武汉理工大学
硕士学位论文
基于FPGA的超声波测距系统
姓名：吴超
申请学位级别：硕士
专业：凝聚态物理
指导教师：杨洪庭
20090501
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高．超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感，对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下超声波有很强的适应能力。
由于超声波的能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，声波传播速度在相当大范围内与频率无关等独特优点超声波被视为测距技术的一种良好选择在军事，工业，交通上上有很多的应用Ｉ瑚Ｊ。
１．３超声波测距原理
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，根据测距方式超声波测距原理又分为直接测距和间接测距两种。
直接测量法：测量超声波从发射端到接收端的渡越时间，根据超声波在环境温度中的速度计算出实际距离。
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图１．１超声波测距原理１
测距的公式表示为：Ｓ＝ＣｘＴ
间接测量法：测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时问差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
一设计题目基于51单片机的超声波测距 二设计者 姓名班级学号组号 三、设计思路及框图、原理图 任务：以单片机为核心，设计并制作一超声波测距系统基本要求： 利用时间差测距，不考虑温度变化 用数码管显示测试结果 工作频率：450kHz 测距范围：0.5~10米 测试精度： 10% 发挥部分尽量增大测控范围，提高测试精度 1.系统的硬件结构设计 1.1. 超声波发生电路 发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的450kHz的方波信号一路经一级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换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、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，缩短其自由振荡时间。 1.2超声波检测接收电路 采用集成电路CX20106A为超声波接收芯片。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电
容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 1.3 显示电路 显示电路主要由74ls273芯片驱动，用PNPC8550三级管进行位选，七段共阳极数码管显示。 2.系统的软件结构设计 设计思路 主程序中包括温度补偿子程序，计算子程序，显示子程序。采用汇编编程。首先进行系统初始化。其次利用循环产生4个40KHZ的方波，由输出口进行输出，并开始计时。第三等待中断，若超声波被接收探头捕捉到，那么通过中断可测得
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; }
芀一、超声波测距原理 肅超声波测距原理是通过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时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 ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S , 即: 膂S = v·△t /2 ① 芀这就是所谓的时间差测距法。 蝿由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1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。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。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（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： 螅V = 331.45 + 0.607T ② 芄 声 速 确 定
后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 薂二、系统硬件电路设计 腿图2 超声波测距仪系统框图 蒆基于单片机的超声波测距仪框图如图 2 所示。