超声测距电路设计制作

XX 大学毕业设计（论文）题 目： 超声测距电路设计制作学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二 Oxx 年 六月 超声测距电路设计制作摘要：超声波测距组合电路是以电路，传感器，单片机，数码管和程序等综合知识为基础来设计开发的一种测量电子仪器。其中超声波发射和接收系统的主要部分为压电晶片，这种材料具有压电效应,在电磁振荡的作用下发生逆压电效应产生超声波，在超声波的作用下发生正压电效应产生电磁振荡被传感器接收。信号被接收后通过电路的放大和滤波在单片机的程序中计算得到传感器到被测量面的距离,最后通过数码管显示距离。这个电路选用的是 STC89C52 单片机, 因为STC89C52 是 STC 系列单片机里应用比较广泛的一款，在自动控制领域里享有很高的价值，以其易用性和多功能性受到了广大电子设计爱好者的好评。本次设计主要是利用 STC89C52 单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作，以STC89C52 为主控芯片，利用超声波对距离的检测，将前方物体的距离探测出来，然后单片机处理运算，与设定的报警距离值进行比较判断，当测得距离小于设定值时，STC89C52 发出指令控制蜂鸣器报警。关键词: 超声波传感器 STC89C52 蜂鸣器报警 数码管Ultrasonic ranging circuit design ABSTRACT:Ultrasonic Ranging combining circuit is a comprehensive knowledge of circuits, sensors, microcontrollers, digital control and procedures as a basis for the design and development of an electronic measuring instrument. Wherein the major part of the ultrasonic transmitting and receiving system is a piezoelectric wafer, this material has the piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect occurs under the effect of electromagnetic oscillations generating ultrasonic waves, piezoelectric effect occurs under the action of electromagnetic ultrasonic oscillation is generated received by the sensor. Signal is received by the circuit amplification and filtering in MCU program calculated the distance sensor surface to be measured. Finally, the digital display distance. The circuit used is STC89C52 microcontroller, Because STC89C52 is STC Series MCU in a broader application, it enjoys a high value in the field of automatic control, with its ease of use and versatility by the majority of electronic design enthusiasts. This design is the use of STC89C52 microcontroller, ultrasonic sensor alarm system complete production ranging to STC89C52 as the main chip, the use of ultrasonic testing on the distance, the distance of objects detected in front of it, and then single-chip processing operations, and set alarm distance values are compared to judge, when the measured distance is less than the set