毕业设计——基于单片机的高精度超声波测距系统的设计.doc

华北科技学院毕业设计（论文）目录设计总说明IIntroductionIII绪论111系统设计背景112国内外研究现状2超声波测距原理和方案4.超声波测距的基本理论4.超声波简介4.超声波与传播介质的关系4.超声波换能器简介6.超声波测距系统总体设计6硬件设计9.硬件的选型9.主控单片机的选型9.超声波传感器的选型10.温度传感器的选型12.模块电路的设计13.电源电路的设计14.发射电路的设计15.接收电路的设计16.回波接收及滤波放大电路16.时间增益补偿（）电路17.双比较器整形电路19.温度补偿电路的设计20.显示电路的设计21.通讯电路的设计24软件设计28.主程序28.初始化子程序29.温度测量子程序30.距离计算子程序33.显示子程序34.时间增益补偿程序35.通讯电路子程序36.时间峰值检测36结论38参考文献41附录基于单片机的高精度超声波测距系统原理图42致谢431设计总说明目前,超声波测距技术已经广泛的应用于各领域,由于其具有非接触式测量的特点,在工业领域液位、井深、管道长度以及建筑物测量、倒车雷达、智能机器人的控制系统中都发挥了重要的作用。但以我们当前的技术水平来说，对超声波测距技术的应用是有限的，未来的发展方向应该是朝着高精度、低盲区、拓展功能更丰富以及成本价格更低的方向发展。和普通超声波测距系统不同,高精度超声波测距系统要求的盲区更小、精度更高。为了达到该标准，设计系统需包含温度补偿电路，双比较器整形电路和时间增益补偿电路等信号调理电路。最后，还需加入一些必须的外围电路如显示电路，用于显示测量结果，还必须含有通讯接口，方便与上位机进行通讯且可将测量结果进行上传。另外，该系统进行软件化峰值检测，使电路更加简化，充分利用了软件资源。通过对系统的需求分析，硬件电路的设计方案最终得以确定，主要由AT89C52单片机作为主控芯片。为了达到高精度的要求，首先我们需要了解造成测量精度不高的原因，首先，声波在空气中的传递速度会随着温度而发生有规律的变化。用平均速度计算出的距离和实际距离可能会有一定的误差。其次，由于超声波属于波的一种，因此具有波的衍射特性。这会使得超声波没有经过反射，即不是由于碰到物体而返回的波，而是直接收到发射端由于衍射现象而改变了传播方向的那部分超声波。这就是会导致一个测量盲区，在测量近距离时产生错误读取而造成测量失败。因此，只要加入温度补偿电路，由一个温度传感器先测量环境温度，以实际温度带入计算，就能有效避免第一类误差的产生；其次，加入双比较器整形电路，就能有效避免第二类误差的产生。本系统由AT89C52单片机控制时间长短的计数以及控制超声波信号的发射、接收。整个电路采用模块化设计思想，主要包含显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路等。显示电路主要采用LED数码管组成，采用动态显示的方式。即所有数码管的段选线并联在一起，通过控制位选信号来控制数码管的点亮。用于超声波信号发射的发射电路，主要由非门和超声波探头组成。还有用于超声波接收的接收电路，对回波进行滤波放大，整形，最后送入单片机。其他电路还包括用于测量环境温度的测温电路，主要由一个集成芯片直接读取环境温度，送入单片机中，再通过查询事先做好的温度表，通过这个表即可得到当前测量环境中的实际声速，代入公式计算距离。程序设计主要包括：主要程序、温度补偿程序、发射子程序、接收子程序等组成。主要程序在系统启动时会进行初始化，接着马上开始测量温度，获取温度值并进行查表后同时启动发射电路且开始计时，等待回波信号，并进行处理，软件滤波开始工作，对峰值点进行查找并计算出距离。测温子程序主要是根据温度与速度表进行查表的方式来获取当前声速，代入公式进行计算。具体实现的流程包括复位程序、发送匹配ROM命令、温度转换命令等。测量距离子程序的实现即是时间的测量，这也是该系统的核心部分。对定时器初始化处理后，计时便开始。综上，超声波探头的信号经过AT89C52单片机的分析和一系列处理，最后实现本高精度超声波测距系统的完整功能，也验证了该系统的设计满足实际需求，该课题的研究也具有一定价值。值得注意的是，为了降低该系统的测量的盲区，采用了双比较器整形电路来处理不同的距离的信号（分为3cm-50cm的近距离部分和50cm-400cm的远距离部分），使得精度进一步提高。本系统的设计精度较高，可以用于汽车的倒车雷达，也可以用于智能机器人的距离识别系统或者其他距离3cm-500cm之内，精度1cm的系统。关键词：单片机；高精度；超声波；测距IntroductionAt present, ultrasonic ranging technology has been widely applied in various fields, because of its non-contact measurement, in industrial field level, well depth, pipeline length and the measurement of buildings, reversing radar, intelligent robot control system play an important role. But in our current level of technology, the application of ultrasonic ranging technology is limited, the