1 绪论-----------------------------------------------
2 1.1 课题背景、目的和意义 ------------------------------------------------------------------------------------------- 2
1.2 课题主要内容 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
2 系统概述-------------------------------------------
3 2.1 超声波测距仪的原理 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.2 两种常用的超声波测距方法 ------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.3 超声波的介绍 -------------------------------------------------------------------------------------------------------
4 2.4 超声波传感器 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
2.5 本章小结 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10
3 系统设计------------------------------------------ 10 3.1 系统组成 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 3.2 超声波测距仪硬件设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 11 3.3 超声波测距仪软件设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 13
3.4 本章小结 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 16
4 系统调试------------------------------------------ 17 4.1 软硬件的调试 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 17 4.2 仪器精度分析及如何提高超声测距精度---------------------------------------------------------------------- 17结论-------------------------------------------------- 20致谢-------------------------------------------------- 21参考文献 ------------------------------------------ 22附录 A ------------------------------------------------ 23附录B ---------------------------------------------- 24
1 绪论
超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。
本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel 公司的AT89C51 单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。
1.1 课题背景、目的和意义
传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术主要包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外线传感器、压力传感器等等，其中超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制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，并且测量精度较高。
超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。
1.2课题主要内容
通过上节介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，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V，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。
本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。
电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，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。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口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，计算距离,结果输出给LED显示。
2系统概述
2.1 超声波测距仪的原理
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 v，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 这就是所谓的时间差测距法。由于超声波发球声
波范围，其波速c 与温度有关，表2-1 列出了几种不同温度下的波速。
表2-1 声速与温度的关系
波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。其系统原理框图如图2-1 所示。
图2-1 超声波测距器系统设计框图
由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。
2.2 两种常用的超声波测距方法
2.2.1 基于单片机的超声波测距系统
基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz 的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图2-1 所示。
图2-1 基于单片机的超声波测距系统框图
这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收
到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口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，计算距离，结果输出给LED 显示利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。
2.2.2 基于CPLD 的超声波测距系统
这种测距系统采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，运用
HDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)编写程序，使用MAX+plusII 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。
CPLD 器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D 触发器、T触发器、RS 触发器或JK 触发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非常适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由MAX 来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。
2.3 超声波的介绍
2.3.1 超声波的应用
超声波是频率高于 20000 赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集
中的声音,在水中传播距离远,可用于测距,测速,清洗,焊接,碎石, 杀菌消毒等.在医学,军事,工业,农业上有很多的应用.
1.超声检验.超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,而且能透过不透明
物质,这一特性已被广泛用于超声波探伤,测厚,测距,遥控和超声波成像技术.超声
成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 . 把从换能器发出的超声波经声透
镜聚焦在不透明试样上,从试样透出的超声波携带了被照部位的信息(如对声波的反射,吸收和散射的能力) ,经声透镜汇聚在压电接收器上,所得电信号输入放大器,利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上.
2.超声处理.利用超声的机械作用,空化作用,热效应和化学效应,可进行超声焊接,
钻孔,固体的粉碎,乳化 ,脱气,除尘,去锅垢,清洗, 灭菌,促进化学反应和进行生物
学研究等,在工矿业,农业,医疗等各个部门获得了广泛应用. 3.基础研究.超声波作
用于介质后,在介质中产生声弛豫过程,声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的
输运过程,并在宏观上表现出对声波的吸收
2.3.2 超声波的发展
一、国际方面: 自 19 世纪末到 20 世纪初, 在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与推
广超声技术的历史篇章. 1922 年,德国出现了首例超声波治疗的发明专利. 1939 年
发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道. 40 年代末期超声治疗在欧美兴起,直到 1949 年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了超声治疗方面的论
文交流,为超声治疗学的发展奠定了基础.1956 年第二届国际超声医学学术会议上
已有许多论文发表, 超声治疗进入了实用成熟阶段.