value, STC89C52 issue commands to control the buzzer alarm.Key words：Ultrasonic sensors STC89C52 Buzzer alarm 目 录1 绪论1.1 项目研究背景及意义 （1）2 总体设计方案及论证2.1 总体方案设计 （2）3 硬件实现及单元电路设计3.1 主控制模块 （3）3.2 电源设计 （4）3.3 超声波测试模块 （4）3.3.1 超声波的特性 （5）3.3.2 超声波换能器 （8）3.4 超声波传感器原理 （10）3.5 测距分析 （14）3.6 时钟电路的设计 （15）3.7 复位电路的设计 （16）3.8 声音报警电路的设计 （17）3.9 显示模块 （17）4 软件设计4.1 主程序工作流程图 （18）5 总结参考文献 （21）致 谢 .（22）附录 A附录 B附录 C1超声测距电路设计制作1 绪论1.1 项目研究背景及意义现代有多种多样的测距方法，其中包括接触式和非接触式的方法，接触式中包含刻度尺测量，非接触式包括超声波测距和激光测距，非接触式测距方法常采用激光和超声波主要是由于二者的指向性很强，兼有在介质中传播距离长和能量衰减慢等原因 1。工业生产过程中非接触式测距仪应用非常广泛，因为这些方法适用于恶劣工况下使用，并且测量精度高。超声波测量距离作为一种非接触式测量技术，工作时机在光明和黑暗条件不会影响测量结果，以及仪器与被测量位置也不会影响测量结果。相比较与另外测距设备会更加方便，对于温度高、颗粒污染大、空间湿度大、存在腐蚀气体等不方便用接触式测量方法的恶劣环境都能够有满意的测距结果，并且其具有性价比高,仪器维护方便，耗能少，高可靠性，使用寿命长，并且相较于激光测距仪来说避免了对测量者眼睛的伤害 2。除此之外汽车倒车雷达的应用已经非常广泛，而且超声可以用来测量倒车距离并将距离指示出来 3。根据超声波测距仪的这些特性可以知道这种手段能在矿物质生产企业、电力部门、化学工业、灌装水生产厂、有害水净化消毒厂、农业灌溉用水、环境保护检测、食用品生产（白酒业、冷料业、食用添加剂、食用油、牛奶制品）、防止洪水灾害、水文监测、探明渠、空间位置确定、车辆等业态中的非接触测量。由于其可以在各种条件中实行间隔精确度实时标注，因此液态产品生产企业中能够主动用在饮用水、酒水、冷饮等液体位置控制，可以有效的提高流水线的生产效率，对仪器或者生产线进行差值设定时另一个使用方法，在显示器上直接显示各种罐子的液位高度。因此，在特殊环境，不方便或者不能够直接测量的状况下超声在空气中测距手段有很好很齐全的用途应用 4。利用超声波传播来测量距离会有高效、计算简单的效果。更为主要的益处是能够实现在生产过程中随时进行监控，测量结构的精确度和过程中的速度已经达到了实际使用的指标。 为了使移动机器人能够主动的躲避障碍物行走，在机器人身上装备测距系统是必须的，可以使机器人及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向），帮助机器人进行判断。在可动机器或者智能机械的制造上超声波测量距离有很好的应用。同时又因为超声波测距系统所具有的这些优点都是汽车倒车雷达技术所缺少的，因此汽车倒车雷达技术必须用到超声波测距技术。22 总体设计方案及论证2.1 总体方案设计软件设计和硬件设计是超声测距电路设计制作的两个主要工作内容。只有把这两过程做好，设计最后才能成功。硬件设中首先要有采集数据模块和控制按键的模块，显示测量结果的四位数码管和蜂鸣警告模块也是其子模块。电路结构可划分为：显示测量结果的数码管、产生和接收超声波的传感器、蜂鸣声音报警器、单片机控制的电路。很容易可以看出设计的中心单元是控制电路的单片机，所以这个系统可以算是单片机在实际测量系统中的应用之一 3。所用的单片机应用系统都是由软硬件构成。单片机是硬件设备里必不可少的、同样输入输出设备和外围的各种应用电路等也是组成的系统的主要硬件，单片机里的各种程序和超声模块里的程序是软件的总称。在单片机应用系统的研制过程中必须解决软硬件设计和全局控制的总体设计。STC89C52 单片机被选用当做这个模块的核心,测量结果小于标杆值是，52 单片机会自动将所测数据与预设数据比较，来给蜂鸣器发送是否报警的。系统总体的设计方框图如图 2.1 所示 67。图 2.1 系统方框图 电源超声波传感器模块4 位数码管显示模块STC89C52主控制器模块蜂鸣器报警模块按键控制33 硬件实现及单元电路设计3.1 主控制模块主 控 制 最 小 系 统 电 路 如 图 3.1 所 示 。P0245678RST9(XD)INWALGE/OVCUYMuFKJrigcho图 3.1 最小系统总电路的设计见图 3.2，其中主要是硬件的连接。在图中可以看到本设计中使用的器件：包括 52 单片机、超声模块、显示数码管、按键、报警用蜂鸣器和一些连接电路电容电阻。