第十四届“探索杯”西安工业大学大学生课外学术科技作品申报书.doc

第十四届“探索杯”西安工业大学大学生课外学术科技作品申报书

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编码：

第十四届“探索杯”西安工业大学大学生课外学术科技作品竞赛
作品申报书

作品名称： 智能超声波测距仪

学校全称： 西安工业大学

申报者姓名
（集体名称）：

类别：
□自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□科技发明制作A类
√科技发明制作B类

25

A2申报者情况（集体项目）
说明：
1．必须由申报者本人按要求填写；
2．申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；
3．本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。
申报者代表情况
姓名

性别
男
出生年月
1988.03
学校
西安工业大学
系别、专业、年级
测控技术与仪器0801
学历
本科
学制
4年
入学时间
2008年09月
作品名称
智能超声波测距仪
毕业论文题目

通讯地址
西安工业大学金花校区1公寓
邮政编码

办公电话

常住地
通讯地址
西安工业大学金花校区1公寓
邮政编码

住宅电话

性别
年龄
学历
所在单位

男
23
本科
西安工业大学

女
21
本科
西安工业大学

男
21
本科
西安工业大学

男
23
本科
西安工业大学
资格认定
学校学籍管理部门意见
以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。
□是□否 （部门签章）
年 月 日
院、系负责人
或导师意见
本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果
□是□否
负责人签名：
年 月 日

B3．申报作品情况（科技发明制作）
说明：
1．必须由申报者本人填写；
2．本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；
3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书；
4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。

作品全称
智能超声波测距仪
作品分类
（ B ）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控
制、工程、交通、建筑等）
B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）
C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）
D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健
康、卫生、食品等）
E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化
工、生态、环保等）
作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
本设计主要由单片机系统、显示电路和超声波发射电路及超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89C52来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。通过单片机中的程序对超声波传感器发射和接受的超声波信号进行逻辑分析和计算等处理，最后将处理后的数据显示在数码管上。相关部分附有硬件电路图、程序流程图等。
作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight），适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
单片机最小系统主要由AT89C52单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20 F的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，从而计算距离。
作品所处
阶 段
（ B）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段
D （自填）
作品可展示的
形 式
□实物、产品 □模型 □图纸 □磁盘 □现场演示 □图片 □录像 □样品
使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测
使用说明：按下开关，将超声波测距仪的超声波收发器对准要测的物体，距离将自动显示在显示屏上。
特点：本系统成本低廉，操作简单，功能非常实用，-30~100摄氏度的条件下均可使用，依据实际的测量精度要求还可以添加温度补偿电路。
前景：随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展。设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，而控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。推广前景非常可观，成本又很低廉。
F．参赛作品打印处

智能超声波测距仪

摘要
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
本设计主要由单片机系统、显示电路和超声波发射电路及超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89C52来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。通过单片机中的程序对超声波传感器发射和接受的超声波信号进行逻辑分析和计算等处理，最后将处理后的数据显示在数码管上。相关部分附有硬件电路图、程序流程图等。
由于高精度的超声波测距仪所采用的专业集成电路成本较高, 我们以价格比较低廉的STC89C52单片机为核心设计一款具有低成本、高精度、具有动态显示等优点的超声波测距系统。本设计成本低廉，操作简单，功能非常实用，-30--100摄氏度的条件下均可使用，依据实际的测量精度要求还可以添加温度补偿电路。