二、国内方面: 国内在超声治疗领域起步稍晚, 20世纪 50年代初才只有少数医院开于展超声治疗工作,从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多
种疾病,至50年代开始逐步推广,并有了国产仪器.公开的文献报道始见于 1957 年.到了70年代有了各型国产超声治疗仪,超声疗法普及到全国各大型医院. 40 多年来, 全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验.特别是 20 世纪 80 年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科,是结石症治疗史上的重大突破.如
今已在国际范围内推广应用.高强度聚焦超声无创外科,已使超声治疗在当代医疗技
术中占据重要位置.而在 21 世纪 (HIFU)超声聚焦外科已被誉为是 21 世纪治疗肿
瘤的最新技术.
2.4 超声波传感器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的因有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面的知识。在本章里，将介绍超声波传感器的原理和特性，检测方式以及超声波传感系统的构成。
2.4.1 超声波传感器的原理
人们可以听到的声音频率为20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz 以下的声音称为低频声波，20kHz 以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。
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以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz 等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。
超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图2-2
所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c 所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
图2-2 压电逆效应
超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。
采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施
加40kHz 的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz 频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。
2.4.2 超声波传感器的特性
现以MA40S2R 接收器和MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表
2-2示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自
使用并联谐振频率。
表2-2 超声波传感器MA40S2R/S 的特性
超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。
MA40S2R/S 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。
图2-2 表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿
图2-2 传感器的方向性
2.4.3 超声波传感器的检测方式
1.穿透式超声波传感器的检测方式
当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。这种方式的检测距离约1m，作为标准被检测物体使用100mm×100mm 的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。
2.限定距离式超声波传感器的检测方式
当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。
3.限定范围式超声波传感器的检测方式
在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。
4.回归反射式超声波传感器的检测方式
回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发送器设置与布线困难的场合。若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。
这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器
2.4.4 超声波传感器系统的构成
超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图2-3 所示。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。
图2-3 超声波传感器系统的构成
控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输出。对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意距离的反射波。另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范围。超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为12~24V±10%，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路
2.5 本章小结
本章我们详细介绍了超声波测距仪的原理，两种常用的超声波测距方法，超声波的应用以及发展，超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理产生超声波的。
超声波传感器有四种检测方式，分别为穿透式超声波传感器的检测方式、限定距离式超声波传感器的检测方式、限定范围式超声波传感器的检测方式和回归反射式超声波传感器的检测方式。
超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。
3系统设计
3.1 系统组成
3.1.1 硬件部分
主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
3.1.2 软件部分
主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。
3.2 超声波测距仪硬件设计
3.2.1 单片机系统及显示电路
单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监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LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。单片机系统及显示电路如图3-1所示
图3-1单片机系统及显示电路
3.2.2 超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图3-2所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波
发射换能器T组成，单片机P1.0端口输出的40 KHz方波信号一路经反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波华能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻人R10,R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
图3-2 超声波发射电路原理图
压电超声波转换器的功能：
利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。
3.2.3 超声波检测接收电路
采用集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。检测接收电路如图3-3所示
图3-3 超声波接收电路图
3.3 超声波测距仪软件设计
