超聲波測距儀設計與實現專業：應用物理系姓名：指導教師：高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第1頁第一章緒論第二章超聲測距技術方案分析第三章超聲波測距系統硬件部分設計第四章超聲波測距系統軟軟部分設計第五章系統實現與檢驗高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第2頁1.2本課題相關說明1.1選題背景及意義第一章

緒論高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第3頁1.1選題背景及意義超聲波測距是一個傳統而實用非接觸測量方法，和激光、渦流和無線電測距方法相比，含有不受外界光及電磁場等原因影響優點，在比較惡劣環境中也含有一定適應能力，且結構簡單，成本低，所以在工業控制、建筑測量、機器人定位方面得到了廣泛應用。但因為超聲波傳輸聲時難于準確捕捉，溫度對聲速影響等原因，使得超聲波測距精度受到了很大影響，限制了超聲測距系統在測量精度要求更高場所下應用。距離是在不一樣場所和控制中需要檢測一個參數，測距成為數據采集中要處理一個問題。而因為超聲波速度相對光速小多，其傳輸時間比較輕易檢測，而且易于定向發射，方向性好，強度好控制，因而人類采取仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一個利用超聲波特征、電子技術、光電開關相結合來實現非接觸式距離測量方法。因為它是非接觸式，所以它就能夠在一些特定場所或環境比較惡劣情況下使用。比如要測量有毒或有腐蝕性化學物質液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間距離。如油庫和水箱液面準確測量和控制，物體內氣孔大小檢測和機械內部損傷檢測等。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第4頁1.2本設計相關說明依據設計要求并綜合各方面原因，能夠采取AT89S52單片機作為主控制器，超聲波驅動信號用單片機定時器完成，其中硬件部分主要由單片機主系統及超聲波發射模塊、超聲波接收模塊、溫度賠償模塊、語音播報模塊、LCD顯示模塊幾部分組成。采取AT89S52來實現對各個子模塊控制。由單片機計數器所計數據就是超聲波所經歷時間，結合超聲波聲速經過換算就能夠得到傳感器與障礙物之間距離，并將距離和溫度賠償模塊所測得環境溫度在LCD屏幕上給予顯示。軟件部分主要有主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中止程序及顯示子程序。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第5頁項目概述2.2超聲測距原理2.3超聲測距系統主要參數2.1超聲與超聲特征第二章

超聲測距技術方案分析高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第6頁2.1超聲與超聲特征聲音是與人類生活緊密相關一個自然現象。當聲頻率高到超出人耳聽覺頻率極限(依據大量試驗數據統計，取整數為0赫茲)時，人們就會覺察不出周圍聲存在，因而稱這種高頻率聲為“超”聲。超聲波特征有：（1）束射特征 因為超聲波波長短，超聲波射線能夠和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且恪守幾何光學上全部定律。即超聲波射線從一個物質表面反射時，入射角等于反射角，當射線透過一個物質進入另一個密度不一樣物質時就會產生折射現象，也就是要改變它傳輸方向，兩種物質密度差異愈大，則折射率也愈大。 高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第7頁

（2）吸收特征

聲波在各種介質中傳輸時，伴隨傳輸距離增加，其強度會逐步減弱，這是因為介質要吸收掉它部分能量。對于同一介質，聲波頻率越高，介質吸收就越強。對于一個頻率一定聲波，在氣體中傳輸時吸收尤為歷害，在液體中傳輸時吸收就比較弱，在固體中傳輸時吸收是最小。 （3）超聲波能量傳遞特征

超聲波之所以能在各個工業部門中得到廣泛應用，主要原因還在于比聲波含有強大得多功率。為何有這么強大功率呢。因為當聲波進入某一介質中時，因為聲波作用使物質中分子也隨之振動，振動頻率和聲波頻率—樣，分子振動頻率決定了分子振動速度。頻率愈高速度愈大。物資分子因為振動所取得能量除了與分子本身質量相關外，主要是由分子振動速度平方決定,所以假如聲波頻率愈高，也就是物質分子愈能得到更高能量。超聲波頻率比普通聲波要高出很多，所以它能夠使物質分子取得很大能量；換句話來說，超聲波本身就能夠供給物質分子足夠大功率。 （4）超聲波聲壓特征

