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中文摘要
电子测距仪要求测量范围在50cm~500cm，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。我的超声波测距仪设计采用74hc04反相器和CX20106搭接电路实现了超声波的发射与接收。采用AT89C51单片机为该测距仪的控制核心，此设计易于调试，成本低廉，具有很强的实用价值和良好的市场前景。
关键词：超声波传感器，单片机，测距仪
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ABSTRACT
Electronic distance measurement instrument for measurement in the range of 20cm-2.5m, precision 1cm, with the measurement of the measured object without direct contact, can clearly demonstrate the stability of the measurement results. Because of the strong point of ultrasonic energy consumption, slow, medium of communication in the longer distance, which are often used for ultrasonic distance measurement. Such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by ultrasound. Ultrasonic ranging, can be applied to car parking, construction sites and some industrial site location monitoring, and can also be used for liquid level, depth, pipe length measurement occasions. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient, simple, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry. In the mobile robot has been developed on a wide range of applications. My car anti-collision anti-theft alarm system design using 74hc04inverter and CX20106lap circuit to realize the ultrasonic transmitter and receiver. Using AT89C51 SCM as the control core of the range finder, this design easy debugging, low cost, has the very strong practical value and good market prospects.
Key words: ultrasonic sensor, single chip microcomputer, range finder,
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目录
第一章 绪论 .............................................................................................................................................. - 1 - 1.1 设计项目概述 ..................................................................................................................................... - 1 - 1.2 设计要求 ............................................................................................................................................. - 1 - 1.3 超声波测距原理 ................................................................................................................................. - 1 - 第二章 超声波测距仪的内容及意义 ....................................................................................................... - 3 - 2.1 超声波测距仪的意义.......................................................................................................................... - 3 - 2.2超声波测距仪的内容........................................................................................................................... - 3 - 第三章 系统方案选择............................................................................................................................... - 3 - 3.1 方案一 ................................................................................................................................................. - 4 - 3.2 方案二 ................................................................................................................................................. - 4 - 3.3 方案确定 ............................................................................................................................................. - 4 - 第四章 系统硬件电路设计 ....................................................................................................................... - 4 - 4.1单片机模块 .......................................................................................................................................... - 4 -
4.1.1 AT89C51标准功能 ................................................................................................................... - 5 - 4.1.2管脚说明 ................................................................................................................................... - 6 - 4.2超声波谐振频率调理电路模块 ........................................................................................................... - 7 - 4.3超声波回路接收处理电路模块 ........................................................................................................... - 8 - 4.4数码管显示模块 .................................................................................................................................. - 8 - 第五章 系统软件程序设计 ....................................................................................................................... - 9 - 5.1 超声波测距程序设计.......................................................................................................................... - 9 - 5.2 超声波测距流程图............................................................................................................................ - 10 - 第六章 系统软硬件调试......................................................................................................................... - 10 - 6.1 硬件调试 ........................................................................................................................................... - 10 - 6.2 软件调试 ........................................................................................................................................... - 11 - 6.3 测试结果 ........................................................................................................................................... - 11 - 第七章 调试中遇到的问题 ..................................................................................................................... - 11 - 7.1 发射接收时间对测量精度的影响分析 ............................................................................................ - 11 - 7.2 当地声速对测量精度的影响分析 .................................................................................................... - 12 - 总 结 ........................................................................................................................................................ - 13 - 参考文献 .................................................................................................................................................. - 14 - 附录 A ....................................................................................................................................................... - 0 - 附录 B ........................................................................................................................................................ - 0 - 致 谢 ........................................................................................................................................................ - 5 -
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第一章 绪论
声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射，反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，那么就可以计算出从声波到目标的距离。这就是本系统的防撞报警原理。这里声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。
接收回路中测得的超声波信号共有两个波束，第一个波束位余波信号，即超声波接收头在发射头发射信号（一组 40KHz 的脉冲）后，马上就接收到了超声波信号，并持续一段时间。另一个波束为有效信号，即经过被测物表面反射的回波信号。 超声波测距时，需要测的是开始发射到接收到信号的时间差，需要检测的有效信号为反射物反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号，这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。
软件控制脉冲发射、检测回波信号：程序采用的是脉冲测量法，由单片机引脚产生40KHz 的脉冲信号，每次测量发射的脉冲数至少要 12个完整的 40KHz 脉冲。同时发射信号前打开计数器，进行计时；等计时到达一定值后再开启检测回波信号，以避免余波信号的干扰。采用外部中断对回波信号进行检测（回波信号送到单片机的为一序列方波脉冲）。接收到回波信号后，马上读取计数器中的数值，此数据即为需要测量的时间差数据。经过处理后得到这一次测距值。
假设室温下声波在空气中的传播速度是 335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是 t 秒，则距离 d 可以由公式(1-1)计算：d=33550(cm/s)*t(s)，因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是 d/2。
1.1 设计项目概述
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波被广泛应用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便，计算简单，已做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用要求，测量时与被测物体无直接接触等，这些优点使其广泛应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位测量、精深测量等场合。目前国内一般实用专用集成电路设计超声波测距器，但是成本高，没有显示，操作不便，操作使用不方便，创展不灵活。基于单片机的超声波测距易克服了上述缺点，应用非常广泛。
1.2 设计要求
设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。具体要求如下：
(1)测量范围在0.5-1.11m，测量精度1cm。
(2)测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。
1.3 超声波测距原理
采用单片机作为主控制器，用LED数码管作为显示仪器来显示所测的距离。由单片机发射和接受超声波信号，再经过单片机计算输出显示被测距离，即超声波发生器T在某一时刻发出一段超声波信号，当超声波遇到障碍物（被测物体）后返回被接收器R接受。测距的原理如图1-1。
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