测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径r有关。

1.3.3温度介绍

由9.9可知，声速的大小线性的决定了测距系统的测量精度。空气中传播的超声波是

由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。即：

其中B为气体的弹性模量，r为气体的密度。气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得：B=g．r，其中g为定压热容与定容热容的比值，空气为1.40，P为气体的压强。气体的压强为：

其中，

R为普适常量8. 314kg/mol，T为气体温度K（绝对温度），M为气体分子量，空气为28.8×10-3 kg/mol。所以

由公式2-6可知，超声声速与空气的温度有密切关系。例如：20℃时，T=293. 15，

CS=344.2 m/s; -20℃时，T-253. 15，CS=319.9 m/s；从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。

下表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。

1.4总体设计

上面我们就影响超声测距误差的几个因素做了分析，并为本系统选择了比鞍适合的传感器，即由一支发射探头UCM-T40和一支接收探头UCM-R40的收发分体式传感器。木章主要在此基础上就如何具体设计本系统进行详细分析。系统计划在室内实现小范围测距，测试距离约在2米以内，系统整体结构如图1-5所示。

发射电路采用单片机PI．0端口编程输出40kHz左右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器TO。由于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求，驱动超声传感器UCM40T发射超声波距离足够远，故在此电路上加功率放大电路。

从接收传感器探头UCM40T传来的超声回波很微弱（几十个mV级），又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的。本系统设计此部分电路时采用一级放大，和一带通滤波电路，中心频率40KHZ左右，放大滤波电路均采用了高速精密运算放大器TL082，输出信号大约在5v左右。由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应信号常为下降沿脉冲信号，故信号在放大电路后通过LM393构成的比较电路，将正弦信号转换成方波信号，用方波的负跳变作单片机的中断输入，目的使得单片机知道已接收到超声信号，内部计数器停止计时。

二超声波测距系统的硬件设计

2.1时钟电路和复位电路

51系列单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTALI，XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外按晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1. 2MHz到12MHz之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路、起振速度有少许影响，CIO、ClI可在20pF到lOOpF之间取值。本设计中，振荡晶体选择12MHz，电容选择30pF。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。

51系列单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只

要vcc的上升时间不超过Ims，就可以实现自动上电复位。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源vcc接通而实现的。

图2-1 时钟电路和复位电路

2.2超声波发射电路

超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.O端口输出40 kHz 左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz方波脉冲信号俞成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器UCMT40以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图2-2所示。图中输出端上拉电阻R3，R9，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

图2-2 超声波发射原理图

2.3接收电路

2.3.1 CX20106的应用

上述UCMT40发射的在空气中传播，遇障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波（回波）顺利接收到超声波接收换能器UCMT40进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INTO)引脚，以产生一个中断。接收部分的电路，如图2-3所示。可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30-60kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器．将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S52的INTO引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R42，将滤波器的中心频率设置在40 kHz，就可达到理想的效果。

图2-3 超声波接收原理图

2.3.2显示电路

本系统采用共阴七段数码管显示所测距离值。数码管采用动态扫描显汞，段码输出端口为单片机的PO口，位码输出端口分别为单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口，数码管位驱运用NPN三极管S9012驱动。因为单片机的接口够用所以不必考虑接口问题。如下图所示。

2.4温度测量电路

由于声音的速度在不同的温度下有所不同，为提高系统的精度，采用了温度补偿功能。这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18820，其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。将DS18820数据线与单片机的P2.4口相连，就可以实现温度测量

2.5报警电路

采用一个蜂鸣器，由P1.2输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管9012的放大。报警部分的连线如图所示

三．超声波测距系统的软件设计

该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组成，下面主要通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。该系统的核心部分采用性能较好的AT89S51单片机

3.1软件设计原理

在系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据第二节所述系统硬件设计和所完成的功能，系统软件需要实现以下功能：

一、信号控制

在系统硬件中，已经完成了发射电路、接收电路、检测电路、显示电路、门限检测的设计。在系统软件中，要完成增益控制信号、门控信号、发射脉冲信号、峰值采集信号、远近控制信号的时序及输出。

二、数据存储

为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻计数器的计数值，然后存储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理。

三、信号处理

RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出，因为计数值与实际的距离值之间转换公式为：S=0.5{V灯=0.5$v术(Tr}N)其中，T为发射信号到接收之间经历的时间，Tr为方波信号怍为计数脉冲时计数器的时间分辨率，N为计数器的值。在这个部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制与十进制转换。

四、数据传输与显示

经软件处理得到的距离送显示输出，用四位LED表示。由于采用了单片机AT89S51 并考虑整个系统的控制流程，整个系统软件都有AT89S51系列单片机汇编语言实现。由于

距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进制转换子程序后显示输出。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、中断服务程序几个主要部分。、、

3.2主程序流程框图

主程序首先是对系统坏境初始化，设置定时器TO工作模式为16位定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端PO和P2清O。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发。需要延时0. 1ms （这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是l2MHZ的晶振，计数器每计一个数就是lum，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数（即超声波来回所用的时间）按式(4.1)计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计使取20℃时的声速为344m/s则有

d=(c*t)/2=172T0/1000 cm (3.1)

其中T0为计数器TO的计数值。

测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.4s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

定时器／计数器方式控制寄存器TMOD

定时器／计数器TO、Tl都有4种工作方式，可通过TMOD编程设置来选择。

TMOD的低4位用于定时器／计数器0，TMOD的高4位用于定时器／计数器1 表3.1定时器／计数器方式控制寄存器TMOD

中断允许控制

各中断源的中断开放或关闭是有内部中断允许寄存器IE的各位来控制的。IE的位定义格式如下：

表3. 2IE的位定义格式

EA：中断允许总控位。EA=O，屏蔽所有的中断请求；EA=I，开放中断。EA的作用是使中断允许形成两极控制，即各中断源的中断允许与否，首先受EA位的控制，其次还要受中断源自己的中断允许位控制。

ETO (ETl)定时器／计数器T0 (T1)的溢出中断允许位。ETO=0，禁止T0中断：ETO=1，允许TO中断

3.3子程序流程图

3.4测量温度子程序

测温电路由美国DALLAS公司的DS18820芯片完成，其初始化过程如下：

DS18820的初始化

(1)先将数据线置高电平“1”。

(2)延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）

(3)数据线拉到低电平“0”。

(4)延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。

(5)数据线拉到高电平“1”。

(6)延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18820所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。

(7)若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起(第(5)步的时间算起）最少要480微秒。

(8)将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。

DS18820的写操作

(1)数据线先置低电平“0”。

(2)延时确定的时间为15微秒。

(3)按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。

(4)延时时间为45微秒。