future direction of development should be towards high precision, low area, develop the function more abundant and lower cost price direction.And ordinary ultrasonic ranging system is different, high-precision ultrasonic ranging system requirements of the blind area is smaller, higher accuracy. In order to achieve the standard, the design system contains the temperature compensation circuit, the Dual Comparator plastic circuit and the time gain compensation circuit and other signal conditioning circuits. Finally, it is necessary to add some necessary peripheral circuits such as display circuit, used to display the measurement results must also contain communication interface, convenient and PC communication and can be used to upload the measurement results. In addition, the system of the peak detection software, make the circuit more simplified, fully utilize the software resources.Through the analysis of the system needs, the hardware circuit design scheme is finally determined, and the main control chip is the main chip of AT89C52.In order to achieve the high accuracy, we need to understand the cause of the low accuracy of the measurement. Firstly, the transmission speed of the acoustic wave in the air will change with the temperature. The distance and the actual distance calculated by the average velocity may have some error.The second is because the ultrasonic belongs to one kind of wave, so the diffraction characteristic of wave is of the wave. This will make the ultrasonic wave not reflected, that is not due to the wave of the object returned, but directly received the emitter due to diffraction phenomenon and changed the direction of the transmission of that part of the ultrasonic. This is the result of a blind measurement of the blind, in the measurement of the error caused by the error read while the measurement failed. Therefore, as long as adding temperature compensation circuit, by a temperature sensor to measure temperature, the actual temperature into the calculation, can effectively avoid the error of the first kind; Secondly, adding dual comparator circuit, can effectively avoid the second type of error. The system is controlled by the AT89C52 microcontroller count as well as the transmitter and receiver of ultrasonic wave. The whole circuit uses the idea of modular design, including the