基于单片机的超声波测距智能控制系统设计 - 图文

摘 要

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和温度补偿电路，另外还有复位电路和通讯电路等。硬件电路以AT89S52单片机为核心，并具有低成本、微型化、带LCD液晶显示等特点。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、温度测量、显示、语音播报等模块组成。发射探头的信号发射出去，单片机的计时器开始计时，然后当单片机接收回波时,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正, 结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、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。它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，实现数据显示在LCD上。

关键词：AT89S52；超声波传感器；测距仪；温度补偿；LCD

Abstract

Sound frequencies above 20kHz is called Ultrasound, it belongs to the scope of mechanical wave.Ultrasound can also follow the general mechanical wave propagation in an elastic medium, as in the medium occurs at the interface reflection and refraction, absorption of the medium into the medium occurred after attenuation. Ultrasound can be used for distance measurement with these properties. With the continuous improvement of technological level, ultrasonic distance measurement techniques are widely used in daily work and life.

System design includes two parts, namely, hardware and software programs. Hardware circuit includes a microcontroller circuit, transmitter circuit, receiver circuit, display circuit and temperature compensation circuit, in addition to reset circuit and communication circuit. AT89S52 microcontroller is the core of hardware which is low cost,miniaturization,with LCD liquid crystal display and so on. The modular design of the livelong circuit contains the signal transmission and reception, temperature measurement, display, voice broadcast and other modules.The microcontroller timer starts time when the probe launch ultrasound, after the original ultrasound was reflected, ultrasound will be incepted by the probe,then microcontroller stop working and get time. After sending the temperature'measurement to the microcontroller, process of correction will revise the speed.It can achieve the function of ultrasonic ranging by combining the anterior time and speed. Main software program include preset subroutine, subroutines launch, receive routine, display routines and other modules. It controls the microcontroller to send and receive data, velocity correction on the ultrasonic at a certain temperature, data displaying on the LCD.

Key Words：AT89S52；Ultrasonic wave；Ensor,Range Finder；Tempearture compensation；LCD

目 录

摘 要 ............................................... 错误！未定义书签。 Abstract ............................................... 错误！未定义书签。 第1章 概述 ............................................ 错误！未定义书签。 1.1选题背景及意义 ............................... 错误！未定义书签。 1.2现阶段本课题相关研究现状 ..................... 错误！未定义书签。 1.3本设计完成的工作 ............................. 错误！未定义书签。 1.4本文结构安排 ................................. 错误！未定义书签。 第2章 总体方案设计 .................................... 错误！未定义书签。 2.1主控制器模块选择 ............................. 错误！未定义书签。 2.2电源模块选择 ................................. 错误！未定义书签。 2.3显示模块选择 ................................. 错误！未定义书签。 2.4温度补偿模块选择 ............................. 错误！未定义书签。 2.5报警模块选择 ................................. 错误！未定义书签。 2.6本章小结 ..................................... 错误！未定义书签。 第3章 系统硬件设计 .................................... 错误！未定义书签。 3.1主控制模块设计 ............................... 错误！未定义书签。 3.2单片机的时钟电路及复位电路设计 ............... 错误！未定义书签。 3.3超声波测距模块设计 ........................... 错误！未定义书签。 3.4声音报警电路的设计 ........................... 错误！未定义书签。 3.5显示模块设计 ................................. 错误！未定义书签。 3.6温度补偿电路设计 ............................. 错误！未定义书签。 第4章 系统软件设计 .................................... 错误！未定义书签。 4.1DS18B20初始化程序流程图 ...................... 错误！未定义书签。 4.2超声波温度与速度的关系 ....................... 错误！未定义书签。 第5章 系统的安装与调试 ................................ 错误！未定义书签。 结论 ................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................... 11 附录 ................................................................... 11 致 谢 ................................................................. 12

第1章 概述

1.1 选题背景及意义

在一般的建筑工地中，施工工人需要每天测量数以千计数以万计的建筑尺寸，而由于自己的疏忽大意即使一个数据测量过程出现问题导致测量数据失准，那导致的后果也是不能想象的。建筑工地精确测距智能报警系统就是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的系统。目前它已经广泛地应用在了工业、通信、医疗等许多行业中。其在建筑工地应用的背景也很广阔，就是在一些在建设施内如建筑工地毛坯房、装潢施工区域等，将其对准要测量的墙体立刻就能在液晶屏上读出读数，这个读数就是要测量的墙体到本设计的水平距离。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了建筑工地精确测距智能报警系统在测量精度要求更高的场合下的应用。