超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接收中断程序及显示子程序组成，由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序行动的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。下面对主程序，超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。
3.3.1 主程序
主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功
的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取20℃时的声速为344 m/s则有： d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值）测出距离后结果将以十进制BCD 码方式LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。主程序框图如图3-4所示：
3.3.2 超声波发生子程序和超声波接收中断程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约
40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。程序流程图如图3-8，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。
(a) (b) (c)
图3-8 程序流程图
用单片机编程产生40kHz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一个延时函数delays()，然后可用for 语句循环，并且循环一次同时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下：
void delays() {} //延时函数
void main()
{
for(a=0；a<200；a++) //产生100 个40KHz 的方波
{
P36=!P36； //每循环一次，输出引脚取反
delays() ；
}
}
单片机每隔一段时间产生一串40kHz 方波，同时定时器开始计时，当收到回波，
产生中断信号后，单片机执行中断程序。在中断程序中，先让定时器停止计数，然后
读取时间，通过时间计算出所测距离，输出结果。
中断程序如下：
void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO 中断服务程序
{
uint bwei,shwei,gwei；
uchar DH,DL；
ulong COUNT；
ulong num；
TR0=0 ； //停止计数
DH=TH0；
DL=TL0；
COUNT=TH0*256+TL0；
num= (344*COUNT)/20000； //计算距离
bwei=num/100； //取百位
gwei=(num-bwei*100)/10； //取十位
shwei=num%10； //取个位
P1=tab[bwei]； //输出百位
P0=tab[shwei]； //输出十位
P2=tab[gwei]； //输出个位
TH0=0；
TL0=0；
}
本系统的LED 显示采用了静态显示方式，并用单片机内部软件译码。这样简单方便，省去了复杂的外部译码电路。软件译码只需要定义一个数组便可，程序语句如下：uchar data
tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}；
这是共阳LED显示从0到9的字形码。
3.4 本章小结
本章是该课题的重点，全面介绍了超声波测距系统的原理和设计思路，给出了硬件电路和软件的设计。在硬件电路的设计中，分别详细介绍了发射电路，接收电路及显示模块的设计方法。软件编程部分，给出了整个程序的思路以及程序流程图。
4系统调试
4.1 软硬件的调试
超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
硬件电路制作完成并调整好以后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量要求。
4.2 仪器精度分析及如何提高超声测距精度
4.2.1 声速引起的误差
声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度对相应静止值的扰动。高于20kHz 时的机械波称为超声波，媒质包括气体、液体和固体。流体中的声波常称为压缩波或压强波，对一般流体媒质而言，声波是一种纵波，传播速度为
C = ( E / )2 （式4-1）
式4-1中,E为媒质的弹性模量，单位kg/mm2；ρ为媒质的密度，单位kg/mm3；E为复数，其虚数部分代表损耗；c 也是复数，其实数部分代表传播速度，虚数部分则与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关，测量后者可求得媒质中的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关。
从式(4-1)可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。声速受温度的影响的公式为：
2 (式4-2)
C
θ = C0[1+（θ/ 273）]
图4-1 根据上式测量的温度-声速图。
图4-1 空气中温度-声速图
由式(4-2)和图4-1可见，当温度θ从0～40℃变化时，将会产生7%的声速变化，因此，为了提高测量准确度，计算时必须根据温度进行声速修正。工业测量中，一般用公式计算超声波在空气中的传播速度，即
C
θ = 331 + 0.6θ (式4-3)
4.2.2 分辨率的影响
不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。相对而言，单片机的时间分辨率还是太高，如晶振频率为12MHz 时，时间分辨率为1μs。
随机误差
由于测量过程中的随机误差是按统计规律变化的，为了减少其影响，可在同一位，然后取平均值X作为测量的真值。提高测距精度的方法上节分析置处多次重复测量X
i
了超声波测距系统误差产生的一些原因，如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下：
1.合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。
据经验，超声测距的工作频率选择40kHz较为合适；发射脉宽一般应大于填充波周期的10倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度快，脉冲发射周期可选短些。
2.在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节。
因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用AGC电路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。
3.提高计时精度，减少时间量化误差。
如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就
越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率6MHz 时，计数频率为0.5MHz，此时在空气中的测距时间量化误差为0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率，时间量化误差更小。
4.补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。温度传感器LM92 的温度测试分辨率为0.0625℃，－10℃至+85℃准确度为±1.0℃，I2C总线接口。用AT89C51 的通用I/O 端口能很容易的模拟I2C总线的读写时序，LM92高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。
由LM92 温度传感器和单片机组成的高精度超声波测距已应用在各种高精度测距的场合，如自动气象站中水气日蒸发量的测试、自动任意形状物体密度测试仪等，它具有测试速度快，能达到毫米级的测量精度等优点，在工程上的开发与应用前景广阔。
结论
本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。给出了硬件和软件的设计方案。超声波传感器是本系统的核心器件,本论文详细地介绍了超声波传感器的原理,结构,检测方式以及它的一些特性.只有深入地了解超声波传感器的工作原理,才能更好的设计测距电路。