display circuit, ultrasonic circuit, ultrasonic receiving circuit, temperature compensation circuit, etc. The display circuit is mainly composed of LED digital tube, and the dynamic display is adopted. That is, all the digital control of the section of the line in parallel, through the control of the selected signal to control the light of the digital tube. Secondly, transmit circuit for ultrasonic signal which is transmitted by the main gate, and the ultrasonic probe. There are also used for ultrasonic receiving circuit, the echo filtering amplification, shaping, and finally into the microcontroller. Other circuit also includes a temperature measurement circuit for measuring the temperature of the environment, mainly by a chip directly read environmental temperature, into the microcontroller, then through query well in advance of the thermometer, current measurement environment in the actual sound velocity through this table can be, substituted into the formula for calculating the distance.The program design mainly includes: the main program, the temperature compensation procedure, the launch subroutine, the receiving subroutine and so on. Main program at system boot time will be initialized, then immediately began to temperature measurement, to obtain the temperature value and look-up table and start transmitting circuit and the beginning of time, waiting for the echo signal, and processing and filtering software began to work the peak search and calculate the distance. Temperature measurement child program is mainly according to the temperature and speed table look-up table to obtain the current velocity and substituted into the formula were calculated. The process of the realization includes the reset procedure, the sending matched ROM commands, the temperature conversion command, etc. The realization of the measurement distance subroutine is the measurement of time, which is the core of the system. After the timer initialization, the time will start. In summary, ultrasonic probe signal through AT89C52 analysis and a series of processing and finally realize the full functionality of the high precision ultrasonic ranging system, also shows that the design of the system to meet the actual demand, this topic research has a certain value. Worthy of note is that in order to reduce the blind spot of the