图中 D1 为指示电源是否正常工作发光二极管。 整个电路中用了三个按键，分别为设定用和加键减键 8。BQHsw-二蜂 鸣 器+数 码 管 驱 动 电 路电 源 接 口 电 路超 声 波 接 口 按 键 电 路_图 3.2 总设计电路图43.2 电源设计由于超声测距组合电路能耗较小，且经过试验 3 节五号干电池能够满足整个系统的正常运行。可以用三个五号可充电电池给电源供电，总电压四点五伏特。3.3 超声波测试模块超声波发射和接收模块采用现成的超声波模块，该模块可以感测到超声波的距离范围在 5cm-400cm 之间，在超过 400cm 之后误差会特别大，超声模块所发射超声波频率为 4 万赫兹，波长为 8.5 毫米，仪器的测量范围在五个波长以外，因此只能测到 5 厘米以上。主要是因为超声波在长距离状况下扩散比较大，导致超声波接收传感器接收到的信号较小不会使电路输出高电平。除此之外这个模块的测距精度可达高到 1cm，这主要是因为四位数码管只能显示到厘米。整个模块包括超声波发射器、接收器与控制相关信号接收和发送处理的相关控制电路 9。超声波发射器的工作是通过超声换能器来实现的，它能够将电能转换成超音频震动形式，常采用的换能器有压电换能器、电磁声换能器、激光超声换能器、磁致伸缩换能器，但在这个模块中后面三种不适合使用，常用的还是压电换能器。压电换能器的关键元件是压电晶片，其是一种单晶或者多晶体的薄片。同样超声波接收器的重要组成元件也是压电晶片，因此压电晶片的性能将很大程度决定测距仪的性能，压电晶片的主要特性参数包括压电应变常数、压电电压常数、介电常数、机电耦合系数、机械品质因子、频率常数和居里温度 10。其中压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生应变的大小，而压电电压常数与其相反表示的是压电晶体上施加单位应力所产生的电压梯度的大小。性能较好的换能器要求这两个系数较大以获得较高发射灵敏度和接收灵敏度。机电耦合系数表示机械能与声能之间的转换效率同样好的换能器要求机电耦合系数较大以便获得较高的转换效率，机械品质因子表示压电晶体在谐振时储存的机械能与一个周期内损耗的能量之比，要求机械品质因子较小，压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数是叫做频率常数要求换能器的频率常数和介电常数恰当以便获得合适的频率。压电材料与磁性材料一样，温度会影响压电材料的性能，超过一定温度时，压电效应会消失，而这个温度临界点就是压电材料的居里温度 11。要求压电材料的居里温度较高以便仪器能在高温下正常工作。超声波模块就是根据这些指标来制作传感器的。距离测量过程是电路基础应用在数据输入口先触发产生一个合适的电信号，这个电信号会让给模5块产生大于百分之一微秒的高电平信号;在模块内经过电路的处理使超声发射器自动发送 8 个 40khz 的方波，方波传播到界面被反射回到超声波接收探头，模块会自动检测超声波引起的微弱电信号，如果检测到有电信号说明超声波被反射回来。有信号返回，然后通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S )/2。实物如下图 3.3。其中 VCC 供 4.5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。超声波模块是这样使用的：从 IO 数据口来触发，之后再传到 Trig 口发出高于 10us 的高的电平，这就开始测量了；模块自主发出 8 个 40Khz 波阵面为平面的方波，之后模块又会感应是否又接收到返回信号；若感应到信号返回，通过 IO口之后 Echo 口会输出一个较高的电压信号，这个信号存在的时间就是超声波传播出去到反射回来的总时间，量到的距离=（高电平时间*340）/ 2，单位为 m。程序中测试功能主要由两个函数完成。实现中采用定时器 0 进行定时测量，8 分频，TCNTT0 预设值 0XCE，当timer0 溢出中断发生 2500 次时为 125ms，计算公式为（单位：ms）：T = （定时器 0 溢出次数 * （0XFF - 0XCE）/ 1000 其中定时器 0 初值计算依据分频不同而有差异 12。3.3.1 超声波的特性人类感官由各种因素综合作用的结果，包括色彩、声音、触觉、气味等，其中声音能够给人类生活带来各种感受。声音的传播都必须在介质的参与下完成，但不同波在同一介质中的传播速度不同，造成这种差异的因素主要是声音的频率图 3.3 超声波模块实物图6不同。按照声音在介质中振动周期的大小可以将声音分为次声波、声波、超声波。次声波是指人的耳朵所感应到的最小频率。这个频率为 20 赫兹。超声波故名思议是频率超级高的声波(根据大量实验数据统计，取整数为 20000 赫兹)，即使周围环境存在这种声波人类也并不能感觉到，所以把如此高的频率的声音为“超”声。