當聲波進入某物體時,因為聲波振動使物質分子相互之間產生壓縮和稀疏作用，將使物質所受壓力產生改變。因為聲波振動引發附加壓力現象叫聲壓作用。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第8頁2.2超聲測距原理最慣用超聲測距方法是回聲探測法，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻同時計數器開始計時，超聲波在空氣中傳輸，途中碰到障礙物面阻擋就馬上反射回來，超聲波接收器收到反射回超聲波就馬上停頓計時。超聲波在空氣中傳輸速度為340m/s，依據計時器統計時間t，就能夠計算出發射點距障礙物面距離S，即：S=340t/2。因為超聲波也是一個聲波，其聲速V與溫度相關。V=331.4+0.607T在使用時，假如傳輸介質溫度改變不大，則可近似認為超聲波速度在傳輸過程中是基本不變。假如對測距精度要求很高，則應經過溫度賠償方法對測量結果加以數值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀基本原理。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第9頁3.2單片機處理單元3.3發射模塊3.1概述第三章

超聲測距技術硬件部分設計3.5語音播報模塊3.4接收模塊3.6溫度賠償模塊高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第10頁3.1概述整體電路控制關鍵為單片機AT89S52。另外還有溫度測量電路測量當初空氣溫度，等到把數據送到單片機后使用軟件對超聲波傳輸速度進行調整，使測量精度能夠到達要求。整體結構圖包含超聲波發射電路,超聲波接收電路,單片機電路,顯示電路,語音播報電路和溫度賠償電路等幾部分模塊組成。單片機控制發射模塊發出40kHZ超聲波信號并開始記時，經過超聲波發射器輸出超聲波信號；超聲波接收器將接收到超聲波返回信號送至接收模塊，經處理后，送至中止信號至單片機，單片機開啟中止程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算和修正，得出距離數并送LCD顯示。顯示內容包含當前溫度值和所測距離。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第11頁硬件結構圖高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第12頁整體設計圖高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第13頁3.2單片機處理單元 單片機正常工作時，都需要一個時鐘電路和一個復位電路來組成單片機最小系統。時鐘電路用于產生單片機工作時所需時鐘信號，其有兩種時鐘方式：外部時鐘和內部時鐘。外部一直是使用外部振蕩脈沖信號，慣用于多片單片機同時工作，方便于同時。本設計只有一片單片機，采取內部時鐘方式。AT89S52內部有一個可控制負反饋反向大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器輸入端和輸出端。這個放大器與反饋元件片外石英晶體或陶瓷諧振器組成一個自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2組成并聯諧振電路，接在放大器反饋回路中。對外接電容值即使沒有嚴格要求，不過電容大小多少會影響振蕩器頻率高低、震蕩器穩定性、快速性以及溫度穩定性。出于對測距精度考慮，本設計采取12MHZ晶體振蕩器，c1和c2電容值約為100PF。

復位是單片機初始化操作，只要RST引腳出最少保持兩個機器周期高電平就能夠實現復位。在RST端出現高電平后第二個周期，執行內部復位，以后每個周期重復一次，直至RST端變低。單片機復位電路有兩種：上電復位和手動復位。本設計采取手動復位方式。當按下復位按鈕時，電容快速放電，使RST端快速變為高電平，復位按鈕松開后，電容經過電阻充電，逐步使RST端恢復低電平。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第14頁單片機最小系統電路圖高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第15頁3.3發射模塊超聲波發射部分是為了讓超聲波發射換能器TCT40－16T能向外界發出40kHz左右方波脈沖信號。發射模塊關鍵是MAX232集成塊。因為單片機端口輸出功率不夠，故需要經過發射模塊來實現推進超聲波發射探頭工作效果，經過編程由單片機P3.1端口輸出脈沖信號至發射模塊，發射模塊隨即控制超聲波發射器TCT40－16T以將超聲波發射到空氣中。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第16頁資料發射模塊電路圖高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第17頁3.4接收模塊TCT40－16T發射超聲波在空氣中傳輸，碰到障礙物就會返回，返回部分有超聲波接收器接收。超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到，超聲波接收換能器TCT40－16R將接收到反射波轉換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后得到一個負脈沖送給單片機3.2(INT0)引腳，以產生一個中止。

