超声波测距电路设计毕业论文

　 目 目

　 录

　第一部分

　设计任务与调研 „„„„„„„„„„„„„„„„（1—3）

　1.1 超声波简介

　 1

　1.2 设计主要内容

　 1 1.3 超声波相关图片

　 2 1.4 调研总结

　 3 第二部分

　设计说明 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（4—6）

　2.1 设计方案及选择

　 4 2.1.1 方案一 基于 ARM[7]的超声波测距系统设计以 S3C2410 为核心

　 4 2.1.2 方案二

　采用 CPLD 来控制的超声波测距仪

　4 2.1.3 方案三 方案三：采用 51 单片机控制的超声波测距系统

　 5 第三部分

　设计成果 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（7—12）

　3.1 超声波测距原理

　 7 3.2 发射原理图

　 7 3.3 接受原理图

　 8

　3.4 驱动显示图

　 8 3.5 设计思路

　 9 3.6 设计成果展示图

　 10 第四部分

　结束语 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（13）

　第五部分

　致谢 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（14）

　第六部分

　参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ „（15）

　第七部分

　附录 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（16）

　 第一部分

　设计任务与调研

　 1. 超声波简介

　我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点[4]。可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。在医学，军事，工业，农业上有明显的作用。

　理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位。利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。

　2. 设计的主要内容

　单片机控制超声波模块发射及检波接收，其系统原理框图如图

　3. 超声波测距仪相关图片

　 4. 调研目的和总结

　近年来，由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。与同类测距方法相比，超声波测距法具有以下优势：

　（1）相对于声波，超声波有定向性较好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力强等优势。

　（2）和光学方法相比，超声波的波速较小，可以直接测量较近的目标，纵向分辨率高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境有一定的适应能力。特别是在海洋勘测具有独特的优点。

　（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。

　随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又有无限前景的技术。

　超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，目前对超声波的精度要求越来越大。超声波作为一种新型的工具在各方面都有很大的发展空间，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。未来超声波测

　 第二部分

　设计说明

　 1. 设计方案及选择

　1 1.1 方案一

　基于 ARM[7]的超声波测距系统设计以 S3C2410 为核心，通过对其进行软件编程，实现该芯片对其外围电路的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去[8]。频率为 40kHz 左右的超声波在空气中传播的效率最佳，发射的超声波被调制成 40kHz 左右，具有一定间隔调制脉冲波信号。测距系统结构如图系统由测距系统、控制和显示部分组成。

　2. 方案二

　采用 CPLD 来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用 VHDL （Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）编写程序使用 MAX+plus II 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是 MAX7000s 系列中的 EPM7128SLC84-15 的CPLD 器件，其最高频率可达 175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口 RAM 等的设计。充分利用了其多达 128 个宏单元、68pin 可编程 I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测距结果精度高、响应速度快。缺点是方案

　 中需要一块 FPGA,一块双口 RAM,还需要一块用来存储波形数据的 EEPROM，那么设计的成本较高。同时在 FPGA 中还要用硬件描述语言(VHDL 语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于 EPM7128SLC84-15 的算法复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。

　3. 方案三

　采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：

　S=vt/2

　 方案一统能够实现自动测距、自动探伤和实时显示功能，集探伤、测距等多种功能于一体，所有运算、处理、显示都实现数字化；并且操作简单。使用方便，所有功能都有按键控制；测量速度快、准确，结果显示直观；仪器依靠电池供电，设有低功耗模式；体积小，携带方便，适用于室内、野外等各种条件下作业。

　 方案三计硬件简单，容易实现，测距范围适中。测量误差可以控制在士 1 c m左右。系统软件采用合理算法，提高了测量精度，具有较好的应用价值。另外其使用的 51 系列单片机以 8051 为内核，兼容 MCS-51 系列单片机，内部含有 Flash 存储器，在系统开发可以反复擦写；用静态时钟方式，可以节省电能；支持 ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序；晶振频率高达 24M，运行速度更快，价格也比较便宜；增了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。与第二种方案相比，第三种使用的是单片机，编译语言可以用 C 语言来实现，所以比较简单。

　 第三部分

　设计成果

　 1. 超声波测距的原理

　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。

　2. 发射原理图

　发射电路设计的主要目的是提供输入到发射探头电压和功率。本系统单片机的 P1.0发出了一组方波脉冲信号，输出波形稳定可靠，但由于输出电流和输出功率非常低，所以还不足以推动发射传感器发射足够的超声波信号，所以在这里加入了一个单电源乙类互补对称功率放大电路

　3. 接收原理图

　接收部分主要由接收换能器和放大电路组成。里面的放大电路是一个三级运算放大器 A1，功能是将从目标处反射回来的微弱信号进行放大整形后送入计数控制电路部分。由于在距离较远的情况下，回波信号很小，转换为电信号的幅度也较小，此要求将信号放大60万倍左右。采用三级放大：前两级放大100倍，用高精密放大器 LM318，带宽为15MHz，充分满足要求；第三级采用 LF353运算放大器，宽为4MHz。放大后的交流信号经光电隔离送入比较器，比较器的作用是将交流信号整形为一个方波信号，输出信号送入555单稳态触发器。

　 4. 驱动显示图

　在单片机应用系统中，发光二极管 LED 显示器常用两种驱动方式：静态显示驱动和动态显示驱动。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的 LED 电流即每一位 LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 接口。单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。因此，使用这种方法单片机中 CPU 开销小，但这种驱动方法需要寄存器、译码器等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的 LED 通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的 COM 端，使各个显示器轮流点亮，这时LED 的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动 态驱动显 示