人的听觉范围如图 3.4 所示。图 3.4 人的听觉范围 超声波的特性有：（1）波束特性超声波的振动频率一般都比较大，计算可得它一个周期走的距离较短。超声里模块发射产生波长为 8.6mm 左右，也正是由于它一个周期走的距离短，声线才具有光线所拥有的一些特性，像反射折射这类特性是一定具有的，还有就是可以有聚焦的现象。按照超声波的形状来分类可以将其分类，一是平面的波、二是柱面状的波、三是像球面状的波。平面形状波顾名思义可知其波阵面为一面一面平行的面平行的面，平面状的波源可以产生平面状的波，对于源大小远大于波长的固体平面波源在各个方向都相同性质的匀状介质中行进的波就可以看成是平面状波。平面状的波传播中不会散开，平面状的波引起的介质振动时振动幅度不会变动并且就算距离改变它也不会变。同样柱面形状的波是指各个波面是有共同轴的圆柱面，直线形的源能够发出这种波，线形的源且长度大于波长的源在各个方向都有相同特性的中间物质中行进的波是柱面状的波，柱面状的波的波束向四面八方散开，与平面状的波不同柱面状的波引起中间物质的振动幅度反比于行进路程的平方根。同样波传播的阵面是有相同球心的波叫做球面状的波，产生这类波的源是一个点，这个源点的大小比波长小很多时在各个方向有一样特性的中间物质中行进的波认为是球面形状的波，它引起中间物质中各质点的振动幅度随波的传7播路程具有反比的关系。通过上面对各种波的解释可以知道在超声波测距里采用平面波对测量精度最有益。所以超声波模块产生的是方波 13。根据它的波长小以及它的传播所独有的性质可知即超声波会两种物质的分界处会有反射的现象出现且两个角度相等这两个角是入射和反射角，同样还有一点像光线从一种介质行进到新的介质时会有折射的现象产生，发生折射的条件是当声波透过一种物质进入另一种声速不同的物质时就会产生折射现象，也就是说折射会改变超声波的传播方向，折射角的大小与两种介质的声速差有关系，两种介质的声速差别愈大，则折入射角的差别会更大。传播的波还具有叠加、干涉、衍射等特有性质，叠加是指不一样的波在空间碰到事，碰到处传播介质点的振动幅度为每个声波使质点振动幅度的矢量和。之后没个波继续以本身所具备的频率、波长、振动方向等独有性质接着照之前的方位行进，就跟从未碰到似的，这又称之为波的独立性。波的干涉的概念指在二组波的频率、振动方向、相位相同或者是有一直不变的相位差值的条件下，传播中间物质中有些质点振动增强或者有些质点削弱亦或者整个的相抵掉的征象。（2）衰减特性超声在各种中间物质中行进时，会由行进路程的增大，超声能量会慢慢削弱，此就是超声的衰减的象征。造成超声波能量的衰减具有关键的三个因素。分别为扩散衰减、散射衰减、吸收衰减。扩大散开衰减主要与波型相关联，是由于波束的扩大散开，超声波的能量就着行进路程的加大能量减弱。知道平面形状波的波阵面还是平的面，故其声波能量不会根据路程的增加去发生改变。但是球面波和柱面波的波阵面随传播距离增加波阵面面积变大，能量被分散，存在扩散衰减。散射衰减指的超声波在中间物质内行进时，由于中间物质晶界面两侧的晶粒声阻抗不同，使得超声波发生散乱散射引起能量削弱。相同的材料时超声的频率加大散射散射削弱愈加严重。吸收衰减是指超声在中间物质行进时，会导致介质内各个质点间相互摩擦和热传导降低超声的能量降低。引起吸收衰减的程度是多因素的综合结果，超声波频率、介质的晶粒直径、波长、材料的各向异性系数 14。一般情况是这些系数越大衰减系数越大。另外一种情况是传播超声波介质的而言。假如一列声波频率确定了，一般来说在气体中行进时的衰减系数要比固体和液体中小。在本论文所涉及的实验里，都是超声在气体中间物质中行进时，吸收衰减较小。（3）超声波的能量传递特性8描述超声波能量的概念是声强，所谓声强是说在一个单元时候内垂直通过单元大小面积的声能。超声行进至中间物质时使中间物质运动后得到动能，中间物质除了振动还产生了形变而附加了势能，中间物质的总能量为两者相加后的结果。超声波能量通过介质来传递，介质的振动是周期性的所以介质里单位体积元的动能和弹性势能也是周期性变化的。时而为零时而最大。就好像体积元在不间歇的吸收和发出能量，这就表出超声的能量是慢慢一份一份的发放到外界取得。与我们常见的系统相异的是单位元的动能和势能共同最大最小。原因是其受到摩擦力的影响而不遵守机械能守恒定律。根据其公式可知声强大小与超声的频率成正比。而超声的频率一般都比较大因此超声的能量很高，可以达到大炮声强的十万倍。在很多的工业行当中都会应用超声技术，关键要点正是由于超声附有特别大的声强。正是声波如此作用让中间物质的分子也会跟着动起来，还有就是二者的频率相同，频率确定了分子振动的速度，速度跟频率成正比。中间物质的分子应为振动得到的能量不单单跟分子重量相关联，但是要点还是中间物质的振动速度来决定,也就是说频率高能量也一样的高。