该系统由单片机定时器产生 40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机 是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单 片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10 个脉冲信号加到超声 波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后， 单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数， 这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 莅1 、超声波发射电路 螀超声波发射电路如图3所示，89C51 通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250 μ s , 40kHz 的10 个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发 射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远, 可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 薈图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应 将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它 上面的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。市售的超声 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
基于FPGA的超声波测距系统设计详解 超声波测距是一种非接触式测量技术，具有定向性好以及对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感的优点，当被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰及有毒等恶劣的环境时，超声波有很强的适应性。因此超声波传感器广泛用于工业测量、安全预警、车辆避障、自动导航以及现场机器人等相关领域。 目前绝大多数超声波测距系统都是以单片机作为信号发生和控制器，其测量精度严重受限于单片机的晶振频率（1.2 MHz~24 MHz），往往难以令人满意。而且用单片机控制的测距系统需要辅助设计较多的由分立元件组成的外部模拟电路，故其抗干扰性能也相对较差。FPGA作为一种高密度可编程器件，其内部可以集成较大规模的逻辑单元，适用于时序、组合等各种逻辑电路应用场合，具有运行速度快（100 MHz以上）、内部资源丰富等特点，为开发高精确度的超声测距系统提供了新的设计方案。 为此，本文设计了一种基于FPGA的超声波测距系统，有效提升了系统整体性能。 1 超声波测距原理 目前，超声波传感器的种类有很多，一般采用压电式超声波传感器。超声波测距原理如图1所示。超声波信号由超声波发射探头发出的同时，计数器开始计数，超声波在传输过程中遇到障碍物会反射回来（称为回波），在超声波接收探头收到回波的同时，计数器停止计数。由速度和时间即可得到障碍物与测距装置之间的距离： S≈L=V×t/2（1） 其中，S为障碍物与测距装置之间的距离，V为超声波的传播速度，t为计数器测得时间。 2 测距系统与硬件电路 本超声波测距系统整体结构如图2所示，包括发射模块、接收模块、显示模块、温度补偿模块和FPGA设计模块等。 CX20106A的2引脚与GND之间连接RC串联网络，改变它们的数值便能改变芯片内部
测控技术与仪器专业课程设计报告 班级姓名学号起始时间 课程设计题目： 测控技术与仪器专业课程设计报告 摘 要：本文介绍了一种基于单片机的超声波测距仪的设计。详细给出了超声波测距仪的工作原理、超 声波发射电路和接受电路、测温电路、显示电路等硬件设计，以及相应的软件设计。设计中采用升压电路，提高了超声换能器的输出能力；采用红外接收芯片，减少了电路间相互干扰，提高了灵敏度;同时，考虑了环境温度对超声波测距的影响，采用温度传感器，提高了测量精度。该设计试验运行良好，系统结构简单、操作方便、价格低廉，具有广阔的推广前景。 关键字：超声波测距仪；超声波换能器；单片机；温度传感器 1 对题目的认识和理解 目前，常用的测距方法主要有毫米波测距、激光测距和超声波测距三种。超声波测距较前两种测距方法而言，具有指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小等特点，广泛应用于如井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。 超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45m/s ，由单片机负责计时，单片机使用12.0M 晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。 目前比较普遍的测距的原理是：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。 本设计选用频率为40kHZ 左右的超声波，它在空气中传播的效率最佳。由于超声波测距主要受温度影响较大，所以本设计增加了温度补偿电路。本设计具有电路简单、操作简便工作稳定可靠、测距精确和能耗小、成本低等特点，可实现无接触式测量，应用广泛。 1.1 超声波测距原理 超声波测距是通过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反射回来，超声波接收器收到回波就立即停止计时。根据计时器测出发射和接收回波的时间差t ，可以计算出发射点距障碍物的距离s ：2 = t c s ，其中t c 为超声波在空气中的传 播速度，它随温度的变化而变化，其变化关系如下：331.50.6=+t c T 式中T 为环境摄氏温度，可由温 度传感器获取。
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