关键字：单片机AT89C52 超声波传感器 LED 测距仪

目录
第一章 绪论
1．1 设计的背景及意义…………………………………3
第二章 总体方案设计
2．1 超声波测距仪的设计思路…………………………4
2．2 超声波测距原理……………………………………5
第三章 系统的硬件结构设计
3、1 单片机的功能与特点………………………………7
3、2 超声波发射电路……………………………………8
3、3 超声波检测接受电路………………………………9
3、4 数码管的工作原理及方式…………………………10
3、5 温度补偿电路………………………………………12
3、6 系统的硬件电路设计………………………………13
第四章 系统软件的设计
4、1 超声波测距仪算法设计……………………………15
4、2 主程序流程图………………………………………16
总结…………………………………………………………………17
致谢…………………………………………………………………19
参考文献……………………………………………………………20
附录1 附录一：数码管接线方式………………………………21
附录2 附录二：串口管接线方式………………………………22
第一章 绪论
1．1 设计的背景及意义
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
在科学研究和工程试验中，经常会遇到非接触测量距离的问题。目前，主要有两大类非接触测量距离的方法:一种是激光测距，一种是超声波测距。超声波技术在日常生活中有着广泛的应用。例如，探伤技术、清洗技术、测距技术等等。超声波测距技术主要应用于汽车倒车雷达、建筑工地以及一些工业现场的位置监控、井深的测量等等。
由于高精度的超声波测距仪所采用的专业集成电路成本较高, 我们以价格比较低廉的STC89C52单片机为核心设计一款具有低成本、高精度、具有动态显示等优点的超声波测距系统。

第二章 总体设计方案
2．1 超声波测距仪的设计思路
超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。超声波传感器可以分为两大两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械式包括加尔统笛、液哨、气流旋笛型等。他们所超生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前比较常用的是压电式超声波传感器。超声波传感器习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。本设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
超声波测距仪主要由单片机系统、显示电路和超声波发射电路及超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89C52来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。单片机内部计数器所计的数据就是超声波发射并返回所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将结果显示在LED显示屏上。
超声波测距仪的原理框图如下:

2．2 超声波测距原理
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。

图2-2 超声波换能器内部结构图

在电路中, 发射端输出的脉冲是一系列方波, 其宽度称为发射超声波的时间间隔,被测物距离越大, 其脉冲宽度就越大, 输出脉冲个数与被测物距离成正比。。计时寄存器对P1.0口的高、低电平分别进行10us的延时, 实现从P1.0口输出周期为20us的方波信号。当单片机控制超声波发生器向某一方向发射超声波波束, 在发射时刻的同时,单片机内部定时器开始计时。在传播过程中, 超声波遇障碍物(被测物) 后反射回波, 超声波接收器接收到第一个反射波后, 定时器停止计时。定时器所计的数据就是超声波所经历的时间, 通过公式S=(VT)/2换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
由于超声波的声速和温度有关, 如果温度变化不是很大, 认为声速基本不变。如果测距精度要求很高, 那么可以通过温度补偿的方法来加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系。
V=331.4+0.61T 公式1
其中，T为实际温度，V的单位为m/s。表一给出了声速与温度的关系
表一 声速与温度的关系
温度/（℃）
-30
-10
0
10
20
30
100
声速/（m·s）
313
319
325
338
344
349
386

测距的公式为: L= (V*T)/2 公式2
其中, L为测量的距离长度; V 为超声波在空气中的传播速度; T为发射到接收所用时间的,由单片机的定时功能实现对超声波信号
的准确计时。

第三章 系统的硬件设计
3．1 单片机的功能与特点
51系列单片机提供以下功能：4kB的存储器，256BRAM，32条I/O线，2个16B定时/计数器，5个2级中断源，一个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
AT89C52单片机引脚图如下所示：

3．2 超声波发射电路
超声波在空气中传播功率及精度与频率成正比, 比较和分析几个常用超声波频率的特点, 最终选取频率为40 KHz。为了便于超声波的发射与接收, 超声波发射探头采用共振频率为40KHz的TCT40-16探头, 接收探头采用RCT40-16。超声波发射电路主要由超声波换能器和反相器74LS04构成, 单片机P1.0端口输出40KHz间断方波, 此时定时器开始计时, 信号经两路反相器送到超声波换能器的两个电极, 可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相并联, 可以提高驱动能力。电阻R1、R2 可以增加超声波换能器的阻尼效果, 这样可以缩短振荡时间, 提高74LS04输出高电平的驱动能力。超声波发射电路原理图如图3-2所示。