很明显超声频率高出一大截对比于我们所听见的声波，正因如此中间物质能量大；这样说来，超声波像是能量源头不断给物质提供能量。 （4）超声波的声压特性声波行进到中间物质时,因为声波振动使中间物质分子对对方造成压缩和稀疏的效果，这样就必然造成中间物质内部的应力有变化特别是在固体内。声压就是声波的作用导致中间固体有附加压力。根据超声场中某一确定点的声压公式可知声压的大小与中间物质密度、波速、超声波频率有正比例的关系 13。3.3.2 超声波换能器能够将其它形式的能量转换为超声和能将超声转变成其它形式能量的装配就是超声传感器，也可以称之为超声换能器，或者事超声波探头。超声波的探头关键部件是压电晶片、接头、电导线、外壳、阻尼块。这个东西能做到发生和接收超声信号。在工业检测探伤行业小功率探头使用的比较多。现在使用的探头针对各异缺陷检验有很多不同的结构，可分纵波直探头、横波斜探头、产生表面波的表面波探头、用于检测板材的兰姆波探头、对探头（一个探头发射、一个探头接收）等。超声换能器的重要零件是金属做的外壳抑或是塑胶壳里的压电晶片一块。很多材料可以用来制作压电晶片。根据晶片的尺寸特性，如晶片平面的圆周半径和9厚度各异，每个探头的特性在用途上有不同点，为了选择合适的探头，在使用探头之前好好了解这个探头是不可或缺的。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。传感器工作时候的频率就是压电晶片达到共同振动的频率。当加到压电晶片不同端的相位不停跳动的电信号与压电晶片的共同振动频率一样时，换能器的输出的能量最大，探头的灵敏度也最高。（2）工作温度。超声波探头工作时环境的温度是不确定，有时温度较低，有时温度较高。但是我们常用的传感器的居里点比较高，因此在大部分情况下温度对探头的影响较小。检测用的超声换能器运转时功率很小，工作气温不会高，所以能够连续不断的工作部影响结果。在医院里用来检查或者治疗的仪器功率一般会打一点会辐射很多热量。这样温度就会急剧升高，因此增加冷却设备是一定要的。（3）灵敏度。超声探头的精确程度关键由自身的物理特性来确定。其机电耦合系数大，精确程度自然也高。2020000Hz 是我们能感应到的一个频率区间，就是所谓的可以听见的波，当声波频率不在这个区间时，也就是说少于 20Hz 的声音叫做低频声波，频率高于 20000Hz 的声音叫做超声波。毫无疑问超声波是直线来传播的，且有很大的频率时，绕过障碍物行进的能力就下降，但反射能力越强的特性。因此，就可以通过超声的具有的此类特性来制造超声换能器。此外，超声波在空气中的传播速度较慢，为 340ms 左右，有了充裕的时间给仪器来响应。简化使用。在这个组合电路中选用了有压电能的换能器。常用原来用在探头上的事压电晶体或陶瓷，换能器恰是运用压电材料的压电作用运行。相反的逆压电效应让不断快速变化的电振荡换成晶片机械振动，就是这样发出了超声波，利用此特性制成发射探头；相反的用正过来的效应，让超声变换成电信号被换能器接收 16。想 要 好 好 分 析 超 声 的 特 性 和 在 生 活 生 产 中 运 用 超 声 波 ， 科 技 人 员 完 成 设 计和 制 作 了 各 种 发 出 超 声 波 的 仪 器 。 很 简 单 的 分 了 两 类 ： 电 气 和 机 械 方 式 。 比 如说 压 电 和 磁 导 至 延 展 或 缩 短 ； 佳 儿 同 笛 、 液 体 哨 子 、 气 流 旋 笛 子 。 这 些 发 出 超声 指 标 各 异 ， 用 武 地 方 也 不 一 样 。 目 前 常 用 压 电 式 超 声 波 发 生 器 。 10图 3.5 超声波传感器结构晶体有节奏的振动是压电式发生器的运行依据。上面的图就是发生器内部的构造了，一般是两晶片一个共振板。如果两边的极加上了外加的脉冲刺激，并且频率很好的与共振频率结合，这个时候就有共振了再晶片上，附带的把共振板也带动起来了，这就有了超声波发射出来。另一方面看，如果晶片两个极间什么都没有加时但又有超声波的燃动，这时晶片会做受迫的振动，就很轻松的转换为电信号了，按照这个就成了超声波接收器了 17。如图3.5所示。3.4 超声波传感器原理根据市场调查开放型的超声波传感器用的最多了，图 3.6 已经展示了开放式传感器的结构，在它的底面根据位置安装着一个复合式的振动器。这个复合式振动器是由金属片和压电陶瓷片另外加上谐振器共同构成的两个晶片元件振动器。用过的都知道谐振器是喇叭状的，这样设计的动机是更优的辐射超声波而不损失能量，这样还有一个效果是聚集超声波在中央。如果说交互变化的电压作用在陶瓷上了，就会根据电压的变化而产生有规律的机械振动。另一方面，当压电陶瓷受超声波扰动是时，在陶瓷不同面上会产生交变电势差。根据上面的理论，如果让压电陶瓷或和金属片构成的振动器条件是陶瓷和振动器很好的组合在一起，分为单晶和多晶元件，外加一个交互变化的电信号时，陶瓷晶片因逆压电效应发生弯曲振动而发出超声波 18。