超声波测距电路 摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。 关键词：超声波；测距；FPGA实现 1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。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。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。 2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1℃,声波速度增加0.6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。 3超声波发生/接收器：为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。（可采用MA40LIS和MA40LIR） 4超声测距原理：最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度 补偿问题。 5系统设计：
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
自制一个由你掌控的 —— 超声波测距传感器（硬件篇） 一、背景 四年多前，我曾尝试自己制作一个超声波测距传感器。 当时是想为 LEGO 的 RCX 配套，因为我是Semia 的技术支持，那时RCX 还没有配置任何测距传感器。由于可查阅的资料有限，且不详细，最后以失败告终 /（也许在网络搜索上我属于“菜鸟”）。 为了达到目的，只好选用了 Sharp 公司的 GP2D12。但自制超声波测距传感器的愿望一直没被遗忘。一是觉得超声波用于测距从原理上讲应该效果不错（GP2D12的测距范围太小，只有 10 — 80 cm）；二是市售成品不够灵活，为了适应它还得做转换接口，费力耗财。 前段时间协助一个单位搞项目，涉及到超声波测距；有幸的是解剖了一款进口的超声波测距传感器 —— SensComp公司的6500，使我对相关原理和技术有了比较透彻的了解。 本想项目结束后立刻动手设计一个自己的传感器，后因忙于“圆梦小车”耽搁了。 现在圆梦小车已初具雏形，可以腾出一点时间，而且小车也需要一些传感器与之配套，便着手实现了这个夙愿。
基于嵌入之梦工作室的宗旨 —— 为学习单片机的大学生服务，将设计和制作的细节与大家分享，希望能有助于读者做出属于你自己的超声波传感器，也让和我有类似想法的人不至于再次失望于网络。 二、需求分析 ?能在测距范围上弥补 GP2D12 的不足，将距离延伸到 80cm以外； ?可以提供给大学生和爱好者 DIY，具有学习功能； ?方便自己随时修改程序，使学习的作用得以充分发挥； ?成品具有一定的使用价值，可方便的应用于小车等需要测距的装置上。 三、概要设计 总体设计参照 SensComp公司（https://www.doczj.com/doc/ec5856675.html,）6500测距模块，其核心是两片专用的超声波测距IC：TL851和TL852。 TL852是一片专门设计用于超声波接收、放大、检测的芯片，集成了可变增益、选频放大器，可通过四根控制线变换11级增益，对于检测超声波信号十分有效。 TL851 与TL852 配套，它可实现超声波发射及控制TL852的增益变换，通过定时控制增益，使TL852的增益与回波时间相匹配，一方面提高了检测的灵敏度，同时减小了干扰。 如果不能随时间变换增益，为增加检测距离，就需要加大灵敏度；而开始时灵敏度就很高，无疑会收到一些不想要的信号。（6500测距模块的相关资料及芯片资料见附件） 解剖此模块时，对TL852的功能十分感兴趣，当初我制作时就是“栽”在这个环节；而TL851的功能基本属数字控制范畴，输出还需要配合单片机才能得到结果，接口也不是十分灵活，笔者认为完全可以用单片机替代。 所以，本次设计的主要改变就是用单片机替换6500模块的TL851。 单片机还是选用圆梦小车所用的STC12系列，一是考虑是51兼容，符合国内多数教材；二是下载程序方便。此次选用的是 STC12LE4052（4K FlashROM，256 RAM）。考虑体积因素，选择了SOP20封装。
《微机原理及应用》课程设计 超声波测距器的设计 学生姓名郝强 学号20110611113 学院名称机电工程学院 专业名称机械电子工程 指导教师王前 2013年12月27日
摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以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。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。 关键词：超声波；传感器；测量距离；控制
目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.设计目的 (4) 2.总体方案 (4) 3.硬件设计 (5) 3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5) 3.2.1单片机芯片的选择 (6) 3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6) 3.3超声波发射电路设计 (6) 3.3.1选择超声波发生器类型 (6) 3.3.2 超声波发射电路设计 (7) 3.4超声波接收电路设计 (8) 3.5超声波显示电路设计 (9) 4.软件设计 (9) 4.1波测距器的算法设计 (10) 4.2系统的主控制程序设计 (11) 4.3发生子程序设计 (12) 4.4接收中断程序设计 (13) 4.5显示程序设计 (14) 4.6距离计算程序 (15) 5.结论 (17) 参考文献 (18)