measurement of the system, the dual comparator circuit to deal with different distance signal (remote part of 3cm-50cm close part and 50cm-400cm), making precision further improved.The system has higher design precision, can be used in the reverse radar of the car, and can also be used in the intelligent robot distance identification system or other distance 3cm-500cm, the precision 1cm system.Keywords: single chip microcomputer, high accuracy, ultrasonic, ranginV 绪论超声波测距系统作为一种经典的非接触式测量技术，包含了电子，材料，物理等学科的知识理论，其应用领域也十分的广泛。超声波作为声波的一种，有着和声波同样的性质：它的产生来源于振动，另外，在不同物体中的传的速度也是不一样的。超声波测距传感器在粉尘多，光线暗或有其他电磁干扰的情况下，性能几乎不受影响，所以，现代社会中，许多地方都可以用到。例如：建筑施工测量，智能机器人，汽车倒车雷达，油箱液位测量等。11系统设计背景在过去许多科学家的研究基础之上，我们已经知道用许多种不同的方法来测距，不再局限于传统的简单的接触式测量器具，我们今天的电子技术正以飞一般的速度向前推动着大量非接触式测距仪的发展。近几十年以来，关于非接触式测量系统的研究包含以下几类：激光，微波，红外线及超声波。这其中，激光的测量精度较高，但其有个很大的缺点，就是极易受到周围环境的影响，而且激光测距系统后期的检测和维护成本较高，所以会产生较高的费用，很难推广到日常生活和工作中去，一般用于高端专业领域，如军事类。而对于微波雷达测距来说，电路部分的制作成本就非常之高，也只用于专业领域，如军事和工业类。红外线测距虽然造价便宜，但其不能达到高精度，且方向性不好。另外，红外线传播速度为3108米/秒，速度之快，相较于超声波在普通情况下的速度来说，红外线是超声波的八十多万倍。因此，利用超声波测距能大大增加时间（同样的距离下），使得测量更容易，误差更小。超声波测距系统的优势在于：(1)可以用于空气中，液面下和固体内等传播介质中测量，应用灵活；(2)不易受光影响，在黑暗及烟雾环境下都可使用，不易受电磁场影响，使人可以远离这些恶劣工作环境；(3)制作起来不复杂，该成品预计价格不贵，而且体积不大，还非常容易集成；由于超声波测距系统具有以上这些特点而被广泛的应用。随着现代电子技术的发展，超声波测距技术在汽车制作，国防安全，工业制造及日常生活中都随处可见。目前的系统主要采用单片机微核心，结合温度补偿电路等模块组成，由于计时的精确度和电路的影响，现有超声波的测量区间大致在0.2米到20米之内，误差为毫米级，存在几十厘米的盲区。综上，超声波测距系统应用广泛，为了满足未来技术参数的精度需求，我们需要在高精度方向做出深入研究，解决这个技术难题以面对更加高的市场需求,因此这项技术的研究将有重大的意义。12国内外研究现状首先，从国外来看，最先的研究记录是18世纪70年代的科学家高尔顿所做的气哨实验，这是我们人们有史以来的第一次通过实验产生的高频声波，后来的30年内，超声波的概念仍旧很少有人知道，再加上那时的技术方面的达不到要求，对超声波的研究产生了难以逾越的鸿沟。直到第一次世界大战爆发，期间关于超声波的研究渐渐地被人们所看重。一个叫做朗之万的德国科学家用了晶体传感器对超声波进行发射和接收，这项研究是在水下进行的，且只能接频率相对较低的超声波。这项研究可以用来进行水下通讯，另外，也可用于检测水下物体，如水下潜艇，用于军事领域。而后，超声波的应用领域的研究也在逐渐扩大，到了1928年，Sokolve首先提出了关于超声波探伤的研究，即利用超声波的特性来检查金属器件是否存在裂痕或者缺损。又过了两年，另外一个科学家穆尔豪瑟获取了一个德国专利，这个专利是针对超声波检查方法的，这让我们又看到超声波的研究进了一步。1935年，Sokolve发表了一篇论文，详细的介绍了他的研究结果。就是在液体的实验槽里进行穿透测试，并记录了穿过实验物的超声能量。因为在液体之中实验会很容易得观察到波纹。德国的贝格曼在他的书超声波中，比较完整的介绍了大量的超声波的资料。这是早期的比较系统的资料之一，一直被奉为经典。关于探伤仪的研究，最早出现于Firsetone和Sprole的论文中。这是超声波的应用最广的一面。根据此研究基础，衍生出大量超声波仪器，目前，超声波在无损检测中发挥出无与伦比的作用。从国内来看，目前超声波在测试方面的研究成果比较多。如国内的测试研究所就在超声波测距方向做出了较为系统的研究并发表了诸多相关论著。这些论著详细的说明了超声波测距的原理。还留下诸多相关实验的数据结论，如，超声波的传播速度（即声速）的影响因素有哪些，波的特性在传播过程中对测距系统的影响分析。详细可见于国家测试研究所超声波原理及实践技术，作者李冒山。厦大的同峰教授提出了一种针对高精度测距的改进方法。根据他的结论，测距之所以有误差，是由于对回波的脉冲检验方式有问题。他根据实验，验证了回波的包络方程，给出了软硬件的设计方案。