超声波测距设计报告

生 实 验 报

课程名称 感测综合设计性实验 实验题目 超声波测距 专 业 电子信息工程 组 员王婷 秦悦桐 任亚红 求海琳 教 师 蒋敏兰

学告

一、 设计背景

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，如：液位、井深、管道长度等场合。本次设计的是以89C51单片机为核心的微型化数字显示超声波距离测量仪。 二、 设计任务要求

1、实现对目标距离非接触性测量 2、实现测量距离的显示

三、 超声波测距原理及器件简介

1、 超声波测距原理：超声波具有方向性好，在介质中传

播能量消耗缓慢，且其速度远小于光速等特点，因而超声波可用于距离测定。超声波测距的基本思想是，通过测量从超声波发射到接受到反射回波的时间间隔来计算距离。

2、 器件简介：采用的主要器件是压电式超声波换能器，

其由两个压电晶片和一个共振板组成，如果在压电晶片两极上施加频率为其固有频率的输入电压信号时，压电晶片将会产生共振，并带动共振板振动（共振板相当于一个放大器）产生超声波，如果不在压电晶片两极上加电压，那么当共振板接收到超声波时，会迫使压电晶片振动，这样就将机械能转化为电信号，可以通过CX20106A芯片进行检波构成超声波接收器，再送往MCS-51单片机进行处理即可测距。

四、 系统原理框图 障 碍 物 超声波接收 超声波发送 单 片 机 控 制 图1 超声波测距系统原理框图

液晶显示

五、 超声波测距的实现方法 1、 硬件实现方法

硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。 （1） 超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图2所示，发射电路主要由反向器（74LS04）和超声波换能器构成。单片机P1.6口输出的40KHZ方波信号经一级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R8和R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

图2超声波发射电路

（2） 超声波接收电路

超声波接收电路原理图如图3所示。集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，考虑到红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距的超声波频率40KHZ较为接近，可以利用它制作超声波接收电路。

图3超声波接收电路 （3） 单片机系统及显示电路

测距系统以单片机AT89C51为核心，采用12MHZ晶振，以

获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.6端口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号，利用外中断0监测超声波接收电路的返回信号。显示电路采用5110液晶。单片机系统及显示电路如图4所示。

图4单片机系统及显示电路

2、 软件实现方法

超声波测距电路的程序设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。

测量过程：超声波发生器发射出一系列超声波后，碰到反射物返回，然后接收器接收到发射波后送往CX20106A进行检波，产生外部中断，单片机通过计算前后时间差即可算出距离。假设环境温

度为20°C，此时声速为344m/s，由此可以推出距离S： S=V*[(256*TH0+TL0)+N*65536]/(fosc/12)*(1/2)

说明：THO，TLO为产生外部中断时的当前值，n为定时器的溢出次数，fosc为51单片机晶振（12MHZ）通过上式可以求出距离S（m）。

显示结果 计算距离 接收反射信号触发中断 发送超声波脉冲 系统初始化 开 始 图5 主程序流程图

说明：T0工作方式在方式1，16位计数器，65ms溢出一次，T1工作在方式2,8位重装载计数器，初值为0F4H，即每12ms取反一次，产生40KHZ方波。当中断产生时，在中断处理程序

中读取T0当前值，和溢出的次数，可以计算出一共计数的次数，因为每计数一次用时1US，所以可以得到从超声波发送到反射回来的时间差，进而可以得到距离。 六、 实验数据分析 实际(cm) 2 测量(cm) 2 误差(cm) 0 6 5 1 11 15 18 22 28 32 38 10 15 17 22 28 32 36 1 0 1 0 0 0 2 七、 实物图展示

八、 实验总结

以往实验都是拿别来做好的模块来进行实验的体验，但总是把实验操作做过之后，结果记录下来就万事OK了，原理方面基本上都是不清楚的。

这次亲手做出超声波测距器，再用自己做的超声波测距进行距离的测量，不仅能判断数据的正误，而且对其测距的原理非常的清楚，掌握了怎样把距离变为信号再表示出来的转换思想。

在做超声波测距器的过程中，我们小组成员分工明确，各有所职，从刚开始找资料，分析资料讲的超声波测距原理，到大家确定方案，再到准备材料单，画出电路图，做出电路板，到焊接电路，和最后的调试电路，使其能够显示出数据，和尽可能的准确测出数据。在这个过程中，大家也碰到了些小麻烦，比如说，电路图有的地方画的有些错误，我们在焊接电路板的时候及时的找到了错误，并进行了更改。还有在调试的过程中，刚开始单片机没有输出方波，即便给了程序还是没有，我们就努力的寻找问题，发现是焊接电路复位按键短路了。后来调出了发射信号，也检测到了接收信号，在调显示的时候费了些力气，因为我们对液晶屏不大了解，所以我们请了同学帮了忙，显示成功之后，还有一个问题就是测距不是那么准确，我们又对程序进行了更改，使我们测出的距离与实际距离的偏差减少了很多。

经过这次大家亲自动手做东西，我们感觉到收获了很多，不仅仅是有关超声波的知识，更重要的是它激起了我们对电子的小小兴趣，也希望以后我们还可以作出更多小作品。