数字电子测速仪

第一章绪论

我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹。因此，当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为“超声波”。

目前,非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。但激光和雷达测距仪造价偏高,不利于广泛的普及应用,在某些应用领域有其局限性,一般仅用于军事工业。相比之下,超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低,且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。所以超声波测距在各种场合均得到广泛应用,如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业自动控制,建筑工程测量和机器人视觉识别。

1.1超声波传感器的发展及应用

1.1.1超声波的发展史

随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。

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。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上，也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

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。

1.1.2超声波传感器的应用

工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。超声波应用有三种基本类型，如透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

主要性能指标；

(1)工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

(2)工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

(3)灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

在医学检测上的应用：B超

用于检测液位的超声波传感器：

●声波漫反射式接近传感器用于检测液位

●声波反射式设计用于检测远处的目标

●声波接近传感器可有模拟量输出,可适用于精确的连续控制.

●模拟量输出信号和被测物距离的线性斜率可调,满足各种控制要求.

●声波接近传感器可有两个开关点设置,并可通过按钮方便的设置.

●方形和原柱形设计满足不同的现场安装要求.

超声波传感器在质检方面的应用——超声波探伤仪

超声波探伤仪主要应用于金属工件内部的质量检测，如检测金属是否有气泡，焊接部位是否有未焊透等缺陷等。现以超声波电子束焊缝检测系统为例来说明超声波探伤仪的应用：

1.1.3超声波传感器应用前景展望：

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。

1.2超声波测速原理

超声波测距原理

第一节超声波发生器

超声波发生器，通常称为超声波发生源，超声波电源。它的作用是把我们的市电（220V或380V，50或60Hz）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路，大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化。从目前超声业界的情况看，超声波主要分为自激式和它激式电源。发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz。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。

第二节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2-1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。

图2-1 超声波传感器结构

第三节超声波测速原理

超声波测速的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高,但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响,故本系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波,经气体介质的传播到接收器的时间,即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘,就是声波传输的距离。该距离的计算公式如下:

d=s/2=vt/2

其中：d为被测物与测物的距离，s为来回声波的路程，v为声速，t为声波来回的时间。为了提高精度，需考虑不同温下超声波在空气中不同温度变化下关系：

v=334.1+0.01t

表2-1 不同温度下的声速

基于这种思想，本次设计中便来探讨超声波测距方法的设计。

第二章系统的方案设计

2.1方案比较

2.1.1方案一：本系统由单片机AT89C2051，包括发射电路，接收放大电路，检波电路，形电路，显示电路几部分组成。如图2.1所示。

此类超声波测距经单片机的T0和T1口正负交替发射出的一连串的40KHZ 的脉冲波形。由于反射回来的超声波信号非常薄弱，所以接收电路要将其进行放大。接收到的信号先经102电容藕合，然后加到运算放人器上进行两级放大。然后再经滤波、检波，比较、整形电路将信号返回到单片机中，单片机通过中断的形式来判断超声波是否接收到，如若接收到，则此时停止计时。显示电路采用的是四位一体的LED共阴极数码显示管，并用74HC373作为它的驱动，来显示所测距离。

接收模块

图2.1 方案一总体设计框图

方案二：此类超声波测距是以单片机STC89C52为核心,其发射击端主要是由由芯片74HC14里的六路施密特触发反相器来工作的, 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，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=340×t/2。

在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步;当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。该超声波测距仪的系统主要有几下部分组成（如图2.2所示）：单片机STC89C52,超声波发射模块，超声波接收模块，温度检测模块，LED显示模块。

图2.3 方案二总体设计框图

2.2 方案选择

方案一采用单片机AT892051作为其主控，其发射电路中是由74HC04反相器以

及三极管组成的，电路比较复杂，元器件比较多，也不够经济。且其接收电路运用运算放大器，电路也比较复杂。由于超声波本身会受温度所影响，此设计中并未考虑此点。

方案二是由单片机STC89C52来控制的，比其AT892051，其资原更丰富。而且其精度比较高，且能实现双向测距。而且其发射电路和接收电路都是由芯片来处里的，电路图不用那么复杂，且带有温度检测电路，能够检测出超声波随温度变化的速度，从而提高系统的精度。而且此类系统的稳定性比较高,功耗低。

基于以上两者方案的比较，所以在本次设计中选择方案二。

第三章

3.1主要元件简介

3.1.1单片机简介

单片机是一种集成在硅片上的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

STC89C52单片机

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。

⒈ 电源: ⑴ VCC - 芯片电源，接+5V；⑵ VSS - 接地端；

⒉ 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

⒊ 控制线:控制线共有4根，⑴ ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址② PROG功能：片内有EPROM 的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。⑵ PSEN:外ROM读选通信号。

⑶ RST/VPD:复位/备用电源。① RST（Reset）功能：复位信号输入端。② VPD 功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。⑷ EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM 编程电源。① EA功能：内外ROM选择端。② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

