超声波测距设计报告

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1、天津工业大学电子与信息工程学院创兴杯设计报告超声波测距—设计报告摘要利用超声波测距原理，出于低成本、高精度的目的，提出了一种基于AT89C52的超声波测距的设计方案。硬件部分采用AT89C52单片机作为控制器，主要有超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、LCD显示电路和报警电路。在分析超声波测距原理的基础上，给出了实现超声波测距的硬件设计电路图和软件设计流程图。该系统测量精度为1cm，测量范围为0.30-3.00m，能够很好的满足测距的设计要求。关键字单片机超声波温度补偿测距LCD显示1、设计任务

2、（1）超声波测距系统原理1）超声波传感器总体上讲，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。他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。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

3、超声波。反之，如果两极间未外加电压，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。超声波传感器结构如下：第33页共33页天津工业大学电子与信息工程学院创兴杯设计报告图2超声波传感器外部结构图3超声波传感器内部结构2）超声波测距的方案超声波测距方法主要有三种：1）相位检测法：精度高，但检测范围有限；2）声波幅值检测法：易受反射波的影响；3）渡越时间法：工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到

4、接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。设l为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，则有l=ct/2。综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。图4测距原理由于超声波也是一种声波，其声速c与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米／秒。表1列出了几种温度下的声速：表1声速与温度的关系表温度（摄氏度）－30－20－100102030100声速（米／秒）313319325323338344349386在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速c是基本不变的，计算时取c

5、为340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。在本系统中利用AT89S52中的定时器测量超声波传播时间，利用DS18B20测量环境温度，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可表示为：第33页共33页天津工业大学电子与信息工程学院创兴杯设计报告声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：l=1/2(331.4+0.6T)t。（系统中应用该式进行温度补偿）如果为了进一步提高测量精度，本设计中将根据需要

6、利用软件方式增加角度补偿的设计：。（系统中应用该式进行角度补偿）2、总体设计（1）超声波测距系统电路总体设计方案系统硬件部分由AT89C52控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、声音报警电路和LCD显示电路组成。测距启动时LCD显示环境温度，发射和接收电路工作，经过AT89C52数据处理将距离也显示到LCD上，如果距离小于设定值时，报警电路会鸣叫，提醒人们注意。超声波测距器的系统框图如下图1所示：图1系统设计总框图由单片机AT89C52编程产生10us以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接

7、收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。由时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声

8、波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。第33页共33页天津工业大学电子与信息工程学院创兴杯设计报告时序图（2）超声波发射和接收电路的设计分立元件构成的发射和接收电路容易受到外界的干扰，体积和功耗也比较大。而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以优先采用集成电路来设计收发电路。（3）温度补偿和显示电路的设计选用用温度传感器作为测量温度的器件，反应灵敏，数据测量精确，易于