在這里我采取是集成電路CX6A，這是一款紅外線檢波接收專用芯片，慣用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控慣用載波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz較為靠近，能夠利用它作為超聲波檢測電路。試驗證實其含有很高靈敏度和較強抗干擾能力。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第18頁接收模塊電路圖高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第19頁3.5語音播報模塊語音播報模塊電路圖高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第20頁3.6溫度賠償模塊DS18B20是美國DALLS企業推出溫度傳感器芯片。為提升測距精度，采取溫度檢測電路。溫度測量電路是基于DS18B20單線式數字溫度傳感器，電路非常簡單，可直接將其DS-D端與單片機P3.3口（詳見圖3.6）相連。利用溫度檢測電路實時測量環境溫度T并將結果送至單片機，單片機分析計算超聲波修正后速度。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第21頁溫度賠償模塊電路圖高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第22頁4.2發射程序和接收中止程序4.3經過溫度修正速度程序4.1概述第四章

超聲測距技術軟件部分設計4.4主程序高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第23頁4.1概述超聲波測距儀軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中止程序及顯示子程序組成。采取C語言編程，翻譯成匯編語言寫入單片機。高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第24頁4.2發射程序和接收中止程序voidsend()//脈沖波發送{ uchari;TH0=0; TL0=0;//清定時0 TR0=1;//開定時0 ET0=1; for(i=0;i<10;i++) { sg=~sg;//超聲波發送引腳

_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); } sg=1; delay(36); EX0=1;//開外部中止 }高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第25頁voidrec()interrupt0using2{Tout=0; //超時標志

flag=1;//外部中止標志位

TR0=0;//關定時器0 ET0=0; EX0=0; time=256*TH0+TL0;}voidTimeOut(void)interrupt1 using2{Tout=1;flag=0; TR0=0;ET0=0;}高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第26頁4.3經過溫度修正速度程序uintget_temp(){floatwendu;init18b20();wr18b20(0xcc);wr18b20(0x44);init18b20();wr18b20(0xcc);wr18b20(0xbe);temp_data[0]=read18b20();temp_data[1]=read18b20();tvalue=temp_data[1];tvalue<<=8;tvalue|=temp_data[0];if(tvalue<0x0fff)tflag=0;else{tvalue=~tvalue+1;tflag=1;}wendu=tvalue*(0.625);tvalue=wendu*100;return(tvalue);}高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第27頁floatcomputerv(void){floatv;v=331.4+0.607*tvalue/1000;return(v);}高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第28頁4.4主程序

{ ulongs; ucharflag1; TMOD=0x11;//定時0方式1 TH0=0; TL0=0;//清定時值;//EX0=1;//開外部中止0 IT0=1;//外部中止0下降沿觸發

EA=1;//開總中止

lcd_init(); flag=0; while(1) {flag1=1; if(flag1==1) {tvalue=get_temp(); display2(tvalue); print(1,1,"溫度:"); printstr(4,1,disbuft,7); c=computerv(); send(); while(Tout==0) {if(flag==1)

高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第29頁

{s=computers(c); if(s<1462) {print(3,2,"盲區"); sound_play3();} else {display(s); print(1,2,"前方距離:"); printstr(3,3,distance,7); sound_play1(); sound_play2();} flag=0; while(1);}} if(Tout==1) {Tout=0;ErrorDisplay();} } }高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第30頁5.2功效測試5.1硬件組實物圖第五章

系統實現與檢驗5.3誤差分析高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第31頁5.1硬件實物組圖高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第32頁高精度超聲