超声波测距系统设计

超声波测距系统设计

论文题目：超声波测距系统设计

摘要

超声波具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，超声波测距作为一种有效的非接触式测距方法已被应用于多个领域。

本设计采用渡越时间法，硬件系统分为发射模块、接收模块、显示模块、中央处理模块四个部分。本设计采用STC89C52单片机作为微型中央处理器并由软件实现40kHz脉冲经放大电路从超声波发射探头T-40发射出超声波，接收探头R-40收到声波后经集成芯片CX20106A放大滤波整形后回送到单片机计算，通过发射与接收的时间差和声速计算出距离。本系统使用四位共阳极LED数码管显示距离，能实时显示即时距离。

经测试,在30cm～200cm范围内，误差能控制在2cm以内。根据实验数据进行了误差分析，并提出了解决方案，最后对超声波测距技术的发展进行了展望。通过系统的调试和测试，本设计基本完成了设计要求。

【关键词】单片机，超声波，测距，渡越时间法；

【论文类型】应用型

Title: The design of ultrasonic distance measurement system Major:Electronic and Information Engineering

Name: Zhang Yankun Signature:_______ Supervisor: Zhang Xiaoli Signature:_______

ABSTRACT

The advantages of ultrasound without the influence of outside light and electromagnetic fields and other factors , ultrasonic distance measurement as an effective non-contact distance measurement method has been used in many fields.

This design uses the transit time method, the hardware system is divided into transmitter module, receiver module and display module, the central processing module. This design uses a microcontroller STC89C52 as micro central processing unit and 40 kHz pulse by the software, The ultrasonic emission from the ultrasonic probe the T-40 via the amplifier circuit. Acoustic

received by probe R-40, via the integrated chip

CX20106A amplifying , filtering and shaping and sent to the microcontroller computing, calculate the distance by the transmit and receive time and the speed of sound. The design uses four common anode LED digital display the distance value, to provide users with a very intuitive interface.

Been tested within the range of 30cm ~ 200cm, the error can be controlled at less than

2cm.According to the experimental data and analyzed the error, and proposed solutions, the developmental direction in ultrasonic ranging were also presented at last.By systematic debugging and testing, the design basically completed the design requirements.

【Key words】microcontroller, ultrasonic, range, transit time method

【Type of Thesis】Applied

前言

随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多

个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD 探测、雷达测距、激光

测距等。其中，CCD 探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息

等特点，但视觉测距需要额外的计算开销。雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的

环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干

扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。与前几种测距方式相比，超声波测距可以直

接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，能量消耗缓慢，在介质

中传播的距离较远且操作简单，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，对环

境有一定的适应能力，且覆盖面较大等优点。这些特点可使测量仪器不受被测介质的

影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。

但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，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，超声波测距仪作为

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，未来的超声波测距仪将与自动化

智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。

然而超声波测距也有其局限性，超声波传播波速不恒定、回波信号幅值随传播距

离增大呈指数规律衰减、有盲区、超声波的旁瓣影响、混响信号干扰、超声波探测器

测量分辨力和探测角度范围的矛盾等局限性。所以目前研究主要是降低现有测距方法

的误差和寻找新的超声波测距方法。

超声波测距方法主要有可变阈值检测法、相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法四种。通过系统论证，本设计最终确定采用渡越时间法。

渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差t，求出目标障碍物距信号发射源的距离d，计算公式为:d = vt /2,其中，v 为超声波波速( m/s)。

本论文研究了超声波测距原理以及各种超声波测距系统的优缺点，确定了本设计

所采用的方案。文中确定了发送模块、接收模块、显示模块、中央处理模块构成整个

系统，并确定了各个模块实现所使用的芯片，软件设计部分描述了各个模块程序流程

图和主要程序。制作硬件并检测调试。最终得到实验结果并对误差进行了分析，提出

减小误差的方法和方案。附录部分提供了本论文所使用的硬件电路和软件代码。