本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高,速度快,控制简单方便等优点.测距范围在0.10 ~ 4.00 m,测量精度在1cm内。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，测距系统在许多工业现场和自动控制场合,都有很重要的作用。但由于经验不足,电路硬件,软件部分都有不够完善的地方,在今后的学习中会进一步改进。总体来说,最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识,从中受益匪浅。了解了超声波传感器的原理,学会了各种放大电路的分析,设计,也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计,调试,改进等整个过程,有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。
超声波测距仪电路设计实验报告 轮机系楼宇071 周钰泉2007212117 实验目的：了解超声波测距仪的原理，掌握焊接方法，掌握电路串接方法，熟悉电路元件。 实验设备及器材：电烙铁，锡线，电路元件 实验步骤：1,学习keil软件编写程序2、焊接电路板3、运行调试 超声波测距程序： #include
unsigned char i; sbit ST=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^4; sbit CLK=P3^5; sbit M1=P3^6; sbit M2=P3^7; sbit SPK=P2^6; sbit LA=P3^3; sbit LB=P3^2; sbit LC=P2^7; sbit K1=P2^4; sbit K2=P2^5; bit wd; bit yw; bit shuid; bit shuig; unsigned int cnta; unsigned int cntb; bit alarmflag; void delay10ms(void) { unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); } void main(void) { M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) { if(K1==0) { delay10ms(); if(K1==0) { yw=1; wd=0; } } else if(K2==0) { delay10ms(); if(K2==0) { wd=1; yw=0; } } else if(LC==1) { delay10ms(); if(LC==1) { M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; } } else if((LC==0) && (LB==1)) { delay10ms(); if((LC==0) && (LB==1)) { M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; }
单片机课程设计 一、需求分析： 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。要求测量围在１m，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。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。 本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，起到智能操作，实时监控的作用。 关键词单片机AT82S51 超声波传感器测量距离 二、硬件设计方案 设计思路 超声波传感器及其测距原理 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。完成这种功能的装置就是超声波传感器，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。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。
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 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距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340米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图所示： 超声波测距器系统设计框图 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
基于单片机的超声波测距电子烧友会基于51单片机的超声波测距仪 之倒车雷达作品设计毕业论文 摘要: 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，他广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及STC公司的STC89C52的单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的不足并加以改进，将温度引起的误差考虑在内并且加以修正，给出了以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、液晶显示超声波测距系统的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单并且做到了可设计报警范围的功能,在测量精度方面能达到工业使用的要求。 关键词：单片机；液晶显示；报警；测距 I
Ultrasonic distance measurement based on single chip Abstract:Ultrasound has a strong point, the energy consumption of the slow spread of the advantages of distance, so the use of sensor technology and automatic control technology, the program combines distance, ultrasonic distance measurement is the most common one, and he widely used in security, parking sensor, water level measurement, construction sites and some industrial sites. This subject introduces the principles and characteristics of ultrasonic sensors, and microcontroller STC89C52 STC's performance and characteristics, and the analysis of the ultrasonic distance measurement based on the principle that the lack of design ranging system and make improvements, will into account the error due to temperature and should be amended to STC89C52 given low-cost microcontroller as the core, high-accuracy, liquid crystal display ultrasonic ranging system of hardware and software design methods. The system circuit design is reasonable, stable, good performance, fast detection of simple calculation and can be designed to achieve the alarm range of functions to achieve precision in the measurement requirements for industrial use. Keywords:microcontroller; LCD display; alarm; ranging