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波能以各式各样的传播模式(纵波、横波、表面波、薄板波)在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播，也可在光不能通过的金属、生物体中传播，是探测物质内部的有效手段。而且由于超声波与电磁波相比速度慢，对于相同的频率波长短，容易提高测量的分辨率。由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大，所以，反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态。

建筑工地精确测距智能报警系统的基本原理是利用某种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液位、厚度、缺陷等)之间存在着的直接或间接的关系，在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。正是在这种工作原理下，我们可以充分地利用超声波的各种特性来研制超声波传感器，配合不同的信号处理与显示电路完成许多待测量的检测工作。然而正因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了建筑工地精确测距智能报警系统在测量精度要求更高的场合下的应用。所以需要进行系统的硬件和

软件设计，分析了影响建筑工地精确测距智能报警系统精确度的多种因素，来有效提高建筑工地精确测距智能报警系统的精度。

1.2 现阶段本课题相关研究现状

F.GALton在1876年进行了气哨实验，代表着人类第一次产生的高频声波。而我国于1956年开始超声的大规模研究。迄今，我国对超声已经广泛地在的各个领域得到发展和应用，特别要提出的是，其中一些项目能够与国际水平相接近。超声波测距与定位技术是关于声学以及仪器科学的综合性大学科，由超声波换能器、超声波发射和接收电路、控制电路等组成了利用超声波来测量距离值的精确测距智能报警系统。目前在各个领域中都得到了使用，并取得了很好的成果。 R.Kuc.[1]提出了三维的仿生声纳系统，系统可以利用超声波自动地寻找被测目标物体。在它内部共有五个超声传感器来构成这个系统最主要的感知装置。发射超声波的换能器安装在十字架交叉点，有四个换能器用来接收超声波，并分别安装在十字架的边缘位置上。这样，被测目标的距离与方位能够依据空间几何关系算出。

R.X.Gao和C.Li研制了专门为盲人服务的超声测距系统，该系统利用微处理器的作为主控制芯片，回波包络采用特殊的发射波形来获得，设置一定的回波阈值，电平采用自动增益的控制放大器放大回波波形，这些措施有效地提高超声波的探测精度。

G.Bucci和C.Landi提出了一种对于输入超声波信号的功率谱算法，该算法利用了信号进行傅里叶变换后功率谱密度中所包含的信号特征来确定回波的前沿，更加精确地确定渡越时间。

R.Demirli，J.saniie的文章是利用峰值出现的时刻来估算出信号的传播时间，从而提出相关估计法，这个方法又叫做通过匹配的方式来得到结果，在这里主要用到了返回波信号的幅值与形状。如果在这个过程中，波形没有畸变，且高斯白噪声叠加在返回波上，则此方法的精确度均高于阈值检测法。

F.Devand，G.Hayward和J.Soraghan受蝙蝠在夜空中捕食启发，提出了一种具有独特优点的自适应超声成像聚焦系统，对超声成像中图象畸变的消除有重要价值，通过使用重叠的频率调制信号提高了超声图像的分辨率，而且使用了不同频率的超声波。基本理论基础是使用时间和频率信息并且通过改进的算法来解决频域中的合成干涉图，因此该超声成像系统在三维空间内有提高分辨率的特点。 国内一些学者也作了相关研究。同济大学设计了基于伪随机码的时延两步相关估计法。该方法采用PRBS(伪随机二进制信号序列)作为发送信号，通过求互相关函数确定传播时间，由此达到非常高的抗干扰能力。引入PRBS还节约了用于计算互相关函数通常所必需的乘法。此外还设想并实现了一个两步相关法以减少处理时间。借助于数学分析阐述了PRBS的生成、特点和参数选择，这些思路在测

量装置上得以实现。通过用模拟的噪声信号进行的测试结果表明，测量装置具有很强的抗干扰能力。

哈尔滨工业大学分为两次进行粗测距和精测距。粗测距先大概估测测距范围，具体的操作是先发送一串超声波，回波信号在控制器计算分析处理。根据处理的结果设定尽可能合理的鉴幅阈值。精测距是在此基础之上控制器发送另一串超声波，按照在粗测距中设定的阈值，精测距中的回波前沿被捕捉，实现精确测距目的。

中国科学院上海声学实验室文章介绍两个不同频率的超声波在测距的时候先后被发射出去，其中频率较大的超声波用于测量较近的距离，对回波信号进行分析处理，并自动设定合理的鉴幅阈值，再发送频率较小的测较远的距离，捕捉回波前沿某一固定位置的信号，从而达到精确测距之目的，这样可实现在较大的范围内实现较高的测距精度。这样，把远程测距与近程测距分开进行，就可以克服测距范围与测距精度之间的固有矛盾。

