1、超声波测距系统,一 知识背景,超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。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。
2、常用的超声波传感器可以分为二大类,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。,超声波传感器的升压能级和灵敏度,上图是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中，40KHz处为超声发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。,超声在许多领域内比可听声的用途更加广泛，是基于以下凡个原因 1.具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。
3、2.在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素。 3.超声波的频率越高，则波长越越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。 4.超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHz及40-45KHz。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，分离式反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及
4、测厚等。,超声波测速原理,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331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。,超声波测距的原理一般采用渡越时间法，也可以称为回波探测法，如下图所示。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，超声波在介质中传播，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。根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探
5、头方式。超声波在空气中传播，超声波在空气中(20)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s这里取整数)，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)。,限制测速系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。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。由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，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。声速确定后，只要测得超声波往返的
6、时间，即可求得距离。这就是超声波测速的机理。,二 调试开发环境,keil c51编译环境 单片机开发板,三 分析与设计,单片机电路原理分析单片机电路在其中起决定性的中枢控制作用。它首先负责对接收器接收到来自超声波接受系统发来的数据，进行处理并且送入显示电路。其次负责超声波发射器的发送控制，此外单片机还负责对键盘的管理，实现人机交互控制。,三 分析与设计,单片机电路原理分析单片机电路在其中起决定性的中枢控制作用。它首先负责对接收器接收到来自超声波接受系统发来的数据，进行处理并且送入显示电路。其次负责超声波发射器的发送控制，此外单片机还负责对键盘的管理，实现人机交互控制。,本次课程设计中，我们采用
7、89C51单片机。其主要由单片机的基本最小系统（时钟电路、电源、数据线、地址线、总线驱动电路等）和一些外围电路（发送电路、接受电路、显示电路与接盘的接口电路）等组成。 以下主要对发送电路、接收电路、显示电路与键盘的接口电路的单片机管脚分配进行分析。 设计中我们使用1602C液晶来显示距离的数据变化、。试验中我们选择MCU的I/O口P0和P2作为数码管的控制端口。另外在发送电路和接收电路中采用CPU的11管脚作为数据发送端和CPU的10管脚作为接收端。EA（第31脚）为访问外部/内部程序内存选通信号。由于程序量不大，利用89C51片内的4K程序内存足够，不必使用外部内存，因此，EA接+5V。,单
8、片机最小系统,发送与接受电路设计分析 采用HC-SR04集成超声波测距模块。如下图：,超声波发射模块电路图,超声波接收模块电路图,显示电路设计分析 显示电路：1602C液晶显示 1602C是一种字符型液晶显示器。可显示32个5*8点阵的字符，每个字符是由组织曾的字符块集。他主要采用动态驱动原理由行驱动控制器和列驱动控制器两部分组成了80列*60行的全点阵液晶显示器。此显示器采用了COB的软封装方式，通过导电橡胶和压框连接LCD，连接可靠，寿命长。,系统软件部分原理分析与设计,主程序流程图,最终设计所要达到的目标和功能、系统联调效果等要进行完整的讲述或论证，对所完成的题目的最终成果的表现形式要有明确的阐述和说明。,