? 99 ? ELECTRONICS WORLD ?探索与观察 超声波传感器可用于距离的检测与计算，在机器人的避障、汽车倒车、测量等许多方面都有着非常广泛的应用。设计了一个基于超声波传感器的测距系统，包括超声波测距模块、单片机控制模块、驱动显示模块和报警模块。当汽车与障碍物的距离低于预设报警距离，该系统会发出报警。经测试，该系统精度能达到3mm ，报警距离可调，蜂鸣器报警以提示驾驶人员，可以有效预防碰撞。 概述：近年来随着社会的不断发展，传统的测距方法在很多场合如汽车防撞电子系统无法满足需求。而超声波测距仪可以应用到汽车的防撞系统中，汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体的距离与汽车本身的车速不相称造成的，即距离近而相对速度又太高。这就可以运用到超声波测距原理，实时的检测车头或车尾与障碍物间的距离，当汽车与障碍物间的距离过近，会报警甚至紧急刹车。这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少甚至避免车祸的发生（韩利凯，韩旭，基于A T89C51单片机的汽车智能防撞系统设计：电子设计工程,2017）。 19世纪末20世纪初，随着压电效应的发现，超声波可以用电子技术产生因而得到了广泛应用（杨秀增,杨仁桓，基于FPGA 的高精度超声波测距仪设计：现代电子技术,2017）。中国测试技术研究所的李茂山对超声波测距原理、误差产生等进行了研究测试。西安交通大学的雷鸣雳、周功道、冯祖仁分析了超声波回波反射法定位的缺点，提出了一种基于伪码技术的超声波无线电定位法。实验表明，此方法提高了定位的准确性，扩大了有效应用范围（雷鸣雳,周功道,冯祖仁,基于伪码相关技术的超声波—无线电定位系统:微电子学与计算机，2004）。日本的Takanori EMARU 提出了一种基于双频超声波的相位检测法，该方法的测量精度高。 本文首先研究了超声波测距的原理，介绍了超声波测距防撞系统的方案。然后，详细阐述了超声波测距系统硬件电路和软件程序的设计。最后，对系统进行测试分析。 1 超声波测距原理和方案 目前常用的超声波定位方法有包络检测法、回波检测法和到达时间测量法。到达时间测量法将超声波的发射和接收传感器置于同一端，超声波发射出去后，遇到障碍物就会被反弹回来，计算出超声波的发射头与障碍物之间的距离。本文采用到达时间法，选用的传感器为HC-SR04，外形如图1所示。有效测量范围为2cm-4m 范围内物体的存在。该模块的接收角约15 °。 图1 HC-SR04超声波传感器 系统设计框图如图2所示。报警距离设置的键盘采用独立式键盘。主控芯片采用STC89C52的单片机。报警电路选用蜂鸣器以及 发光二极管对距离进行报警。距离采用数码管显示。 图2 系统方案框图 2 系统软件的设计 系统主程序针对硬件部分进行设计，主程序流程图如图3 所示。 图3 主流程图 3 测距系统实验与误差分析 3.1 测距系统性能实验 成功调试系统的硬件和软件后，开始测试系统的盲区、量程、精度和稳定性（王敏,周树道,彭文星,基于超声波传感器的汽车盲区检测系统研究：自动化技术与应用,2017）。分别在本测距系统2cm 、3cm 、10cm 、20cm 、50cm 、80cm 、100cm 、150cm 、200cm 、300cm 、400cm 、450cm 处放置超声波反射挡板。测得的数据如表1所示，表中实际距离由米尺测量得到，可以看出3cm 以下的测量值与实际值相差甚远，而3cm-400cm 之间测量值与实际值有着明显的线性关系，而在400cm 以上的距离，系统已经检测不到回波信号，无法显示距离值，故可认为本系统的最大量程为400cm 。 表1 超声波测距数据及误差 实际距离/cm 测量距离/cm 绝对误差/cm 实际距离/cm 测量距离/cm 绝对误差/cm 20.5盲区100100.30.33 3.20.2150150.60.6109.50.5200199.20.82020.20.2300300.90.95050.40.4400399.30.780 79.4 0.6 450 ---------- 3.2 误差分析 误差来源主要有：主控芯片发射和计时的开始时间不一致；由于系统检测电路的灵敏度影响了收到回波与回波被检测到的偏差；由于晶振导致的计时器本身误差；温度、压力、湿度对声速的影响，但通过系统的温度补偿电路可降低这一误差。 4 结论 系统的测距精度达到3mm ，测量范围为2cm 至400cm ，在100cm 至300cm 之间测试准确度以及稳定性较高。测距盲区只有2cm ，能够准确的测量距离，而且控制方便，调试也很简单，可以较好地应用于汽车倒车雷达系统。 基金项目：宿州学院重点课程项目（基金编号：szxy2018zdkc48）宿州学院平台项目（2016ykf05）。 作者简介：郑大波（1983—），男，汉族，河南焦作人，大学本科，研究方向为电气自动化。 基于超声波传感器的汽车防撞系统研究 上汽通用（沈阳）北盛汽车有限公司 郑大波 宿州学院 温 艳
基于单片机的超声波测距仪设计
基于单片机的超声波测距仪设计 1总体设计方案介绍 1.1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。 表1-1 超声波波速与温度的关系表 表1-1 1.2超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED
显示。 图1-1 超声波测距仪原理框图 2 系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括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。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。 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 2.1.1 51系列单片机的功能特点 5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：IP0，
电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)
摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 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，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波
目录 1．前言 (1) 2. 总体方案设计 (2) 2.1 电源模块选择 (2) 2.2 显示模块选择 (2) 2.3 报警模块选择 (3) 2.4 测距模块选择 (3) 2.5 主控芯片选择 (3) 2.6系统总方框图 (4) 3.各模块电路设计 (5) 3.1 HC-SR04超声波模块设计 (5) 3.2单片机最小系统模块设计 (6) 3.3电源模块设计 (7) 3.4声光报警模块设计 (7) 3.5液晶显示模块设计 (8) 4.系统软件设计 (9) 4.1 keil uvision4介绍 (9) 4.2 程序流程图 (10) 5.设计总结 (11) 6.参考文献 (12) 附录一：系统总图 (13) 附录二：相关程序 (14)
1．前言 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=C×T。 本文基于51单片机和HC-SR04超声波传感器设计出了一套测量和现实距离系统，运用超声波测距系统原理，将采集到的距离信息通过1602液晶显示，并设置有声光报警功能，当测量距离小于设定的门限值时，单片机会驱动无源蜂鸣器和LED进行报警，单片机会根据距离改变驱动方式，距离越近，蜂鸣器发声频率会越高，LED也会越亮。
2. 总体方案设计 2.1 电源模块选择 方案一：采用两节五号的干电池作为主控芯片的供电电源。此方案简单易行，但是此系统是处于长期工作状态对电量的消耗比较大。 方案二：采用汽车自带的汽车电瓶12V电源降压后供电。此方案较好的利用汽车自身能源，避免单独电源给防撞系统供电，可使系统长期安全不掉电工作。 方案三：采用集成稳压芯片7805，输出稳定的5V对整个系统供电。 确定方案：综合考虑成本和系统的稳定性，决定选择方案三的供电方法。 2.2 显示模块选择 方案一: LCD1602液晶也叫LCD1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。 方案二:LCD12864液晶，能显示汉字，字符，数字等，但是体积较为庞大，所占空间较大。 方案三:诺基亚5110液晶,该模块具有以下特点： 84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的ＳＰI、MCU51的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。 方案四：数码管，显示较为稳定，抗干扰较强，但是显示能力单一，显示内容会受到一定限制。 确定方案：为了平衡作品体积和显示功能需求之间的矛盾，故选择LCD1602液晶作为显示模块。
一设计要求 （1）设计一个以单片机为核心的超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、工业现场的位置监控； （2）测量范围在0.50～4.00m，测量精度1cm； （3）测量时与被测物无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。 二超声波测距系统电路总体设计方案 本系统硬件部分由AT89S52控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、声音报警电路和LCD显示电路组成。汽车行进时LCD显示环境温度，当倒车时，发射和接收电路工作，经过AT89S52数据处理将距离也显示到LCD 上，如果距离小于设定值时，报警电路会鸣叫，提醒司机注意车距。超声波测距器的系统框图如下图所示： 图5 系统设计总框图 由单片机AT89S52编程产生10us以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的
时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。 由时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。 图6 时序图 三超声波发射和接收电路的设计 分立元件构成的发射和接收电路容易受到外界的干扰，体积和功耗也比较大。而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以优先采用集成电路来设计收发电路。 3．1 超声波发射电路 超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分，可采用软件发生法和硬件方法产生超声波。在超声波的发射电路的设计中，我们采用电路结构简单的集成电路构成发射电路：