目前，超声技术和扩频通信技术的结合在某些方面已经得到了应用。西北工业大学应用扩频原理设计了一种液位测量系统，可控声源被应用在其中。 从国内外研究状况可以看出，影响超声波检测精度的因素是测量的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度。国内外的研究成果使得超声波检测的精度得到了提高，这些处理方法都得到了很好的效果。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

1.3 本设计完成的工作

1.熟悉51单片机集成开发环境，运用C语言编写工程文件； 2.熟练应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法； 3.自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现； 4.了解超声波测距原理，实现在建筑物内部能够快速准确地测量经过温度补偿后的长、宽、高等数据，并以数字的形式将此数据呈现在液晶显示屏上；当物体处于智能报警范围内时，系统自动报警；引导车辆及设备在盲区内作业等功能。

1.4 本文结构安排

第1章，概述。主要研究本论文的选题背景和国内外的研究现状。 第2章，总体方案设计。主要研究总体硬件设计和确定最终方案。

第3章，系统硬件设计。主要完成系统硬件设计，包括主控制模块设计单片机的时钟电路及复位电路设计超声波测距模块设计声音报警电路的设计显示模块设计温度补偿电路设计。

第4章，系统软件设计。完成系统的方框图，完成程序的编写和烧录。 第5章，系统的安装与调试。完成硬件系统的安装，并且完成实验数据的测定与分析。

第2章 总体方案设计

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，其中硬件部分主要由单片机主系统及超声波发射模块、超声波接受模块、温度补偿模块、语音播报模块、LCD显示模块几部分组成。采用AT89S52来实现对各个子模块的控制。由单片机计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，结合超声波声速通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将距离和温度补偿模块所测得的环境温度在LCD屏幕上予以显示。软件部分主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。具体的硬件、软件设计细节，将在本文第三章和第四章中详细阐述。

图2-1 主程序方框图

蜂鸣器报警模块 DS18B20温度补偿 STC89C52超声波传感器模块 按键控制 电源 主控制器模块LCD1602液晶显示模块 2.1 主控制器模块选择

方案1：

选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，如图2-2实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等

优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而超声波测距对处理速度要求不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。

图2-2 CPLD

方案2：

采用单片机作为整个系统的核心，用其处理超声波数据，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现超声波测距，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可进行位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。

在综合考虑了传感器等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。

图2-3 STC89C52单片机

2.2 电源模块选择

由于本系统采用电池供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。 方案1：

采用12V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在使用极为不方便。因此我们放弃了此方案。

图2-4 蓄电池

方案2：

采用3节1.5 V干电池共4.5做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。

图2-5 电池盒

2.3 显示模块选择

由于我们要通过读数来快速得出距离数据，所以应用到一块显示器。 方案1：

用LCD液晶进行显示。LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。在这里我们需要显示的是测得的距离值和温度值，用LCD显示能充分发挥出LCD的显示优势，因此我们选择了此方案。

图2-6 1602液晶显示器

方案2：

用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。但是在这里我们需要显示的是测得的距离值和温度值，用数码管显示不足以满足要求，因此我们放弃了此方案。

图2-7 数码管

2.4 温度补偿模块选择

在电子元器件中，其他条件不变的情况下，其输出信号会随着温度的变化而发生漂移，为了减小这种现象，我们采取一定的算法对输出结果进行修正，达到一定范围内消除温度变化对元器件输出信号影响的目的。此种方法叫做电子元器件的温度补偿，简称为“温补”。

而在本设计中，我们应用温度传感器来测量当时的环境温度，因为大家知道，温度对于声波的传播速度有着很大的干扰，在不同的温度下，声波有着不同的传播速度，故而我们为了能够精确地测量实验数据加装了温度补偿模块。 方案1：

采用PT100作为温度补偿电路的温度传感器。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温的，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。但使用起来比较复杂。

方案2：

采用DS18B20作为温度补偿电路的温度传感器。DS18B20的数字温度输出通过“一线”总线（1-Wire是一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线）这种独特的方式，可以使多个 DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

