超声波测距分析

《单片机技术》课程设计说明书

超声波测距

系、部：电气与信息工程

学生姓名：凌昇

指导教师：万系杰职称教师

专业：电气自动化

班级：电气1101

完成时间：2013.12.22

摘要

超声波测距作为一种非接触性的光学测量方法，近年来得到了广泛应用。它具有测量方便,不对被测物体产生损坏等优点。超声波明显特征是方向性好，穿透性强。尤其是在光不透过的固体中，它碰到杂质或分界面就有显著的反射。因此，可以利用超声波实现对距离的测量。距离是通过测量发射的超声波与接受到被测物体反射的回波之间的时差来确定的。采用压电式超声波换能器。装置包括单片机系统、显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分。系统的软件部分则包括主程序、定时子程序、显示子程序和外部中断服务子程序。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。完成了超声波测距仪的软硬件设计，实现了测量结果的显示，经系统调试可看出，L E D数码管显示清晰稳定，测量结果稳定可靠，测距仪最大误差不超过5c m。

关键词：超声波测距；51单片机

ABSTRACT

Ultrasonic Ranging is a non-contact optical measurement me thod which has been widely

applied in recent years. It has the advantages of measuring convenience, not be the object produce damage. Obvious fe atures of the ultrasound is directional, penetrating. Especial ly in light opaque solid, it met the impurities or the int erface will have a significant reflection.. Therefore, we can use ultrasound to achieve the measurement of distance. The distance is got by measuring time difference that between emission ultrasonic and the echo of the measured object refl ection received with piezoelectric ultrasonic transducer. The device includes a microcontroller system, display circuit, ult rasonic transmitter and ultrasonic detection receiver circuit. The software part of the system include the main program, timing subroutine display routines, and external interrupt s ervice routine. The main program use C language for conduciv e to the program structure and easy to calculate the distan ce. I complete hardware and software design of the ultrasoni c range finder, and achieve measured results display. Accordi ng to system debugging, LED digital display clear and measur ing results are stable and reliable and the range finder er ror is less than 5cm.

Key words: ultrasonic rangefinder；51MCU

目录

1 绪论 (1)

1.1课题设计的研究现状 (1)

1.2课题设计的任务和要求 (1)

1.2.1课题设计的任务 (1)

1.2.2课题设计的要求 (2)

1.3选题的意义 (2)

2 超声波测距原理 (4)

2.1超声波简介 (4)

2.1.1超声波的声学特性 (4)

2.1.2超声波的发生原理 (5)

2.2超声波传感器的原理与特性 (5)

2.2.1原理 (5)

2.2.2特性 (7)

2.3 超声波测距仪的测距原理 (8)

2.3.1单片机最小系统 (9)

2.3.2超声波发射电路 (10)

2.3.3超声波接收电路 (11)

2.3.4超声波测距仪显示电路 (12)

2.4本章小结 (13)

3 超声波测距系统软件设计 (14)

3.1 超声波设计概述 (14)

3.2主程序流程图 (14)

4 电路调试及误差分析 (16)

4.1系统的调试 (16)

4.2系统的误差分析 (16)

4.2.1声速引起的误差 (16)

4.2.2单片机的影响 (17)

4.2.3 其他的误差 (17)

4.3提高测距精度的方法 (18)

5. 结束语 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

附录 (22)

1 绪论

1.1课题设计的研究现状

当我们的测距技术日渐趋于成熟，我们对测距的精度要求也日渐严苛，传统的测距技术在某些场合已经不能够满足人们的需要，如在井道，水位，管道等的长度测量方面，传统的测距方式已然不再适用。在现代社会中，我们既要要求测量的准确性，又要避免人类在危险的环境下作业。为此我们需要一种可以精确测量的非接触式的测距方式，于是超声波测距仪应用而生。由于超声波是一种非接触式的测量方式，它具有不被光、粉尘或电磁波等外界因素干扰的一系列优点，由于自身抗干扰性好、方向性强、反射性好等优点越来越多地被人们作为一种测距识别手段[1]。它利用超声波测距传感器的发射探头与接收探头工作时的时间差来计算出障碍物的距离，对被测目标无任何影响，再者超声波传播速度也在一定范围内与其频率无关。这些独特的优点都使得超声波测距越来越受到人们的重视，也从70年代末期开始在生产领域广泛应用。这也就是超声波常被用于测距的原因，如测距仪或物们测量仪等等都是通过超声波来实现的。利用超声波检测距离比较迅速、方便，计算也较简单，易于做到实时检测，并且在精度方面也能够达到工业实用的要求，因此在工农业生产上也得到了广泛的应用。超声波测距传感器按其可实现的检测距离可以分为大、中、小三种量程，小量程探测距离小于2m，工作频率60kHz～300kHz之间；中量程探测距离约为2m～l0m，工作频率在40kHz～60kHz之间；大量程探测距离约为20m～50m，工作频率处在16kHz～30kHz之间。在我国的相关技术与发达国家相比也较落后，因此对这种能准确、高效、实时测量距离的方式的研究在我国尤其重要。不论在国内还是在国外，超声波测距都占有着相当重要的地位，而它的应用也已经越来越广泛，但在国内，它的发展尚处于初期阶段，利用超声波测距技术还十分有限，在不久的未来，超声波测距仪也必将作为重要的测距手段而被社会广泛需要。而随着计算机的迅速发展，超声波测距仪将更加智能化，精确化。

1.2课题设计的任务和要求

1.2.1课题设计的任务

此次课题的研究方向是超声波测距仪的软件设计。软件主要工作流程是：单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生