在智能机器人研究领域，超声波测距也有不可缺少的作用。一个高精度的超声波测距系统不仅能准确的引导机器人的行动，而且还能迅速的反馈周围的环境状况，为机器人完成各种复杂工作提供必要的辅助。我国的超声波测距技术已经趋于成熟，但与发达国家相比，在精度方面还是差一大截，我们想要进入现代化的建设中去，就要提高速度和效率，而这些都是建立在高科技水平，高质量的仪器之上的，所以我们还需加强研究，使得精度达到未来的需求，从而为工业的发展做出贡献。通过长时间的研究和发展，超声波测距不仅仅是单一的技术了。而且不断加入各个其他的领域的知识，结合了人类智慧的结晶。渐渐形成一个深入、实用、值得探讨的专业的研究方向。通过查询相关资料了解到，我们国家使用的大多数高精度测距系统均来源于进口，这在很大程度上对我国的经济和现代化的发展产生巨大的阻力，因此，我们需要增加在超声波测距系统的研究经费，使我国的测距装置不仅能满足自己本国的需要，还能出口到国外。 超声波测距原理和方案.超声波测距的基本理论.超声波简介所谓超声波，跟普通声波的区别是频率范围不同。物理学上将它规定为频率在20000赫兹以上的波。它具有很好的方向性，并且有着非同一般的穿透力。属于比较容易获取的声能中的一种。超声波的使用范围也是很广的，比如：测量，测量又分为速度的测量和距离的测量；各种需要杀灭细菌的环境；超声波的能量还可用于破碎物体，用于分割等。因此不难看出，超声波的应用领域不受限制，即可用于军事也可用于日常生活，对工农业和医疗业也有着巨大作用。说道超声波的命名来源，顾名思义，超过声音的波，人类的听力是无法接收如此高频率的波的。虽然如此，但其本质还是声波，因此能满足声波的各种特性，也就是说，声波的规律对于超声波也完全适用。声波是一种传递了物体运动的能量，比如，桌子被拍打，桌面就会产生上下运动，从而传播声音。声波的特性很多，首先，声音在同一环境下的传播速度是一个定值。其次，遇到障碍后一部分声波会被反弹回来。第三，声波传出去以后，距离越大，衰减也就越大。最后，也是最重要的一点，超声波传播的方向是直的，这就使得超声波用于测距有了一个很好的基础条件。.超声波与传播介质的关系第一介质第二介质入射波折射横波折射纵波反射横波反射纵波图2-1 超声波的反射、折射规律当超声波在通过几种不同的媒介时,在这两个介质交界的地方会发生折射和反射两种现象。根据物理的反射、折射等定律可知，波的传播遵守如图2-1所示的规则。超声波沿x正向传播的运动方程为：A=Axcost+kx （2-1）Ax=A0e-x （2-2）其中，A(x)代表超声波的振幅（质点位移的大小）、代表角频率、t代表时间、A0则是常数、x代表传播的距离、k=2/代表波数，代表波长，代表衰减的系数。且有如下关系：=af2 （2-3）上式中a代表介质常数，f代表振动频率。超声波的衰减，波在传播当中，由于外界因素的影响，其具有的能会逐渐减小。造成其减小的原因主要有波的发散、散射等。其衰减的规律可由以下公式表示：P=P0e-x （2-4）I=I0e-2x （2-5）其中，P0代表声音在x=0时候的声压，I0代表声音在x=0出的声强。代表系数，单位是：奈培/cm。其衰减与距离的关系如表2-1所示：表2-1 声波衰减与距离的关系表L(cm)12510204080160200幅值（mv）141112867452413183经研究证明，在介质中，声音传播速度会受到环境温度的影响。通常，超声波在空气中的向各个方向传的速度约为340 m/s 。温度变高后，一般情况下速度也会加快，这两者间的关系如表2-2所示：表2-2 声速与温度关系温度（）-30-20-100102030100波速（m/s）313319325323338344349386用公式可表示为：C=331.41+T/273 （2-6）其中，T代表温度。.超声波换能器简介超声波传感器，别名超声波换能器，是超声波测距系统里不可或缺的一个重要元件。它的主要作用是完成电能和声能的相互转换。超声波传感器的种类多样化，可分为压电、电磁、磁滞、电动等几类。以上分类依据是基于实现超声波的传感器声能和电能转换的物理方式。有一些特殊的材料在接受一定压力是会在其内部产生一个电场，这就是我们通常所说的压电效应，而能达到这种效应的材料就是作为超声波传感器的核心部件。.超声波测距系统总体设计超声波测距的具体方式有多种，可以采取检测相位的方式，也可以采取检测幅值的方式，最普遍的度量时间的方式。具体来说就是，当声波发射出去后，一旦遇到阻挡物就会被反弹回来，我们知道，超声波在空气中相同温度下是的速度是一个定值，所以距离的计算很简单了，只要得到发出和接收到的时间差值，和通过查询表格就能算出距离。具体计算公式如下：S=T2*V （2-7）其中，S为所求距离，T为波来回的时间，V为当前超声波传递的速度。该测距的原理可简单的表示为图2-2所示： 图2-2 超声波测距原理图系统框图如图2-3所示：双比较器整形电路AT89C52单片机测温电路发射驱动电路T一级放大电路TGC电路二级放大电路比较器B比较器AR图2-3 系统框图系统工作总流程说明：首先,系统初始化完成后，测温电路开始工作，DS18B20芯片开始采集环境温度并将最后采集到的数据送入单片机。AT89C52单片机的一个I/O口发出一个40kHz的方波用于超声波发射电路的输入信号并同时开启计时器并初始化所有子程序，该信号经超声波发射驱动电路的处理后输送到超声波的发射探头。当信号到达被测目标后，立即被反射回来，而超声波接收探头将接收到的回波信号经行适当的放大。经过一级放大的信号分两路同时输送到双比较器整形电路中去，如图的A和B即为双比较器整形电路的两个比较器。