　5. 设计思路

　◆ 温度为两位显示，距离为四位显示单位为 mm； ◆ 温度每隔 900ms 采样一次，DS18B20 在 12 位精度下转换周期为 750ms ,故900ms 满足该速度要求；超声波每隔 60ms 发送一次。

　◆ 按键 S 为测量启动键； ◆ 系统采用 AT89S51 的内时钟：12MHz；

　 ◆ 没有使用看门狗功能； ◆ 超声波发送一定时间后才开始启动检测，避免直达信号造成误判。如图

　 6. 设计成果展示图

　 第四部分

　结束语

　 本设计是以 AT89C51 为核心，借助于模数电技术和单片机技术的结合，解决了超声波测距的一些难题。灵活的运用超声波换能集成电路作为超声波的接收电路，在讨论了超声波测距原理、硬件电路实现和软件设计方法基础上，完成了超声波测距的设计要求。利用单片机的运算和控制功能，利用超声波的特性设计出的一种简单的测距系统。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，随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的超声波技术还十分有限，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。

　在设计中，我们的设计思维，发现问题和解决问题的能力得到了很大的提高，也对电子设计有了很大的兴趣。现在的社会是科技的社会，在以后的学习生活中，我们会更加努力学习培养自己独立思考的能力，从而更加适应社会。

　 第五部分

　致谢

　 在此我要感谢我的老师，对我的教导与帮助。在一个学期的设计和学习当中，我逐步了解了整个设计内容和过程，并且学到了很多新的东西。通过对实际工程的了解、设计不但使我加深了对理论知识的理解，对专业知识的全面认识，更重要的是将理论知识应用到了实践中，应用到了实际工程中，真正做到了学以致用、理论与实践相结合。同时，通过对设计中困难的克服，也锻炼了我的思考问题、解决问题的能力以及自学能力，在这次设计中我也对本专业前沿的一些知识和发展方向有了了解，开阔了我的眼界、扩大了我的知识面，这些都将为我以后的工作奠定良好的基础。

　在这次设计过程中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的知识。在以后工作和学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力

　 第六部分

　参考文献

　 谢维成, 杨加国.单片机原理与应用及 C51 程序设计 [M]. 北京:清华大学出版社,2006

　蔡菲娜. 单片微型计算机原理和应用 [M]. 杭州大学出版社,1995 [3] 李建忠. 单片机原理及应用 [M]. 西安电子科技大学出版社,2002

　张齐等. 单片机应用系统设计技术----基于 C 语言编程 [M]. 电子工业出版社,2004

　吴延海. 微型计算机接口技术[M]. 重庆大学出版社,1997

　李丽霞. 单片机在超声波测距中的应用[J].电子技术,2002

　 姜道连,宁延一,袁世良. 用 AT89C2051 设计超声波测距仪[J].国外电子元器件,2000(10):

　张鹏,张有志. 一种新型超生测距系统[J]. 山东:山东大学学报,2003,33(1)

　李学海.PIC 单片机实用教程－基础篇（第 1 版）[M]. 北京航天航空大学出版社,2002

　贾伯年. 传感器技术[M].东南大学出版社,2000

　陈大新,胡学同,周杏鹏.利用 FPGA 改进超声波测距模块设计[J].传感器技术,2005,24(2): 57～59

　谭浩强.C 程序设计（第三版）.北京: 清华大学出版社, 2005

　第七部分

　附录

　代码如下 #include <reg52.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void delay(uint z) { uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); } // void delay_20us() { uchar a for(a=0;a<100;a++); } //*************************************************************** //显示数据转换程序 void display(uint temp) { uchar ge,shi,bai; bai=temp/100; shi=(temp%100)/10; 第 25 / 29 页 ge=temp%10; wela=1; P0=0xf7; wela=0; dula=1;

　 P0=table[bai]; dula=0; delay(1); dula=1; P0=0x00; //关位码 dula=0; wela=1; P0=0xef; wela=0; dula=1; P0=table[shi]; dula=0; delay(1); dula=1; P0=0x00; //关位码 dula=0; dula=1; P0=table[ge]; dula=0; wela=1; P0=0xdf; wela=0; delay(1); dula=1; P0=0x00; //关位码 dula=0; } //** void main()

　 { uint distance; test =0; Trig=0; //首先拉低脉冲输入引脚 EA=1; //打开总中断 0 TMOD=0x10; //定时器 1，16 位工作方式 while(1) { EA=0; //关总中断 Trig=1; //超声波输入端 delay_20us(); //延时 20us Trig=0; //产生一个 20us 的脉冲 while(Echo==0); //等待 Echo 回波引脚变高电平 succeed_flag=0; //清测量成功标志 EA=1; EX0=1; //打开外部中断 0 TH1=0; //定时器 1 清零 TL1=0; //定时器 1 清零 TF1=0; //计数溢出标志 TR1=1; //启动定时器 1 delay(20); //等待测量的结果 TR1=0; //关闭定时器 1 EX0=0; //关闭外部中断 0 if(succeed_flag==1) { time=timeH*256+timeL; distance=time*0.172; //厘米 display(distance); }

　 if(succeed_flag==0) { distance=0; //没有回波则清零 test = !test; //测试灯变化 } } } //外部中断 0，用做判断回波电平 void exter() interrupt 0 // 外部中断 0 是 0 号 { timeH =TH1; //取出定时器的值 timeL =TL1; //取出定时器的值 succeed_flag=1;//至成功测量的标志 EX0=0; //关闭外部中断 } //********************************************************** //定时器1 中断,用做超声波测距计时 void timer1() interrupt 3 // { TH1=0; TL1=0; }