图3-2 超声波发射电路

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。本设计中发射器电路采用集成电路模块不需考虑这些问题，主要是采用74LS04反相器在换能器两端提供脉冲信号。
3．3 超声波检测接受电路
超声波接收电路采用SONY公司的CX20106A集成电路, 对接收探头收到的信号进行放大、滤波。它是一款红外线检波接收的专用芯片, 有较强的抗干扰性和灵敏度。管脚1是超声波信号输入端, 其输入阻抗约为40kΩ; 管脚2的C2、R3决定接收换能器的总增益, 增大电阻R或者减小C, 将使放大倍数下降, 负反馈量增大, 电容C 的改变会影响到频率特性, 实际使用中一般不改动, 推荐选择参数R =4.7kΩ, C=3.3uF; 管脚3和GND之间连接检波电容, 考虑到检波输出的脉冲宽度变动大, 推荐参数3.3uF; 管脚5上的连接电阻R4 用以设置带通滤波器的中心频率, 阻值越大, 中心频率越低, 取R =200kΩ时, 中心频率约为42KHz; 管脚6与GND之间接入一个分电容, 标准值为330pF, 如果该电容取得太大, 会使探测距离变短; 管脚7是遥控命令输出端, 是集电极开路的输出方式, 因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端, 该电阻推荐阻值为R5 =220kΩ, 没有接收信号时该端输出为高电平, 有信号时则会下降; 管脚8接电源正极, 4.5—5 V。超声波接收电路原理图如图3所示。
图3-3 超声波接收电路

3．4 数码管的工作原理及方式
3．4．1 LED数码管的工作原理
LED显示器由二极管组成显示字段（包括小数点）。将所有发光二极管的阴极连接在一块，成为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。将所有发光二极管的阳极接在一块，成为共阳接法，当某个字段的阴极为低电平时，对应的字段就被点亮。本设计采用共阳接法。各个电路图如下：

3．4．2 LED数码管的工作方式
点亮LED显示器有两种方式：静态显示和动态显示。静态显示，就是显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或者截止，这种方式每一位显示都需要一个8位输出口控制，占用硬件较多，一般仅用于显示位数比较少的场合。动态显示，就是一位一位的轮流点亮各个显示器。对于每一位显示器而言，每个一段时间点亮一次。动态显示器其硬件成本较低，多数显示时被用到。
为了节约成本, 本设计用4位数码管显示, 显示电路采用简单实用的4位共阳LED 数码管来显示测量距离, 采用单片机动态扫描显示。段码用74LS245驱动, 位码用PNP三极管VT1、VT2、VT3、VT 4驱动。LED数码管显示电路图如图3-4所示
图3-4 LED显示电路

3．5 温度补偿电路
声明：鉴于成本以及能力所限，实际电路中并没有温度补偿电路。本节仅就温度补偿的理论环节进行说明。
超声波在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速c与温度有关。如果环境温度变化显着，必须考虑温度补偿问题。由表一以及2-2中的公式1可以得到声速与温度的关系。为了提高测量精度，可以考虑设置一个可采用一个温度补偿电路。可以采用National Semiconductor 所生产的温度感测器LM35，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV 。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。接线形式比较简单，在单电源工作模式下，测量范围为0～+175℃。根据实际温度的值，利用可计算补偿声速。 下图为温度测量电路
图3-5温度测量电路

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3．6 系统的硬件电路设计
超声波硬件电路的设计主要包括单片机系统、显示电路、超声波模块（超声波发射电路与超声波接受电路）三个部分。单片机采用AT89C52，采用12MHz的高精度晶振，已获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用PI.0端口输出超声波换能器所需要的40KHz的方波信号，利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳极LED数码管，段驱动采用74LS245，位码采用PNP三极管驱动。
其中，单片机最小系统主要由AT89C52单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20 F的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。图3-6为单片机最小系统
图3-6 单片机最小系统