超声无损检测仪器的发展 超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性，其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代，新一代的超声检测仪器——数字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新时代。 超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图像化、小型化和多功能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展中，数字化、智能化、图像化超声仪最引人注目，显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国Krauthammer公司、美国Panametrics公司、丹麦Force Institutes公司与美国PAC公司的产品最具代表性。真正的智能化超声仪应该是全面、客观地反映实际情况，而且可以运用频谱分析，自适应专家网络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键技术问题。 现代的扫查装置也在向智能化方向发展。扫查装置是自动检测系统的基础部分，检测结果准确性、可靠性都依赖于扫查装置。例如采用声藕合监视或藕合不良反馈控制方式提高探头与工件表面的耦合稳定度以及检测的可靠性。从20世纪90年代以来，出现的各种智能检测机器人，已经形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。例如日本东京煤气公司的蜘蛛型机器人，移动速度约60m/h ，重约140kg，采用16个超声探头可以对运行状态下的球罐上任意点坐标位置进行扫描。日本NKK公司研制的机器人借助管道内液体推力前进，可以测量输油管道腐蚀状况，其检测精度小于1mm。 丹麦Force研究所的爬壁机器人，重约10吨，采用磁吸附与预置磁条跟踪方式可检测各类大型储罐与船体的缺陷。 超声无损检测技术的发展 超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术, 体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设备服役的各个阶段和保证机器零件的可靠性和安全性上。世界各国出版的无损检测书
第一章绪论 1.1课题设计目的及意义 1.1.1设计的目的 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，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。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。 1.1.2设计的意义 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.2超声波测距仪的设计思路 1.2.1超声波测距原理 发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
题目：超声波测距仪的设计 超声波测距仪的设计 一、设计目的： 以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。 通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。 二、设计要求： 设计一个超声波测距仪。要求： 1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离； 2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。 三、设计器材： STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块 SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管（4） 按键（1） 电容（30PF2，10UF1） 排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子，
导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。 四、设计原理及设计方案： （一）超声波测距原理 超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C 式中 L——要测的距离 T——发射波和反射波之间的时间间隔 C——超声波在空气中的声速，常温下取为344m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。 根据本次设计所要求的测量距离的围及测量精度，我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了，硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路，软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时，只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。 当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值，此值就为此次测距的时间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。 （二）超声波测距模块HC-SR04简要介绍 HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述： 1. 主要技术参数： ①使用电压：DC5V ②静态电流：小于2mA ③电平输出：高5V
网络教育学院 本科生毕业论文（设计） 题目：浅谈建筑结构检测技术 学习中心： 层次： 专业： 年级： 学号： 学生： 指导教师： 完成日期：
内容摘要 结构检测是指实体结构现状的检测，检测得出的数据和结论是对抗震鉴定结果的重要支撑。建筑结构的检验测试通常为事后的检验与测试，这与建设工程施工阶段的送样和质量检查有明显的区别，因而其工作难度大，技术含量高。为此，本文针对各种常见建筑结构的检测技术进行了简要的分析与探讨，分别介绍了混凝土结构，砌体结构，钢结构的检测技术，并对相关检测技术进行了详细的评述。随着检测技术的发展，结构检测内容趋于系统和深入，结构检测方法日益先进和丰富。 关键词：建筑结构；检测技术；结构性能
目录 内容摘要 (1) 引言 (3) 1 绪论 (4) 1.1 建筑结构检测技术的提出 (4) 1.2 常见建筑结构的种类及相应检测内容 (4) 2 砌体结构检测技术 (7) 2.1 砌体结构检测技术的主要内容及特点 (7) 2.1.1 砌体强度检测 (7) 2.1.2 砂浆强度检测 (7) 2.2 砌体结构检测技术实施现状分析 (8) 3 钢结构检测技术 (10) 3.1 钢结构无损检测技术的主要内容及特点 (10) 3.1.1 磁粉检测技术 (10) 3.1.2 射线检测技术 (10) 3.1.3 超声波检测技术 (11) 3.1.4 渗透检测技术 (11) 3.1.5 涡流检测技术 (11) 3.2 钢结构检测技术实施现状分析 (12) 4 混凝土结构检测技术 (13) 4.1 混凝土结构检测技术的主要内容及特点 (13) 4.1.1 强度检测 (13) 4.1.2 钢筋配置情况检测 (14) 4.1.3 混凝土耐久性检测 (14) 4.1.4 钢筋锈蚀情况检测 (15) 4.1.5 混凝土碳化深度的检测 (16) 4.2 混凝土检测技术实施现状分析 (16) 5 结论与建议 (18) 参考文献 (19)
For personal use only in study and research; not for commercial use 第一章绪论 1.1课题设计目的及意义 For personal use only in study and research; not for commercial use 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，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。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。 For personal use only in study and research; not for commercial use 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.2超声波测距仪的设计思路
摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。 经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。 关键词AT89C51；超声波；测距
Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring,building construction site and some industrial scenes extensively. This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision. Key words AT89C51; Ultrasonic Wave; Measure Distance
摘要 随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。 目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。 随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。 （2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。 （3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单
可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。 关键词：超声波；测距；电子电路
Abstract With the development of society, the traditional ranging method on many occasions has failed to meet the demands of the people, for example in the well depth, liquid level, pipe length and so on, the traditional ranging method can't finish the task of measurement. And in many requirements under the condition of the real-time location, the traditional method is also difficult to perform a complete measurement range of tasks. These unique advantages of ultrasonic more and more attention by people. At present the demand for ultrasonic accurate location is more and more big, such as oil terminal and the liquid surface water tank precise measurement and control, the object of the stomata size in testing and mechanical internal damage detection, etc. transportation and other industrial areas also have widely application. In addition, in material science, medicine, biological sciences and also accounted for a important position in. Along with the computer technology, automation technology and the development of industrial robots and the widespread application, location problem is becoming more and more important Compared with other ranging method, ultrasonic ranging has the following advantages: (1) to light and color ultrasonic not sensitive, can be used to identify transparent and diffuse sexual difference of objects (such as glass, polishing body). (2) ultrasonic outside light and the electromagnetic fields to not sensitive, and
分类号：TB553 单位代码：10110 学号：S2******* 中北大学 硕士学位论文 超声波检测钢轨伤损及定位研究 硕士研究生李文超 指导教师苏新彦副教授 学科专业信号与信息处理 2013年 4月 10 日
图书分类号 TB553 密级非密UDC注 1 硕士学位论文 超声波检测钢轨伤损及定位研究 李文超 指导教师（姓名、职称）苏新彦副教授 申请学位级别工学硕士 专业名称信号与信息处理 论文提交日期 2013 年 4 月 10 日 论文答辩日期 2013 年 5 月 30 日 学位授予日期年月日 论文评阅人李铁鹰张丕状 答辩委员会主席张文梅 2012年 6 月 7 日注1：注明《国际十进分类法UDC》的分类
原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。 签名：日期： 导师签名：日期：
超声波检测钢轨伤损及定位研究 摘要 在我国的交通运输系统中，铁路运输一直占据着重要的地位，钢轨在长期运行过程中难免出现各种损伤，严重威胁着列车的安全，在检测钢轨伤损中，超声探伤技术是应用最为广泛的方法之一。随着超声波检测诊断技术和检测方法迅速的发展，超声探伤技术在铁路领域得到重要的应用。 本文在分析超声波的特征值、介质的声参量及超声波在介质中的特性基础上，利用超声波脉冲反射法基本理论，设计了超声波检测钢轨伤损及定位系统。该系统以高性能单片机为控制核心、采用五通道高速采集卡进行数据采集，搭建了无损检测硬件系统平台。 本系统经过选取合适的探头，设计了单片机为核心的控制模块及超声波发射电路和超声波接收电路；用高速采集卡实现了对信号的五通道高速采集。以VC6.0++为编程工具，Matlab为分析工具，完成了整套系统软件编程及调试的工作。最后利用小波变换将采集的回波信号进行降噪处理，能够对伤波信号增强和提取，实现了对钢轨伤损判定和定位。 通过大量的实验表明：本文设计的超声波探伤系统对钢轨伤损判定和定位取得了理想的效果。在论文的最后做了总结，并且对超声波检测钢轨伤损的进一步的研究提出建议。 关键词：无损检测；超声检测；数据采集；小波变换
毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号： 所在学院： 专业：通信工程 设计(论文)题目：基于STM32的超声波测距仪 指导教师： 2014年2月25日
开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。
毕业设计（论文）开题报告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述： 文献综述 一、课题研究背景、目的和意义 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术主要包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外线传感器、压力传感器等等，其中超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制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，并且测量精度较高。 超声波测距是一种典型的非接触测量方式。超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。且超声波测距系统结构简单、电路易实现、成本低、速度快，所以在工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等领域应用非常广泛。 超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性、反射、折射、干涉、衍射、散射与物理紧密联系，应用灵活。它是一种指向性强，能量消耗慢的波。它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，可解决超长度的测量。二、超声波测距仪的整体设计思路 超声波测距一般采用渡越时间法。超声波测距的实质是时间的测量，即：用超声脉冲激励超声探头向外发射超声波，同时接收从被测物体反射回来的超声波（简称回波），通过精确测量从发射超声波至接收回波所经历的射程时间t（渡越时间），按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离S，即 S=12ct 其中，c 为空气介质中声波的传播速度。在常温下，超声波的传播速度为340 m/s，