从对立面来看，当单晶元件或者双压电晶片元件接收到超声波的扰动时，同样会因正压电效应产生一个交变电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。11图 3.6 超声波内部结构很明显超声波是一种机械振荡，并且只有在弹性介质中会传播，其频率远远高于 20000Hz，按波型可以分为横波和纵波，横波为中间物质的振动方向与波的传播方向垂直而纵波为中间物质振动方向与波的传播方向同向。超声纵波能够在三种状态的物质都可以传播，只是速度不一样而已，但是横波就只有在固体中行进了。超声波有折射反射的特性前面已经介绍，且在行进过程中会发生衰减。超声波的基本特性如下所述：（1）波长很简单的定理频率乘波长就得到速度了，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s (20时)。相对来说声波的传播速度较小而频率很大使得波长较短，由于超声波波长较短超声波传感器可以获得较高的距离和方向分辨率 19。因为这样特有的性质，使超声测距仪工作运行时有很大的概率得到较准的结果。（2）反射利用超声波的反射性质可以用来探测在一定空间内是否有物质存在，如果接收到反射波，则空间内一定存在反射体。声呐技术就是利用反射技术探测潜在威胁。像金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸这类具有大的反射面的物体超声波几乎可以100反射，因此我们可以很容易地发现这些物体。而布、棉花、绒毛等这里表面有孔隙的物质可以吸收超声波，因此很难利用超声波反射原理来探测它们，潜艇利用这一原理增加隐身性能 20。另外超声波在不规则反射体上会向各个方向反射，所以凹凸表面以及斜坡表面的物体很难探测到，这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所，并且如果测试物体与超声波传播方向垂12直，测试的效果会更好。（3）温度效应声波传播的速度c 与温度的关系式可以用下列公式表示。c =331.5+0.607t (m/s) 式中，t=温度 ( )也就是说，周围环境的温度会影响声音在这种介质中的传播速度 21。因此，测量周围环境的温度对精确测量两个物体之间的距离是非常重要的，特别是冬季室内外温差很大时，温度对超声波测距的精度影响很大，为了减小这种影响可用18B20作温度补偿来减小温度变化所带来的测量误差，但是本设计的测试环境主要是室内，而且超声波主要是用于测距功能，对测量精度要求并不是特别高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。（4）衰减超声波在空气中传播波强会随着传播距离的增大而成比例的减弱，主要是因为超声波遇到障碍物产生衍射现象导致声能扩散损失，第二个原因是介质会吸收超声波的能量转换成介质自身动能和势能。如图3.7所示，表示声能吸收率与声波频率的关系，超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。图 3.7 声压在不同距离下的衰减特性（5）声压特性声压级 (S.P.L.) 是表示音量的单位，单位为分贝利用下列公式予以表示。S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中 ,“P”为有效声压 (bar)，“Pre ”为参考声压 (210-4bar)如图3.8所示为几种常用超声波传感器的声压图。13图 3.8 超声波传感器的声压图（6）灵敏度特性灵敏度是表示声音接收级的单位，使用下列公式予以表示。灵敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”为所产生的电压 (Vrms)，“P”为输入声压(bar)。超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围，如图3.9所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图，从图中可以发现40KHz时传感器的声压级最高，也就是说40KHz时所对应的灵敏度最高 22。图3.9 超声波传感器灵敏度示意图（7）辐射特性在平整的台面上安装好超声波传感器。然后测量超声波声压随角度变化的规律。为了准确地描绘出声压与角度的关系，规定声压 (灵敏度) 级衰减6dB的角度被称为半衰减角度，用1/2表示。由于超声波探头的尺寸较小能够很方便的获得精确的辐射角度。如图3.10所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。