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超声波测距摘要该超声测距系统采用芯片STC89C52作为系统的主控制器，利用NE555作为本系统的脉冲发射源，结合3位7段数码管液晶显示，达到了较大的测试距离和较高的测量精度，并能实时显示且无明显失真。
关键字: 超声波测距实时第1章设计题目与要求1.1 设计要求采用压电式超声波换能器，使用单片机作为控制器，完成超声波测距仪的软硬件设计。
1.2 基本要求：(1)具有反射式超声波测距功能，测量距离0.1m~3.0m；(2)测量距离精度：误差±1cm；(3) 利用LED数码管显示测试距离；(4)实时显示测量的距离，显示格式为：□.□□米第2章系统总体方案论证2.1 系统总体方案题目要求设计一个利用超声波反射原理测量距离的超声波测距仪，并且具有实时同步显示，由此本系统可以划分为发射、接收、显示、主控制模块共四大模块，如图2.1所示：图2.1系统基本方框图针对技术指标的需要，为使系统的测量距离更远、精度更高，提高系统的整体完善性，现对以上系统各个功能模块进行一一的方案论证：2.2 主控制模块2.2.1 主控制模块概述主控制器模块其实就是一个简化的嵌入式系统。
嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。
它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
2.2.2 主控制模块方案选择根据以上知识，考虑到目前市场上比较常用的AVR、61、51三种微控制器，我们有如下三种方案可供选择。
方案一：AVR单片机AVR单片机种类丰富，有AT tiny、AT90S、ATmeg系列，各个系列又有不同的型号，价格较适中。
相对来说，比起51单片机来说资源较丰富，内部也有集成A/D ，有PWM 输出，但在系统进一步扩展方面不是很好，这类单片机主要应用于工业控制领域，在语音处理方面没有什么优势。
方案二：SPCE061A.凌阳单片机的资源相对来说比较丰富，32K ×16bitFlash ，两路D/A ，1个全双工异步串行口（UART ）方便其跟其他为控制通信。
超声波测距仪原理与制作2008年10月13日一、引言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。
超声波测距仪广泛应用于一些工业现场的位置监控、移动机器人的自动避障行走、汽车倒车、建筑施工工地，也可用于液位、井深、管道长度等的实时测量。
测量范围视设计电路和整体结构的不同一般在0.10～10m之间，测量精度约1cm左右（特殊设计可超出此范围）。
测量时仪器与被测物体无直接接触，不仅能够定点和连续测距，而且能够方便地提供遥测或遥控所需的信号。
与目前的激光测距技术相比，超声方法比较简单且价格较低。
特别是超声测距技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，在测量精度方面基本能达到工农业生产等自动化的使用要求。
本项目性能指标：电源：9-12Ｖ显示：四位ＬＥＤ测量距离：0.3-3米(可扩展至12米) 测量精度：土1厘米二、超声波测距原理1、声学基础知识(1) 声波及其分类声波是一种能在气体,液体和固体中传播的机械波.根据振动频率的不同,可分为：a. 次声波:振动频率低于l6Hz的机械波.b. 声波:振动频率在16～2×104Hz之间的机械波,在这个频率范围内能为人耳所闻.c. 超声波:高于2×1O4Hz的机械波.d. 微波:频率在3×1O8～3×1O11Hz之间的机械波.(2) 声压与声强声压介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压.随着介质中各点声振动的周期性变化,声压也在作周期性变化,声压的单位是Pa(N/m2)声强声强又称为声波的能流密度,即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量.声强是一个矢量,它的方向就是能量传播的方向,声强的单位是W/m2(3) 物质的声学特性声速: 声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质.除水以外,大部分液体中的声速随温度的升高而减小,而水中的声速则随温度的升高而增加.流体中的声速随压力的增加而增加。
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而用于距离测量。
利用超声波检测往往较迅速、方便、计算简单、易于实时控制，且测量精度能达到工业实用要求，因此在移动机器人的研制中得到广泛应用。
移动机器人要在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。
超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低的特点广泛用作移动机器人的测距传感器，实现避障、定位、环境建模和导航等功能。
2 系统总体设计方案2．1 超声波测距原理2．1．1 超声波发生器超声波为直线传播方式，频率高，反射能力强。
空气中其传播速度为340 m／s，容易控制，受环境影响小。
因此采用超生波传感器作为距离探测的“眼睛”，可用于测距领域的超声波频率为20～400 kHz的频段，空气介质中常用为40 kHz。
2．1．2 压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上利用压电晶体的谐振工作。
超声波发生器内部结构有2个压电晶片和1个共振板。