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，从而计算距离。

图3-7 ISP下载电路

第四章 系统软件的设计
超声波测距仪的软件设计主要包括：主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、定时子程序、显示子程序等组成。主要基于C语言编程。
4．1 超声波测距仪算法设计
超声波测距的原理为超声波发生器在某一时刻产生一个超声波信号，当这个超声波信号被检测物体反射回来以后，就被超声波接收器所接受。这样，只要计算出发出超声波到接收到回波信号的时间，就可以算出超声波发生器与反射物之间的距离。距离的计算公式为：
L=（VT）/2
其中，V为声速，T为声波来回的时间，L即为所要测量的距离。
主程序完成初始化后调用发射子程序, 由P1.0口发射脉冲, 驱动超声波传感器发射超声波, 关外部中断, 计数器T0开始计时。为防止虚假回波的干扰, 在延时一段时间后, 开中断。当有外部中断信号时，单片机就停止T0的计时, 计算出渡越时间T并存储E2PROM中; 然后调用测温子程序, 采集超声波测距时的环境温度, 并换算出准确的声速v, 存储到E2PROM中, 单片机再调用计算子程序, 计算出传感器到目标物体之间的距离, 最后把测量结果存储并通过数码管电路显示出来, 完成一次测量。
4．2 主程序流程图
当按下测量键时, 主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序, 并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出来。设计中, 超声波发射探头和接收探头距离较近,当发射探头发射超声波后, 有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收探头上, 这部分信号是无用的, 会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题, 并设定延时时间为1 ms, 即在发射极发射超声波1m s内, 通过软件关闭所有中断, 接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬, 1 ms后立即启动T0, 这时接收到的信号才有效, 并在接收到回波信号的同时, T0停。此时T 0所记录的CPU发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的, 因此系统存在测量盲区。主程序流程图如图4-2所示。

图4-2 主程序流程图

总结
本设计的超声波测距系统具有结构简单、功耗低、易于操作、成本低的特点, 还具有操作方便、运行可靠的优点, 它有良好的人机界面, 能方便地实时显示测距数据，可以广泛应用于生活的各个领域。例如，汽车的倒车雷达，工程建筑、机器人越障等等。该设计要求设计者具有良好的单片机、数电、模电知识，还要有一定的编程能力。综合应用需要的知识，将声波信号发射、接收并且显示出来。理论测量范围在0.27—4m之间，测量精度为1cm。
本设计主要由单片机系统、显示电路和超声波发射电路及超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89C52单片机来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。通过单片机中的程序对超声波传感器发射和接受的超声波信号进行逻辑分析和计算等处理，最后将处理后的数据显示在LED数码管上。设计时，由于高精度的传感器比较昂贵，我们采用的是一般的超声波传感器，并且没有对温度进行补偿，导致测量范围有限、精度不是很高。
我们小组在设计的过程中遇到了许多的困难。由于上学期课程紧张，我们这学期来之后才真正着手开始本设计，时间紧张以及自己知识有限，导致我们频频出错，截止目前为成品还没有出来，现阶段只将理论部分完成，以及简单的焊接了一些元器件。距离真正的完成还有许多工作要做，特别是在最后调试阶段肯定会遇到诸多问题。但是，不论结果如何，我们小组一定会坚持做下去。我们也深深的体会到做好一个设计不容易，认识到将理论转化为实物的不易。通过这次比赛，确实让我们学到了许多的知识，特别是单片机知识，我们的成员都有很大的提高。我们非常珍惜这次机会，尽最大努力完成它！

致谢
首先，我们感谢知道老师——杜玉军，是他在百忙之中抽出宝贵的时间给予我们悉心的指导和严格的要求，特别的是，在着手设计之前，我们什么也不懂，只是空有想法。杜老师一步步指导我们，给我们很多资料，不停地讲解，没有他的帮助，我们的设计是不可能按时完成的。还要感谢的是刘阳同学，在设计过程中给了我们许多宝贵的意见和指导，特别是在单片机方面，他给予了我们很多帮助。
还要感谢许许多多在设计过程给予我们鼓励和帮助的朋友，谢谢你们！

参考文献
【1】 郭天祥，新概念51单片机C语言教程，北京:电子工业出版社，2009
【2】 张鹏，王助亮，基于STC89C51单片机超声波测距系统的 设计，液压与传动，2010:18-021
【3】 汪道辉，单片机系统设计及实践，北京：电子工业出版社，2006
【4】 谭浩强，C程序设计，北京：清华大学出版社，2005,07

附录一：数码管接线方式

附录二：串口接线方式