图2-8 DS18B20示意图

2.5 报警模块

方案1：

采用语音芯片提示，优点可以自由设定要提示的声音。缺点使用复杂，需要专门的编程软件，成本高控制复杂，不便于普及。 方案2：

采用蜂鸣器提示，电路简单实用，可靠性高。

图2-9 蜂鸣器

2.6 本章小结

本章主要介绍了如何选择设计中所包含的一些有选择性的元件，它们包括：主控制模块、电源模块、显示模块、温度补偿模块以及报警模块。在研究当中，我掌握了这些元器件的使用方法，使用条件还有各自的优缺点，最后确定了使用STC89C52单片机作为我们的主控制模块，选择了可以容纳3节5号电池的电池盒作为电源模块，选择了1602液晶显示器作为显示模块，选择了DS18B20作为温度补偿电路的温度传感器模块，以及蜂鸣器作为报警模块。

第3章 系统硬件设计

3.1 主控制模块设计

采用一块STC89C52单片机作为主控制模块，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

图3-1 引脚结构示意图

图为STC89C52单片机各引脚结构 各引脚功能：

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX @DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX @R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash ROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。

在对Flash ROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。

3.2单片机时钟电路及复位电路设计

本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写，下载程序较为方便；STC51单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。

本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图3-3图3-4所示：

图3-3复位电路 图3-4时钟电路 因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。

由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，

3.3超声波测距模块设计

超声波模块采用现成的CH-SR04超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。实物如下图5。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。

图3-5 超声波模块

3.3.1 超声与超声波特性

声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声音的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声音的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。人的听觉范围如图3-7所示。

图3-6 人的听觉范围

3.3.1.1束射特性

由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。

图3-7 超声波传感器辐射特性示意图

3.3.1.2吸收特性

声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。

3.3.1.3超声波的能量传递特性

超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢。因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。

3.3.1.4超声波的声压特性

当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作

用。

图3-8 超声波传感器的声压图

3.3.2超声波传感器的原理及结构

超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、压电式和电铁伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。

图3-9 超声波换能器TCT40-16套件实物组

压电换能器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料的发展为前提条件的，1880年居里兄弟发现了晶体的压电效应，但直到电子管放大器的发明，压电材料的压电效应才真正用于电声转换上来。在第一次世界大战期间，法国物理学家朗之万于1916年研制成功了第一个真正实用的压电换能器，并将其应用于潜艇的探测中。在朗之万发明的换能器中，压电石英片被夹在两块厚钢板中，后来这种换能器被广泛应用于超声探测仪中。直到现在，朗之万型换能器仍在得到广泛的应用，如功率超声和水声中。同时，由于压电换能器作为高频声源的出

现，使得高频声的研究成为现实，而声学的应用也被迅速地扩展，一个重要的声学分支—超声学迅速发展起来，并得到了越来越多的重视。 压电效应包括逆压电效应和正压电效应。

将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，晶体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体祸合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。

当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能，接受超声波的装置，称为接收换能器。

常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等。 超声波传感器的结构:超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电陶瓷上时，压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵振动。压电组件在超声振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，但这种振动加速度很大，于是把电磁振荡能量转化为振动能量，这种巨大的超声波能量，沿着特定方向传播出来。其关键技术是使超声波声束变细，除待测物体外不受其它构造物的影响。

超声波换能器是产生超声波必需的能量转换装置，它把超声电磁振荡的能量转换为声波。相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反，芯片的数目成偶数，以使前后金属盖板或壳体与同一极性的电极相连，否则就需要在前后盖板与芯片之间垫以绝缘垫圈，而这样会导致结构不必要的增大。两芯片之间，芯片与金属盖板之间通常夹以薄黄铜片，并用强力胶胶合。在压电组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成一体，圆锥状谐振子的边缘部分装有圆环状弹性橡胶减振器，使之与外壳固定，起声阻匹配作用。在电一声变换部分的前面的超声波束整形板，是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个开口。使超声波波束指向尖锐，吸声片吸收多余反射声波。

通过上述超声换能结构，配以适当的收发电路，可以使超声能量的定向传输，并按预期接收反射波，实现超声遥控、测距、防盗等检测功能。

3.3.3 超声波传感器的种类

超声波传感器根据应用范围的不同可分为以下四类： 1.通用型超声波传感器

超声波传感器的带宽一般为几kHz，并具有选频特性。通用型超声波传感器

图3-12 声音报警电路图

3.5 显示模块

显示模块采用1602液晶显示器显示，接口电路如图3-13

图3-13 1602液晶显示电路

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-14所示:

表3-14引脚接口说明

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1 引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号 数据 数据 编号 9 10 11 12 13 14 15 16 符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。

3.6 温度补偿电路

温度采用DS18B20传感器进行测量，P2.4接DS18B20数据总线，控制DS18B20进行温度转换和传输数据,同时数据总线上还接10k的上拉电阻。本系统对DS18B20采用外部供电，其优点在于I/O线不需要强上拉，而且总线控制器无需在温度转换期间一直保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据传输，硬件结构如图3-16所示

