超声波测距仪的设计实现

超声波测距仪的设计实现

摘要

该超声测距系统采用芯片STC89C52作为系统的主控制器，利用NE555作为本系统的脉冲发射源，结合3位7段数码管液晶显示，达到了较大的测试距离和较高的测量精度，并能实时显示且无明显失真。

关键字: 超声波测距实时

第1章设计题目与要求

1.1 设计要求

采用压电式超声波换能器，使用单片机作为控制器，完成超声波测距仪的软硬件设计。

1.2 基本要求：

(1)具有反射式超声波测距功能，测量距离0.1m~3.0m；

(2)测量距离精度：误差±1cm；

(3) 利用LED数码管显示测试距离；

(4)实时显示测量的距离，显示格式为：□.□□米

第2章系统总体方案论证

2.1 系统总体方案

题目要求设计一个利用超声波反射原理测量距离的超声波测距仪，并且具有实时同步显示，由此本系统可以划分为发射、接收、显示、主控制模块共四大模块，如图2.1所示：

图2.1系统基本方框图

针对技术指标的需要，为使系统的测量距离更远、精度更高，提高系统的整体完善性，现对以上系统各个功能模块进行一一的方案论证：

2.2 主控制模块

2.2.1 主控制模块概述

主控制器模块其实就是一个简化的嵌入式系统。

嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。

2.2.2 主控制模块方案选择

根据以上知识，考虑到目前市场上比较常用的AVR、61、51三种微控制器，我们有如下三种方案可供选择。

方案一：AVR单片机

AVR单片机种类丰富，有AT tiny、AT90S、ATmeg系列，各个系列又有不同

的型号，价格较适中。相对来说，比起51单片机来说资源较丰富，内部也有集成A/D ，有PWM 输出，但在系统进一步扩展方面不是很好，这类单片机主要应用于工业控制领域，在语音处理方面没有什么优势。 方案二：SPCE061A.

凌阳单片机的资源相对来说比较丰富，32K ×16bitFlash ，两路D/A ，1个全双工异步串行口（UART ）方便其跟其他为控制通信。而且它的编程和C 语言很相似，最重要的它在语音处理方面有得天独厚的优势，并且凌阳公司的网站提供了丰富的技术支持。 方案三：51单片机

51单片机的最小系统板非常简单，价格便宜，但51单片机内部的RAM （128bit 或256bit ）和ROM(4KB 或8KB ，特别地AT89S8253为12KB)都比较小，内部并没有集成D/A 、A/D ，不方便语音处理，因而系统扩展起来比较麻烦。由于本课题没有要求语音播报，且其它要求不需外部扩展A/D 就可以实现，所以本次实验选用性价比高的STC89C52作为主控芯片。

综上所述，本系统选用宏晶公司生产的STC89C52作为核心控制器。

2.3 发射模块

2.3.1 超声波发射原理

超声波是一种人耳无法听到，频率高于20KHz 的声音。声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s （21℃，在海拔空气压力下），波长与速度的关系为：

f

υ

λ=

（2-1）

其中λ为声波的波长，υ为声波在空气中的传播速率，f 为声波的频率

从上面可以看到，40KHz 超声波在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才有可能在进行测量时获得很高的精确度。

如果假定音速是344 m ／s 时，100Hz 的音频的波长就是3.44 m ，1000Hz(即lkHz)的波长就是34.4 cm ，而一个20kHz 的音频波长为1.7cm,40KHz 的的音频波长为8.5mm

为了达到题目中的技术指标，对所用探头的物理特性进行详细的分析是十分

必要的。

在没有任何驱动电路的情况下，只利用信号源和示波器来定性的分析接收探头电压随发射探头距离、频率以及发射探头两端加的电压关系。

（1）检验探头中心频率：即在发射探头上的电压一定，发射探头和接收探头之间的距离一定时，接收探头的电压随发射探头频率的变化。

利用信号源加在发射头两端电压的峰峰值V V pp 20=（电压太小会使接收到的信号非常微弱，为便于观察，在这里取20V ）在15cm 的地方放有木板，经过反射，通过接收换能器，直接在示波器观察电压随信号源发射信号的频率的变化。测得的数据如表一所示：

表一 中心频率测量

测试条件：发射探头所加电压pp V =20V ，两探头之间的距离l=20 cm

由表一可以发现发射信号的频率在39.9KHz 时在示波器上观察到的电压峰峰值（pp V ）最大，由此我们判定39.9KHz 为超声波探头谐振的最佳频率，也即中心频率。

注：本测量结果只对我们所使用的探头有意义。

（2）验证接收探头的电压随距离之间的关系。由于只需定性地分析，通过查找超声波探头资料，可以得到电压与距离的关系如图2.2所示：

从图2.2可以看出频率在40KHz 时声压随距离的衰减较小，频率越高，衰减率越高，波的传播距离越短。但根据换能器的不同稍微有差别，因此实测的最佳频率稍微偏离40KHz ，见表一。鉴于报告书写方便，本文均以40KHz 代替。 纵观所有利用波的反射测距如雷达，发射的信号为CW （Continuous wave ）脉冲。通过计算接收到的这组波和发射这组波的时间间隔，再根据2-2式计算距离。

t v l ⨯= （2-2）

其中l 为超声波传播的距离，v 为超声波传播的速率，t 为传播的时间。