基于单片机的超声波探测器.doc

前言 随着我国科学技术的迅速发展，许多场合都需要测距仪器的应用，如汽车倒车，建筑工地的施工以及一些工业现场的位置监控，还有矿井深度、水位位置、管道长度等场合都需要用到测距仪器。要求仪器简单，方便，易操作控制，而超声波测距仪，就能实现以上的要求。它测量范围在0.10-1.20m，测量精度1cm，测量时仪器与被测物体不会直接接触，而且能够清晰稳定的在液晶显示屏上显示出测量结果。 但就目前整体的技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限。因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来数十年，超声波测距仪作为一种新型的非常重要且有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它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。 本设计采用以AT89C51单片机为控制器核心的高精度、低成本、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、中断程序、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。 1 总体方案设计介绍 所谓的超声波就是指频率高于20MHZ的机械波。既然是以超声波为检测工具，那么肯定要产生超声波和接受超声波的工具，这就需要用到我们的传感器，俗称探头。它有发射器和接收器之分，主要原理就是利用电效应把电能和超声波相互转换，利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。 本文所研究的超声波测距仪利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、中长距的高精度测距等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，将电能转换，发射超声波，同时在发射的时候单片机就开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波回波时，将超生振动转换成电信号，同时单片机停止计时。超声波测距原理一般采用渡越时间法TOF，设超声波在空气中的传播速度为C，从发射到遇到障碍物反射回来在空气中的传播时间为T，声源与障碍物的距离为L，则易知 S=VT/2 L=C*T/2，这样可以测出声源与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上稳定的显示出来[1]。 传感器的工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即逆压电效应是在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变，这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围内，这种机械波就是超声波[1]。 根据设计要求并综合各方面因素考虑，本文决定采用AT89C52单片机作为主控制器，超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。超声波测距仪的系统硬件原理框图如图1-1所示。 微控制器AT 微控制器 AT89C52 报警 信号产生驱动 信号放大整型 发生器 接收器 LED显示结果 功能键盘 温度检测 图1-1 超声波测距系统硬件原理框图 超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机驱动产生12MHZ晶振，所以此系统理论上可以达到毫米级。由发射器发送超声波出去，在遇到障碍物反射回来时的回波由接收器检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入AT89C52单片机进行计算，并将计算结果显示到LED液晶显示屏上。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液 和气流旋笛等。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。本文属于近距离测量，适合汽车的倒车雷达，故可采用常用的压电式超声波换能器[2]。 2 超声波的相关知识 2.1 超声波测距仪的主要功能概述[3]： ★ 实时稳定显示当前测量距离； ★ 实时稳定显示当前测量温度； ★ 具有近距离和远距离两种测量模式； ★ 能够实时报警功能； ★ 具有开机系统自检功能； ★ 耗电量低； ★ 可靠性高； ★ 高灵敏度和高声压 2.2 超声波测距仪的主要技术指标 测量距离：0.20m-1 测温范围：-10℃～115 测量距离精度：1cm 实时功率：0.05W 标准频率：40kHz 声压级：120±3（公式：S.P.L.= 20logP/Pre (dB)） 系统发射功率：1mW(max) 工作电流：80mA(min)、90mA(max) 输入电源电压：5V 3 系统设计原理[4] 超声波测距其实有很多的方法，包括声波幅值检测法、相位检测法、以及往返时间检测法等等，声波幅值检测法容易受到反射波损耗的映像，相位检测