⒋ I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32

个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

STC89C52单片机芯片封装图

STC89C52芯片的封装有PLCC、PQFP以及DIP—40，本设计采用的是引脚双列直插式封装。其封装形式如图2-1。

图2-1 STC89C52 DIP-40封装

3.1.2超声波测距模块

1、HC-SR04超声波模块特点：

HC-SR04超声波模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测

距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：

(1)采用IO 口TRIG 触发测距，给最少10us 的高电平信呈。

(2)模块自动发送8 个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回，通过IO 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声

波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

2、实物图：

如图接线，VCC 供5V电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四个接口端

图一实物图

3．电气参数

4、超声波时序图：

图二、超声波时序图

以上时序图表明你只需要提供一个10uS 以上脉冲触发信号，该模块内部将

发出8 个40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距离=

高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms 以上，以防止发射信号对

回响信号的影响。

注：1、此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响

模块的正常工作。

2、测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的

结果

5、实物规格：

3.1.3 LCD1602

液晶显示器各种图形的显示原理线段的显示：点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM 区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH 时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。

1602字符型LCD简介

1·字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公

司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图

图一

2·1602LCD的基本参数及引脚功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图

图二

3`LCD1602主要技术参数：

显示容量:16×2个字符

芯片工作电压:4.5—5.5V

工作电流:2.0mA(5.0V)

模块最佳工作电压:5.0V

字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

4`引脚功能说明

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表

表1 引脚接口说明表

第1脚：VSS为地电源。

第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：背光源正极。

第16脚：背光源负极。

总体设计

1.整体设计框图

3 单元模块设计

超声波测距系统主要包括单片机系统,发射电路,接收电路,数码管显示电路，温度检测电路五部分，此外还有电源输入，RES232接口等几部分，本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1 单片机模块

单片机是此次设计中的核心。通过其它部件的引脚和单片机相连,从而使得整个系统工作。单片各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的工作的。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种方式为外部时钟方式。

本次设计中用得是内部时钟方式，由于单片机内部本身有一个用于构成振荡器的高增反相放大器的输入端为芯片引脚XTA1，输出端为XTA2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成的一个自激振荡器。其是电路图如下所示，其中两个电容为30pf,晶振的振荡频率为12MHz。超声波的产生由软件产生，及在单片机中写入程序，使得其产生40KHz的超声波信号。

C18

IC7

ATC89c52单片机

图3.1 单片机统模块电路图

3.1.2超声波发射电路

发射电路如图3(a)所示。发射电路将接收到的方波脉冲信号送入乙类推挽放大电路，用其输出信号驱动CMOS管，接着将其脉冲信号加到高频脉冲变压器进行功率放大，使幅值增加到100多伏，最后将放大的脉冲方波信号加到超声波换能器上产生频率为125 kHz的超声波并将其发射出去。

超声波接收电路

接收电路由OP37构成的两级运放电路，TL082构成的二阶带通滤波电路以及LM393构成的比较电路三部分组成。因本系统频率较高，回波信号非常弱，为毫伏级，因此设计成两级放大电路，第一级放大100倍，第二级放大50倍，共放大5 000倍左右。

4.显示电路设计

LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似。只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。

显示电路

软件设计

软件设计中所用到的工具

本次设计中主要用到三种软件，分别是Protel99SE，KEIL。Protel99SE可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。K EIL软件是目前最流行开发 MCS-5

软件设计流程框图

本系统的软件设计采用模块化设计，由主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、温度补偿子程序和以及显示子程序组成。流程

图如图3.14所示。

图3.14软件设计流程图

系统调试

本次设计的调试方式采用的是实物调试，由于很多硬件的动作需要软件实现，故本次调试没有按常规分为软件调试和硬件调试最后再进行综合调试，本次调节分为模块调试和综合调试，同时在调试之前，检查5V电源是否正常输出。硬件调试

在硬件调试中，所用到的工具有示波器、直流电源和万用表，首先要确定是否有电源输出，检查单片机的电源是否有电源提供，这样才能保证整个系统有能够工作。在上电之后，发现电源指示灯并未亮，在用万用表经过仔细检查一翻后，发现在和电源附近相连的一个二极管并未焊接到系统板上，因此未能将电源接通，将近元件焊上后，再上电时，发现电源指示灯亮了。再检测接发射模块的电源时，发现芯片74HC14的电源引脚并未上电，所以导致其并未正常工作。

在检查各个模块的电源正常过后，接下来是则是要测试在超声波的发射和接收电路中，是否有发射和接收到超声波。在此阶段，则需用到示波器，将示波器的两个探头分别接到地和需要测试的端口，则可从示波器上观察到是否有波形产生。在检查此部分的时候，发现在接收部分并未有超声波信号的产生。最初，产生的波形很不稳定，而且也没有40KHZ，经过的反复的调试，最终发现问题所在，在发送探头处，导线未接好，可能导致电路短路或者是接触不良，所以信号不稳