14图 3.10 超声波传感器辐射特性示意图分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在 40KHz 范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度 23。3.5 测 距 分 析本 课 设 制 作 的 超 声 测 距 仪 使 用 于 测 量 与 声 波 传 播 方 向 垂 直 且 有 一 定 大 面 积的 平 面 之 间 的 距 离 ， 比 如 测 量 垂 直 墙 壁 的 距 离 。 当 超 声 波 测 距 仪 向 某 一 方 向发 射 40KHz 超 声 方 波 时 ， 在 发 射 的 同 一 时 刻 计 时 电 路 开 始 计 时 ， 超 声 波 在 空气 中 传 播 ， 如 果 在 途 中 碰 到 有 一 定 面 积 的 障 碍 物 超 声 波 被 立 即 反 射 回 来 ， 超声 波 测 距 仪 的 接 收 探 头 接 收 到 反 射 波 时 计 时 电 路 马 上 停 止 计 时 24。 根 据 物理 常 识 知 道 超 声 波 在 空 气 中 的 传 播 速 度 为 340m/s， 由 电 路 计 时 器 记 录 的 时 间t， 就 可 以 很 容 易 的 计 算 出 发 射 点 距 障 碍 物 的 距 离 (s)， 即 ： s=340t/2。超声测距法有好几种，比如回波测距法，或者是一发一收式测距法。但超声回波检测法是最最常用的测距法，因为这种方法在现场测量更方便。对于一发一收式的双探头测距法，这种方法通常不好操作，就算能够操作测量效果也差。在这个过程中还会产生误差，双探头的相对位置没有摆放好等原因都会导致误差 23。超声波在介质中传播时其声速 V 与温度有关。但在平常使用时，传播介质温度变化一般都不大，认为声速基本没有变化。如果实验要求很高的测距精度，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值修正 26。声速确定后，只要测量出超声波往返的时间，即可根据公式求出距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图 3.11 所示：15超声波发射 障碍物SH超声波接收图 3.11 超声波的测距原理 cosSH（3.1） )(Lartg（3.2） 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: vtS2(3.3) 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（ 32） 、（ 33） 代入（ 3-1） 中得： cos2HLartgvt(3.4) 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( 34)变为:t21(3.5) 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.3.6 时钟电路的设计16如图 3.6 所示为时钟电路。XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置片内振荡器。可以采用石英晶体振荡器或者陶瓷振荡器。如过用外部时钟源来驱动器件，XTAL2 应不接电源。时钟电路的一个机器周期含有 6 个状态周期，而每个状态周期分为 2 个振荡周期，这样来说一个机器周期就一共有 12 个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为 12MHZ，一个振荡周期为 1/12us，故而一个机器周期为 1us，在这个课设里晶体的振荡器频率为 40KHz27。CX1MHZTAL图 3.6 时钟电路图3.7 复位电路的设计复位方法一般分为两种，第一种外部按键手动复位和第二种上电自动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为 12MHz 时，则复位信号持续时间应不小于 2us。本设计采用的是自动复位电路 28。如图 3.7 示为复位电路。17图 3.7 复位电路图3.8 声音报警电路的设计如下图所示，用一个 Speaker 和三极管、电阻接到单片机的 P23 引脚上，构成声音报警电路 29，如图 3.8 示为声音报警电路。图 3.8 声音报警电路图3.9 显示模块显示模块采用数码管显示接口电路如图 3.9 E1DP3C4G5H6F0AB78SQVRK图 3.9 数码管电路蜂 鸣 器N+184 软件设计4.1 主程序工作流程图按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序的工作流程图,如下图 4.1 所示 30；系统初始化报警结束测得距离与设定值比较,小于距离比较，报警是否持续开始启动报警电路开始报警再次检测等待下次报警结束YNNYYN19图 4.1 主程序工作流程图超声波探测程序流程图 4.2：图 4.2 超声波探测程序流程图205 总结本设计研究了一种基于单片机技术的超声波智能测距报警系统。