其中一路信号经过TGC时间增益补偿电路经行增益处理，然后再次放大，通过双比较器整形电路的A比较器送入单片机。另外一路信号直接进入双比较器整形电路的B比较器送入单片机。双比较器设置了不同的阈值，A比较器用于测量远距离的信号，B比较器用于测量近距离的信号，因此不符合的信号会被完全屏蔽掉，系统的精度得到非常大的提升。单片机收到回波信号后立即经行中断处理，获取时间差值，即可计算出测量的最后结果。该测量结果由显示电路输出，该显示模块主要由74LS245锁存器来驱动4个LED数码管，采用了动态显示的方法，占用的I/O资源更少，充分发挥了软件作用。具体电路及芯片选型将在下一章详述。硬件设计.硬件的选型.主控单片机的选型本系统中，单片机主要用于控制超声波的发射和接收，与此同时，还要进行准确的时间的记录，也就是说需要在发送的同时启动计时器，并且在接收到回波的时候立刻停止计时并将时间长度值返回，用于计算目标距离。其次，超声波还要负责控制其他外围电路，比如，本设计中的温度补偿电路采用了一块收发温度信号的芯片，由单片机控制，将环境温度采集后进行查温度与速度表，用于确定当前环境下具体温度，最终目的是获取当前环境的声波的准确传播速度，使得测距结果更加准确。此外，单片机还需要负责控制显示电路，将测量出的距离的结果通过LED数码管直观的显示出来。经过研究，选用AT89C52单片机作为电路的主控芯片，AT89C52是Atmel公司的一个经典的MCU，它有着低电压的特点。是一个八位的高性能CMOS芯片,片内有8K Bytes ISP的只读程序存储器,该存储器可以多次的写入和删除数据,反复使用的次数高达一千次。拥有可编程的Flash，这些特点表明AT89C52可以满足多种系统的需要，使用的灵活性很高。AT89C52芯片拥有40个引脚，充足的32个可编程双向I/O口，在该超声波测距系统中，这样多的双向I/O口可以使所有需要的外设电路方便的与单片机连接起来，还有3个16位定时/计数器。详细来说，P0口：8位漏极的开路双向输入/输出口，作为输出口时，每位可以驱动8个TTL逻辑电平。特别地，P0口作为低八位地址/数据口时内部没有上拉电阻，使用时需要外接上拉电阻。不同于P0口的是，P1口是一个内部有上拉电阻的双向输入/输出口，缓冲器输出能驱动4个TTL逻辑电平。P1口的第二功能如表3-1所示：表3-1 AT89C52 第二功能说明表引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入）、时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）续表3-1：引脚号第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外中断0)P3.3INT1（外中断1）P3.4T0 (定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD（外部数据存储器读选通）实物图片如图3-1所示：图3-1 AT89C52芯片实物图.超声波传感器的选型本设计中选用的是型号为T/R40-18A的压电式换能器，具体参数如表3-2所示：表3-2 T/R40-18A超声波换能器相关参数型号中心频率（kHz）发射声压最小电平（dB）接收最小灵敏度(dB)最小宽带(kHz/dB)电容pF发射接收T/R40-18A401115-646/10060/-71240025%该超声波换能器分为发出超声波的部分和接收超声波的部分，电磁的振荡被发射端发出，接着转换为超声波然后发送到外界。收到的超声波被接收器进行一定的处理，将声音和电这两种能量进行转换，最后使得接收到的信号变为电脉冲信号。其中T为发出端，R为接收端，它们一般是在同一系统中共存。工作原理简单总结如下，在输入40kHz的频率下，压电陶瓷、谐振片会被转变成机械的振动，接着就把超声的这个信号的振动发到外界去。被发出的超声波向空中各个方向不断传播，碰到物体后就立刻被反射回来。接收端随即收到回来的这部分超声波，对内部的谐振片产生一个谐振，将接收的声波转换为电脉冲信号，接着将转换后的信号输入到放大电路中，然后输出最终信号。其频率特性为图3-2所示： (a) 声压能级曲线 (b)灵敏度曲线图3-2超声波换能器频率特性从图中很容易看出，它的声压性能大约在40kHz时最优，灵敏度也同样。因此该测距系统选用该频率作为传感器的工作频率。图3-3 T/R40-18A实物图.温度传感器的选型本设计采用DS18B20单线数字温度传感器作为测量和向单片机输入环境温度数据的核心元件。DS18B20温度传感器是一个以9位数字信息反映温度值的一个器件，通过一个单线口既可以用来接收也可以用来发送数据到单片机，因此，该芯片使用时只需和单片机用一根连接线即可以达到读取和传送温度值的目的，由于电源和信号是复合起来的，所以不需要另外加一个外界的电源就可以工作。DS18B20是电子元器件中最早的一个支持“一跟总线”的有三个接口的测量和传递温度的传感器，该优点可以灵活组建电路，而且更加经济，占用的体积更小。且每个DS18B20芯片都具有一个独一无二的编码，支持物联网的寻址，DS18B20的引脚如图3-4所示：图3-4 DS18B20 管脚图图3-5 DS18B20测温芯片实物图 引脚说明如表3-3所示：表3-3 DS18B20温度传感器引脚表16脚SSOPPR35符号说明91GND接地82DQ数据输入/输出脚。对于单线操作：漏极开