电子设计竞赛设计报告-超声波测距仪

“第六届”电子设计竞赛
设
计
报
告
作品名称:
超声波测距报警器
姓
名:
徐明波
陶勇
顾金龙
年级专业: 07 测控 07 级电气工程 07 级电气工程 指导教师: 完成时间: 2010 年 李 4 涛 月 6 日
电气信息学院

西华大学电子设计竞赛设计报告
超声波测距报警器
摘 要：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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。本文主 要介绍超声波在汽车防撞报警系统中的应用，以 STC89C52 单片机为核心的低成本、高 精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。
关键词：超声波发生器 超声波换能器
测距
Abstract: As the ultrasonic point to straight, energy consumption is slow, and it can spread a long distance in the medium, therefore it is often used in distance measurements, such as range finders and Level Meter can be achieved by ultrasound. In this paper, ultrasonic collision warning system is used in the way to protect the car from breaking into another. Here we use the chip of STC89C52 to help us complete this work, as its low-cost, high precision, miniature digital.
Keywords: Ultrasonic
generator;
ultrasonic
transducer;
ranging

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1 方案论证与比较
1.1 方案一：激光测距 传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标 反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后 成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感 器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所 经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输 时间，因为光速太快。常要求电子产品分辨出 ns 级别的电信号。这是对电子技术 提出的过高要求，实现起来造价太高。 1.2 方案二：超声波测距 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可 以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。 1.3 方案论证与比较 因为我们选择使用的是 MCS51 单片机，而 51 单片机的周期最小为 1us，在我们需要 的精度要求内单片机无法满足激光测距仪的要求,更达不到激光测距所要求的电子产品 的反应速度，而超声波测距在相对来说，经济实惠、结构简单并且易于操作。所以我们 选择超声波测距来实现测距达到我们最终的设计目的。
2 理论分析与计算
2.1 的超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超 声波发生器可以分为两大类：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。 2.2 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结 构如图 1 所示，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。 2.3 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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。超

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声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距 障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。
由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表 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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即 可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如图 1 所示。 表 1 声速与温度关系表 温度（℃） -30 -20 319 -10 325 0 323 10 338 20 344 30 349 100 386
声速（米/称） 313
3 系统设计
3.1 超声波的发射与接收电路 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超 声波发生器可以分为两大类：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。 他们所产生的超声波频率、 功率和声波特性各不相同， 因而用途也各有不同。 幕墙较为常见的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的 谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 3.2.1，它有两个压电晶片和一个共振板。 当它两极歪加脉冲信号， 其频率等于压电晶片的固有震荡频率时， 压电晶片将发生共振， 并带动共振板振动，便产生了超声波。

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图 3.2.1 超声波发生器内部结构 在这个超声波测距报警系统中，如图 3.2.2 所示的超声波发生电路，我们采用的超 声波探头为图 3.2.1 中的压电式超声波探头，发射头 T 在要求的频率下产生超声波信号 并向固定的方向发射出去，当超声波信号遇到前方的障碍物就会被反射回来，这时超声 波接收头接收到被反射胡来的超声波信号并立刻产生一个低电平，这个低电平就送向单 片机进行处理，以达到测距的要求。
图 3.2.2 超声波发生电路 如图 3.2.3 所示，为超声波接收电路。当超声波接收探头接收到超声波后，超声波 接收芯片 CX20106 的 7 脚产生一低电平，触发单片机的外中端口 IT0 端，通过计时计算 超声波所测得的距离。
图 3.2.3 555 定时器组成的多谐振荡电路

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在该超声波测距报警器系统中，我们使用的是压电式超声波发生器，为使超声波探 头 T 发出我们需要的超声波，我们就得给超声波探头 T 一个频率，使其等了超声波探头 T 的固有频率， 让超声波探头 T 中的压电晶片产生共振并带动共振板振动， 产生超声波。 在这个系统中，我们采用的超声波探头的固有频率是 40kHz，因此我们需要给超声波探 头 T 送一个 40kHz 的方波信号。 如图 3.2.1 所示的电路，采用 555 定时器组成的多谐振荡器来产生所需要的 40kHz 的方波信号。 Tpl=0.7R2C (3-1) Tph=0.7（R1+2R2）C (3-2) 由式子(3-1)和(3-2)得到 f=1.43/（R1+2R2）C 最终，555 产生的方波信号如图 3.2.2 所示。
图 3.2.2 555 产生的方波信号 3.2 显示电路 LCD1602 电流小，功耗低，显示直接方便。超声波测得的距离数据可以通过其显示 出来。
图 3.2.1 显示模块

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3.3 键盘输入
本系统通过 4×4 矩阵键盘输入数据,在测距过程中,输入一个数据,当作预置距离, 当测得的距离超过这个距离的时候,系统报警。键盘如下图所示.
图 3.3.1 键盘 4 软件设计 4.1
该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子 程序、 查询接收子程序、 定时子程序， 并把测量结果用显示子程序在液晶屏上显示出来。

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5.测试数据 系统测试
1、测试仪器
序号 1 2 3 类型 型号 DT9205
示波器
万用表
序号 4 5
类型
型号
2、测试方法 555 定时器产生方波， 由超声波发射探头发出超声波再由超声波接受探头接收超声 波。调试时先用示波器测试 555 定时器是否产生 40KHz 的方波。当 555 定时器产生了 40KHz 的方波之后在用示波器显示接收探头接收到超声波之后两端的电压是否由高电平 降低为低电平。如果产生则调试成功。

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6 结论
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，例如：液位、 井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用 集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。本文介绍一种以 AT89C52 单 片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方 法。实际使用证明该仪器工作稳定，性能良好。 虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用 AT89C52 单片机 可以简化设计，便于操作和直观读数。该系统经实际测试证明，可以满足大多数场合的 测距要求。

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附录一、相关设计图
整个系统电路图

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附录二、相关设计程序
/*连接所需要的库*/ #include #include #include /*定义数据类型*/ typedef unsingned char byte; typedef unsigned int word #define uchar unsigned char #define unint unsigned int #define ulong unsigned long /*定义系统常数*/ #define TRUE 1 #define FALSE 0 #define C=340 /*声速*/ /*定义功能位*/ sbit bflag=ACC7; sbit VOLCK=P1^5; sbit MING=P3^5; sbit QUIET=P1^3; sbit BACK=P1^2; /*定义显示缓冲区*/ uchar idata ON[16]={’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=’,’8’,’.’,’8 ’8’,’m’,’’,’’,’’}; /*主程序用延时子程序*/ woid main-delay(void) { register i; TRO=1; for(i=0;i<15;i++) { TH0=0; TL0=0; Do{}while(!TF0); TF0=0; } TR0=0; } */通用延时子程序*/

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void delay(void) { unint i; for(i=0;i<200;i++){;} } /*键盘延时子程序*/ void key-delay(void) { unint i; for(i=0;i<200;i++){;} } /*初始化程序*/ void start_main() { tegister i; uchar a[16]={’’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=,’8’,’.’，’8 ’，’8’，’m’,’’,’’,’’}; for(i=0;<16;i++) {ON[i]=a[i];} nitlcd();/*初始化液晶*/ display(ON);/*更新显示*/ } /*主程序*/ void main() { register s,keycode; long idata t; start-main();/*初始化*/ main-delay();/*延时*/； if(keycoed= =true) { keycode=key-scan-wait(); /*判断是否有测量键按下*/ t=measure();*/测量*/ S=0.5*t*C;*/换算*/ Decode-bcd(s.0x09); /*把测量结果置换入显示缓冲区*/ init-lcd();/*初始化液晶*/ display(ON);/*更新显示*/ } }