图3-15 温度传感器接口电路图

3.6 本章小结

本章列举了本设计中主要的一些硬件设计（STC89C52单片机、超声波传感器以及1602液晶显示器，蜂鸣器），学习了STC89C52单片机40个引脚中各个引脚的功能，学习了超声波测距模块的构成，超声与超声波特性，超声波的应用以及蜂鸣器报警电路和显示模块电路的构成等知识。

第4章系统软件设计

4.1建筑工地精确测距智能报警系统主程序流程图

下图为建筑工地精确测距智能报警系统主程序流程图，其中启动电源后，系统开始运行初始化程序，单片机发出指令，超声波传感器开始工作，将测得的距离显示在1602液晶显示器上并与之前的设定值相比较，若小于设定值则启动报警电路开始报警，若不小于测定值则继续测定，之后比较距离确定是否持续报警，若数据一直小于设定值则一直报警，若大于则停止报警，再将测得距离与设定值比较，循环操作，直到某一次测量，数据不在报警范围内，停止报警，结束。

测量距离并显示在显示屏上

图4-1系统主程序流程图

字8.88，表示超出测量范围，无法读数。

图5-4 障碍物超量程

如果在量程范围内，则显示正常数值。如图5-5.

图5-5 显示结果

5.2.2 测试结果

表 5-6 测试结果 （单位：米）

显示数据 障碍距离 误差值 显示数据 障碍距离 误差值 显示数据 障碍距离 误差值 0.05 0.051 0.001 0.50 0.500 0.000 2.50 2.503 0.003 0.10 0.103 0.003 0.60 0.600 0.000 3.00 2.999 -0.001 0.15 0.153 0.003 0.70 0.696 -0.003 3.50 3.504 0.004 0.20 0.201 0.001 0.80 0.797 -0.002 4.00 3.998 -0.002 0.25 0.251 0.001 0.90 0.899 -0.001 4.50 4.501 0.001 0.30 0.301 0.001 1.00 0.998 -0.002 4.90 8.88 0.35 0.350 0.000 1.50 1.502 0.002 5.00 8.88 0.40 0.401 0.001 2.00 2.000 0.000 5.50 8.88 超出量程 超出量程 超出量程 注：误差值为显示数据与障碍距离之差值

对表进行分析

5.3 超声波测距误差分析

5.3.1 发射接收时间以及当地声速对测量精度的影响分析 5.3.1.1发射接收时间对测量精度的影响分析

采用 TCT40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。

设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为：

A?A(h)cos(?t?kt)?A0e?2?kcos(?t?kt) （5-3-1）

由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。

经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。

5.3.1.2 当地声速对测量精度的影响分析

当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即：

Cs??RTM （5-3-2）

由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下：

C?C01?T/273 （5-3-3）

式中C0=331.4m/s ；T为绝对温度，单位K 。

此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降 1?C, 声速将增加或者减少 0.607m/s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。

5.3.2 提高精度的方案及系统设计

由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式（5-3-3）求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用DALASS公司生产的DS18B20集成温度传感器。DS18B20能够仅在占用控制器一个 I/O 口的情况下工作，极大的方便了使用者的调试使用，而且其在-10?C～+85?C 的工作环境下可以保持±0.5% 的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。

通过 DS18B20 芯片获得的数据信号传至单片机 ，由软件进行声速换算。为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推出的 AT89S52单片机实现超声波测距的各项功能。AT89S52采用了低成本、低功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持 48MHz 的前提下能够实现 1 个时钟 / 机械周期的运行速度。由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有效的减少由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪的设计要求。

在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要求较高的测量精度，可以采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。如下图所示：

图5-7 标杆校正示意图

超声波测距装置首先测量距离已知为h的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测得的时间和距离h求出当地声速。通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。因此，只用为测距设备设定“标定”和“测量”两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。

结 论

超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70年代末期开始广泛应用于生产领域。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。

在本次设计方案的选择上，力求实用性强，性价比高，使用简单。在设计过程中，加深和巩固了单片机技术方面的知识，也丰富了自己在此领域的视野。由于时间的关系，本次设计的最终结果是建筑工地精确测距智能报警系统实现了超声波的发送与接收，并利用建筑工地精确测距智能报警系统测量了其与障碍物之间的距离。测量过程中还通过使用温度补偿的方法对环境中相应的超声声速进行修正，提高了测量精度。最后实现了以LCD显示的形式显示测量距离结果和环境温度。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，可以有效应用在汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控等各种生产和生活领域。

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