10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪，可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米，测量精度1cm，测量时与被测物体不接触，并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1．单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波换能器所需的40Hz方波信号，利用外中断0口监测超声波接受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，段码用74LS244驱动，位用PNP8550驱动。 2．超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3．超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片，可利用它做接收电路。 4．系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序：
开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化，设置T0为方式1，EA=1，P0，P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器，需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz，计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s，则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序：通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号，脉宽12us，同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波，一旦接收到返回的信号，立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波
目录 前言 1课题设计目及意义----------------------------------------------- 1 1.1设计目----------------------------------------------------- 1 1.2设计意义----------------------------------------------------- 1 1.3课题设计任务和规定------------------------------------------- 1 正文 1 课程方案设计------------------------------------------------- 2 1.1系统整体方案--------------------------------------------------- 2 1.2系统整体方案论证-------------------------------------------- 2 2系统硬件构造设计------------------------------------- 2 2.1 51系列单片机功能特点及测距原理------------------------------ 3 2.1.1 51系列单片机功能特点------------------------------------- 3 2.1.2 单片机实现测距原理 ----------------------------------------- 3 2.2 超声波电路构造------------------------------------------------ 4 2.3 超声波测距系统硬件电路设计---------------------------------- 4 2.4 PCB版图设计---------------------------------------------------- 5 3 系统软件设计----------------------------------------- 6 3.1 超声波测距仪算法设计---------------------------------------- 7 3.2 主程序流程图--------------------------------------------------- 7 3.3单片机某些C语言程序-------------------------------------------- 8 3.4超声波测距某些C语言程序-------------------------------------- 11
摘要 本毕业设计的课题是板材焊缝超声波探伤测试。主要任务是在掌握过程设备制造流程和焊接缺陷及其产生原因的基础上，研究超声波探伤技术在钢制压力容器对接焊接接头探伤检测中的应用，并给出焊缝返修的具体方案。本文详述了国外超声检测技术的发展和现状，并在简述过程设备制造、焊接及无损探伤的基础上详细介绍了超声波探伤技术及其在焊缝无损探伤中的应用及评定等级和注意事项。针对给定的板材焊缝，通过实验检测该焊缝的缺陷，本文详细介绍了试块选用，设备调试，现场探伤中的常见问题及解决方法。同时给出了现场探伤、缺陷定位和长度测量的具体方法，并通过GB11345-89标准对试验中检测到的缺陷进行了等级评定并得出了检测工艺卡。 关键词：焊缝；超声波探伤。
Abstract The task of the graduation design is the plate weld ultrasonic testing. The main task is to master the process equipment manufacturing and welding defects and its causes, study of ultrasonic flaw detection technology in steel pressure vessel butt welded joint flaw detection, and gives the concrete plan of the weld repairing. This paper describes the domestic and foreign development and present situation of ultrasonic detection technology, and in the process equipment manufacturing, welding and nondestructive testing based on detailed introduces the ultrasonic detection technology and its application in weld NDE and rating and matters needing attention. For a given plate welding, the weld defects detection by experiment, this paper introduces the test block selection, equipment commissioning, on-site inspection of the common problems and solutions. At the same time provides on-site testing, defect location and length measurement methods, and through the GB11345-89 standard to test the detected defects were rating and the detection process card. Key words: Weld; ultrasonic testing