超声波测距报告

项目：超声波测距仪的设计
时间：2011/7/09-2011/7/21
一、超声波测距的基本原理
谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。

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。

利用超声波的这种性能就可制成超声传感
器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。

换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。

1.1 超声波发生器
为了利用超研究和利用声波，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。

1.2 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。

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。

1.3 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 最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。

在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。

如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。

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基本原理。

如图1-1所示。

超声波发射障碍物
H
超声波接收图1-1 超声波的测距原理
θcos S H = （1-1）
)(H L arctg =θ （1-2）
式中:L---两探头之间中心距离的一半.
又知道超声波传播的距离为:
vt S =2 ( 1-3)
式中:v —超声波在介质中的传播速度;
t —超声波从发射到接收所需要的时间.
将（1—2）、（1—3）代入（1-1）中得：
]cos[21H L arctg vt H = ( 1-4)
其中,超声波的传播速度v 在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H 远远大于L 时,则(1—4)变为:
vt H 21= ( 1-5) 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.
二、 硬件电路设计
2.1 整体电路设计
整体电路的控制核心为单片机STC89C52RC。

超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。

超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。

2.2 超声波测距仪原理框图如下图所示
单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出，超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用NE553进行比较处理后，启动单片机中中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别，计算，测出距离数并送LCD显示。

图2-2 超声波测原理图
2.3 超声波发射电路
超声波发射电路，要求功率尽量大些，发射距离在5CM-150CM之间，电路力求简单实用。

发射电路主要由反相器74HC04和超声波发射换能器构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这用推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力，上位电阻R30方面可以提高反相器
74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

如图2—3所示。

图2-3 超声波发射模块电路图
2.4 超声波接收电路
在本次设计中选择了前置放大电路＋带通滤波电路＋后级放大电路的类似电路。

通过波形整形，积分器，检波器，带通滤波，限幅放大和前置放大等实现接收超声波的功能。

由于在距离较远的情况下，超声波的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，为此要求将信号放大一万倍左右。

如下图所示，电路由两级放大，前两级共放大一万倍，采用高速精密放大器NE5532运算放大器。

第一级放大的倍数约为原来信号的50倍，第二级放大的倍数约为原来信号的33倍。

放大的信号经耦合电容和二极管送人比较器，比较器的作用是将交流信号整形输出一个方波信号，与VCC的电压比较，在比较结果之后，像CPU发中断申请。

在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值。

如图2-4所示。

图2-4 超声波接收电路
2.5 显示电路设计
在显示电路的设计上，我们采用的是LCD液晶屏显示。

利用单片机的P0口
来控制LCD的显示，这种解法虽然比较浪费管脚资源，但是对于单片机的理论知识要求相对比较低，而且超声波发射和接收电路并不需要很多的管脚来支持。

所以我们采用这种方案。

2.6 超声波测距总原理图
在原理图的设计上，我们尽量采用更少的元器件来实现应有的功能，虽然在调试的时候可能会出现很多的问题，但这样可以简化电路的设计，达到更小的模块。

在语音的处理上，我们采用的是有源的蜂鸣器，在测距小于一定程度的时候会通过语音来警告，语音报警系统连接到单片机的P3.3口。

原理图如图2-6所示。

图2-6 超声波测距原理图
2.7 超声波测距PCB图
在PCB图的设计上，我们尽量让元件之间疏密有间，元器件两端管脚之间的距离应控制在一定的范围内，这样就能保证不会因为两端焊盘之间的距离太近而不能把元器件插在板上。

图2-7 超声波测距PCB图
三、软件设计
本设计的软件设计部分十分的重要，距离的换算与显示，就连部分硬件电路不能完成的滤波也要靠程序来完成。

而且程序的设计也是本设计的难点。

3.1 程序完成的功能
本次设计的程序需要完成的功能有：
（1）超声波的发射和接收控制。

（2）对回波信号的检查。

（3）测距时间到距离的换算。

（4）距离的显示。

（5）对距离进行判断。

（6）当测量距离小于报警距离时能自动报警，报警距离通过键盘输入。

3.2 主程序流程框图
下图3-2所示为主程序框图
图3-2 主程序框图下图3-3所示为中断服务程序框图
图3-3 中断服务程序
四、结束语
为期两个星期的第一个项目设计“超声波测距”就要结束了，在十四天的时间里，我们组员每天都坚持都呆在工作室里，为了调试出超声波应有的波形，我们克服了重重的困难，借助于模电数电知识和单片机技术的结合，解决了超声波测距的一些难题。

本项目设计采用STC89C52RC为核心，灵活的运用超声波换能集成电路作为超声波的接收电路，在讨论了超声波测距原理、硬件电路实现和软件设计方法基础上，完成了超声波测距的设计要求。

从方案的选择、论证、到具体的设计，我们查阅了大量的资料，对一些疑难的问题，我们得到了老师和同学的帮助。

参考文献
【1】范红刚.51单片机自学笔记.北京航空航天大学出版社，2010 【2】刘守义.单片机应用技术.西安电子科技大学出版社，2009 【3】蔡勉.电子器件与电路.清华大学出版社，2006
【4】陈贵银.单片机原理及接口技术.电子工业大学出版社，2010。