该系统通过以 STC89C52 单片机为工作处理器核心，超声波传感器，它是一种新颖的被动式超声波探测器件，能够以非接触测出前方物体距离，并将其转化为相应的电信号输出.该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高。根据已经制作完成的测量仪的实验结果分析可以得出结论，仪器的测量值总是比实际标准值要小、并且随着测量距离的增大误差越来越大。本课设制作的仪器测距范围在 2-400cm。10 到 50 厘米的测量范围内误差在 2.4 厘米以内。测距范围 50 到 200 厘米时测量误差会增大至 4 到 7 厘米。当超过 200 厘米是误差就会达到 10cm。造成误差的原因有一下几个方面：发射与接收间的时间对测量精度的影响、超声波波束与探测目标的夹角、测量时周边的环境。为了减少误差可以采用时间增益补偿的方法。具体的做法是根据实验数据得出误差规律。在根据这些规律设计一种时间增益补偿电路并且这种补偿电路可以根据实际情况来调整其补偿特性。通过这种方法可以有效的减少误差。21参考文献 1 时德钢,刘晔,王峰等.超声测距仪的研究J.计算机测量与控制，2002,17(7): 2325.2 潘仲明.大量程超声波测距系统研究M.国防科学技术大学出版社， 2006.3 韩赞东.超声定位技术在汽车安全预警系统中的应用J .测控技术, 2002, 13(8): 4546.4 夏伏洋.高精度超声波智能测距仪的设计与实现J 电脑知识与技术 , 2012, 3(4): 2126.5 胡福云.基于单片机的超声波测距仪J .科学咨询，2008, 15(3): 3843,.6 李世军、周惠芳、金徐欢.基于单片机的超声测距仪的研究与设计 J. 湖南工程学院学报，2011, 2(4): 3843.7 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用电子技术J . 电子工业 , 2002, 9(6): 3638.8 韩志军等.单片机应用系统设计M. 机械工业出版社，2004.9 牟海荣.超声测距仪的设计D.华南理工大学,2011: 910. 10 BIRD C.Quality control of friction stir welds by the application of non-destructive testingC. 4th International Symposium on Friction Stir 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2006.2230 郑初华. 汇编语言微机原理及接口技术M.第二版.南昌：电子工业出版社,2010.致谢由衷的感谢周瑞琪老师在我完成毕业设计的各个环节提供的帮助，从选题开始周老师就非常用心，在购买完成课设的电子元件的问题上老师更是做了很多功课，给我认真的分析了应该选用什么样的单片机以及怎么样的超声波模块，能够使成品有较高的测量精度。在测距仪制作完成后调试阶段遇到的问题，周老师不辞劳苦的帮我检测和改进。最后周老师查出是单片机的程序没有编对，最后周老师把新编好程序的单片机装上系统的时候，才使得整个测距仪精确正常的工作。周老师渊博的知识、严谨治学的态度和平易近人的人格魅力对我的影响非常深远。最后在衷心感谢每一位给予过我帮助的人。2324附录：中英文文献翻译名称-剩余磁场传感的应力测量25附 录附录 A：原理图 R1K23890BCDEFGPQ4VH576SWsw-二N.T(X)IL/OUYMu蜂 鸣 器+rigcho数 码 管 驱 动 电 路电 源 接 口 电 路超 声 波 接 口 按 键 电 路_26附录 B：元件清单Comment Designator LibRef Quantity10K 电阻 R14 RES2 110uF 电容 C1 Cap Pol1 112M 晶振 Y1 16M 1D 指示灯 D1 D 1DS04 数码管 DS1 DS04 1Header 2 电源接口 P2 Header 2 1sw-灰色 电源开关 SW1 sw-灰色 1U1 单片机 U1 U1 1蜂鸣器 B1 BELL 18550 三极管 Q5 2N3906 120 电容 C2, C3 CAP 2Header 4 超声波接口 J1, P1 Header 4 2SW-PB 独立按键 S1, S2, S3, S4 SW-PB 48550 三极管 Q1, Q2, Q3, Q4 2N3906 42K 电阻 R4, R5, R6, R7, R13, R15 RES2 6200 电阻R1, R2, R3, R8, R9, R10, R11, R12 RES2 8