当它的两电极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，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，将压迫压电品片振动，将机械能转换为电信号，这时就成为超声波接收器。
2．1．3 超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，碰到障碍物就立即返回。
超声波接收器收到反射波立即停止计时，超声波在空气中的传播速度为340 m／s。
系统中，超声波测距采用检测超声波往返时间的方法。
由于时间长度与声音通过的距离成正比，当超声波发射极发出一个短暂的脉冲波时，计时开始；当超声波接收端接收到第1个返回波脉冲后，计时立即停止。
根据计时器记录的时间t，可计算发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t／2。
这就是所谓的时间差测距法。
2．2 系统总体设计该系统采用μC／OS-lI操作系统，系统将软件划分为4个功能模块：回波A/D采集模块，LED显示和按键处理模块，LCD显示模块，报警、存储及串口处理模块。
目录摘要 (2)第一章系统总体设计方案 (4)1.1 超声波测距原理 (4)1.2 超声波测距系统 (4)第二章系统的硬件设计 (5)2.1 超声波发生电路 (5)2.2 超声波接收电路 (6)2.3 温度的补偿 (8)2.4 LED动态显示电路 (8)第三章系统软件设计 (9)3.1 主程序结构 (10)3.2 中断程序结构 (11)3.3回波接收程序 (11)第四章误差分析 (12)4.1.时间误差 (12)4.2.超声波传播速度误差 (12)第五章调试 (12)第六章整机原件清单 (13)第七章总结 (13)7.1设计任务完成情况 (13)7.2 心得体会 (14)参考文献 (15)附录一 (16)附录二 (17)附录三 (18)摘要高度定位控制和测量系统也就是我们常说的超声波测距。
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。
而电子技术及压电陶瓷材料的发展，使高度定位控制和测量系统得到了迅速的发展。
超声测距是一种非接触式的检测技术。
与其它方法相比，它不受光线、被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。
因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨率，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
关键字：传感器、测距、测量系统、设计、高度定位PICKHighly positioning control and measurement system is also we often say the ultrasonic ranging. Due to the strong, the energy consumption of ultrasonic directivity slowly in the medium of communication, distance, and is often used to measure the distance of ultrasonic, such as rangefinder and material level measurement instrument etc can all through the ultrasonic. And electronic technology and the development of piezoelectric ceramic materials, high positioning control and measuring systems have been developed rapidly.Ultrasonic ranging is a non-contact detection technologies. Compared with other methods, it is light and darkness, the analyte in dust, smoke, electromagnetic interference, toxic etc harsh environments have certain ability to adapt. Therefore, in robot control level measurement, vehicle navigation, automatic object recognition is widely used. Especially the application in the air, the air velocity range due to low, the echo signal along the direction of propagation of contains information on the structure, very easily with high resolution, and its accuracy is higher than other methods for, And the ultrasonic sensor has simple structure, small volume, the characteristic such as being reliable signal processing.Key words: sensor, and measurement system, the design, the high position第一章系统总体设计方案1.1 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，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式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度其中，取值在温度变化不大时可取344m/s ；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
