超声波传感器测距系统设计

09级机械设计制造及制动化测试系统设计

目 录

摘要??????????????????????????????1 关键词?????????????????????????????1 1.引言?????????????????????????????1 1.1超声波测距原理 ???????????????????????1 1.2超声波传感器 ????????????????????????2 1.2.1超声波发生器??????????????????????????2 1.2.2压电式超声波发生器原理?????????????????????2 1.2.3单片机超声波测距系统构成????????????????????3 2.设计方案 ???????????????????????????4 2.1 AT89S51单片机????????????????????????4 2.1.1主要性能参数?????????????????????????4 2.1.2 AT89S51芯片内部结构简介?????????????????????5 2.1.3引脚功能说明????????????????????????5 2.2超声波测距系统构成??????????????????????6 2.2.1超声波测距单片机系统??????????????????????6 2.2.2超声波发射、接收电路??????????????????????7 2.2.3显示电路???????????????????????????8 2.2.4供电电路???????????????????????????8 3.总结??????????????????????????????9 4.参考文献?????????????????????????????9 5.附录??????????????????????????????10

附录1 AT89S51单片机超声波测距系统电原理图?????????????????10 附录2 AT89S51单片机超声波测距系统PCB图??????????????????11 附录3 AT89S51单片机超声波测距系统焊接组装图???????????????12 附录4 超声波测距子程序???????????????????????13 附录5产生超声波的子程序???????????????????????14 附录8 AT89S51单片机超声波测距系统C语言原程序?????????????15

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09级机械设计制造及制动化测试系统设计

超声波传感器测距离

重庆三峡学院机械工程学院机械设计制造及制动化09级 重庆万州 404000

摘要:超声波测距器，可用于汽车倒车、建筑工地一级一些工业现场的位置监控，也可用

于如液位、井深的测量场合。要求测量范围在0.4-7.0m，测量精度在1cm测量时与被测物体无直接接触，能清晰的显示测量结果。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播较远，因而超声波常用于距离的测量，如测距仪和物位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引用。

关键词：超声波 传感器 单片机AT89S51

1 引言

随着科学的发展，超声波将在侧距仪中应用越来广泛。这是一个正在蓬勃发展的而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个方面都有很大的发展空间，他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，如声呐的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的潜艇拖拽线阵列声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于海上工作的潜艇声纳。随着测距仪的的技术进步，测距仪将从具有单纯的判断能力发展到具有学习功能，在新世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

1.1超声波测距原理

超声波是指频率高于200HZ的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接受超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，超声波传感器具有发送和接受器，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；而在接受回波的时候，将超声振动转换成电信号。其系统框图如图1-1所示。

图1-1 基于单片机的超声波测距系统框图

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，在乘以超声波的速度就得到二倍的声源到障碍物间的距离。

由于超声波的指向性强，能量消耗缓慢，早介质中传播距离远，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，计算处理也比较简单，而且在精度方面也

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张川200907024236 超声波传感器

能打到要求。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、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、物体识别等方面有广泛应用。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，具有很高的分辨力，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。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。

测距离的方法有很多种，短距离可以用尺，远距离可以用激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准的空气中的传播速度为331.45M/S，由单片机负者记时，单片机使用12.0M晶振，所以次系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表1-1 ，根据计时器记录的时间t (见图1-2)，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即: s = v t / 2 。

表1-1 声速与温度的关系

温度(℃) －30 －20 －10 0 10 20 30 100 声速(m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386

图1-2 超声波测距时序图

1.2超声波传感器

1.2.1超声波发生器

超声波发生器是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量使之工作于谐振频率的装置，根据其激励方式可以分为两种：一种是他激式，一种是自激式。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。

1.2.2压电式超声波发生器原理

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压电式超声波发生器实际上是利用电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图

1-3所示它有两个压电晶片和一个共振板当他的两极外加脉冲信号，器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，将压迫压电晶片作共振，将机械能转花成电信号，这时它就成为超声波接受器了。

图1-3 超声波发生器内部结构

1.2.3单片机超声波测距系统构成

单片机控制系统以AT89S51为核心，发出40KHZ左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率很弱为了使测量距离达到要求，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，内部计时器停止计时读出时间t，由系统软件对其计算分析后，相应的计算结果送至LED数码管进行显示。

开始测量 超声波信号 开定时器 驱动电路 电声换能器 关定时器 数据运算 接收检测 电声换能器 显示器 图1-4 超声波测距系统框图

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