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。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度，在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，所以就需要对相关电路等进行具体细致的改进。
1.2 超声波测距系统一般的超声波测距系统由超声换能器、换能器驱动电路及数据采集系统组成。
超声换能器是用来发射和接受超声信号；换能器驱动电路用来产生一定频率的交变电压作为换能器的工作电源；数据采集系统用于捕捉、采集回波信号，一般由触发电路、采样电路、微处理器组成。
如LM1812是一种超声波测距的专用集成电路，它拥有换能驱动、回波触发等功能。
如图1.1，为超声波测距系统框图，由发射传感器和接受传感器，振荡电路、时基电路，距离识别电路等组成。
振荡电路、时基电路由LM1812完成。
第二章系统的硬件设计2.1 超声波发生电路超声波的回波信号较弱，在距离远的情况下只能达到毫伏级。
所以为了加大超声波测距系统的量程范围就要加入驱动电路。
一般采用MAX202双路形式来增±V。
图中的三极管可作为强驱动形式，其中T1out和 T2out电压值可达到9MAX202的开关，用单片机引脚P0.4控制。
T1in和 T2in来自单片机，经过202输出负逻辑电平。
T1in和 T2in以80KHz频率高低电平正负交替变换时候，在±V交替变化，如此T1out和 T2out之间就会产生40KHz的方波，引脚电压在10就增强了驱动能力。
如下图2.1超声波发生电路图。
三极管为开关，在发射完10个超声波后可以关闭MAX202，这样可以减少电源带来的一定的干扰。
2.2 超声波接收电路超声波接收电路图，如下。
为了提高精度，减少干扰，设计中采用了抗干扰技术对电路的供电进行了一定的处理。
运放采用双电源供电，这一电路采用了9V供电，所以运放提供了2.5V 的正向电压，如此就使交流信号正负端等价进行放大。
超声波接收时，电容起滤波作用，信号进入放大后被传送到LMV331.如此，比较器的输出端得到40KHZ的方波被输入单片机INT0用来产生中断计时。
其中，第一级放大20倍左右，第二级放大10000倍（均值）。
减小盲区就是通过在发射超声波之前做一次循环指令将增加到最大值来实现。
比较器这一部分调节不当也会出现大问题（输出端会有高频输出），这是因为比较器相对灵敏，变化小的信号就会引起大的输出，使VOH和VOL 相互转变。
实验中一般用比较器的正反馈产生滞环特性来降低比较器的灵敏度，这样就减少了干扰。
另外，比较器的输入端需要稳定的基准电压，所以要加电容，用来稳定电压和提高电路工作的稳定性。
2.3 温度的补偿温度对超声波速度影响很大。
使用DS18B20进行温度测控，它的测量范围宽，精度高。
近似计算公式为：V=331.4+0.6Tm/s （V为超声波在介质中传播的速度）2.4 LED动态显示电路下图为LED显示电路，为了增加亮度，可以采用74HC245加以增强驱动能力，在共阴端用ULN2003来驱动。
4位LED动态显示需要一个7位I/O口和另外4位I/O口，其中一个控制段选码，另一个控制位选码。
由于所有位的段选都有一个I/O口的控制，因此每个瞬间，只能显示相同的字符，可采用扫描显示方式使在每一瞬间只使某一位显示相应字符，即LED的动态显示。
第三章系统软件设计系统软件要实现的功能主要是针对系统功能实现及数据的处理和应用。
根据以上叙述，系统软件需要实现以下功能：信号控制、数据储存、信号处理、数据传输与显示。
整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。
而在这几个部分中，最主要的、难度最大的就要数主程序结构了，它的设计好坏直接关系整个课题的效果。
3.1 主程序结构主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序和中断服务程序。
主程序流程如下图：3.2 中断程序结构中断服务程序是响应单片机的外部中断。
在系统硬件中，发射的40KHz脉冲信号遇到障碍物反射后，经接收检测电路产生外中断信号至单片机。
在中断服务程序中要从把进入中断服务程序处的计数值读出并保存在RAM中，再对该数据进行处理，计算得到相应的距离值，并转换为十进制，最后显示输出。
3.3回波接收程序回波接收程序流程图：第四章误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
4.1.时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。
测距误差s△t ≈0.0000029s即2.9ms。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。
4.2.超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。
例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。
