1 绪论-----------------------------------------------2 1.1 课题背景、目的和意义 ------------------------------------------------------------------------------------------- 21.2 课题主要内容 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 系统概述-------------------------------------------3 2.1 超声波测距仪的原理 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.2 两种常用的超声波测距方法 ------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.3 超声波的介绍 -------------------------------------------------------------------------------------------------------4 2.4 超声波传感器 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 62.5 本章小结 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 103 系统设计------------------------------------------ 10 3.1 系统组成 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 3.2 超声波测距仪硬件设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 11 3.3 超声波测距仪软件设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 133.4 本章小结 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 164 系统调试------------------------------------------ 17 4.1 软硬件的调试 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 17 4.2 仪器精度分析及如何提高超声测距精度---------------------------------------------------------------------- 17结论-------------------------------------------------- 20致谢-------------------------------------------------- 21参考文献 ------------------------------------------ 22附录 A ------------------------------------------------ 23附录B ---------------------------------------------- 241 绪论超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。
本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel 公司的AT89C51 单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、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。
该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。
1.1 课题背景、目的和意义传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术主要包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。
比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外线传感器、压力传感器等等，其中超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。
利用单片机控制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，并且测量精度较高。
超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。
因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。
对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。
1.2课题主要内容通过上节介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。
本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。
通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为V，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。
本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。
电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。
系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离,结果输出给LED显示。
2系统概述2.1 超声波测距仪的原理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，超声波在空气中传播，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。
超声波在空气中的传播速度为 v，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)，即： S=vt/2 这就是所谓的时间差测距法。
由于超声波发球声波范围，其波速c 与温度有关，表2-1 列出了几种不同温度下的波速。
表2-1 声速与温度的关系波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。
其系统原理框图如图2-1 所示。
图2-1 超声波测距器系统设计框图由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。
经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。
2.2 两种常用的超声波测距方法2.2.1 基于单片机的超声波测距系统基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz 的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。
超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。
其系统框图如图2-1 所示。
图2-1 基于单片机的超声波测距系统框图这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED 显示利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。
许多超声波测距系统都采用这种设计方法。
2.2.2 基于CPLD 的超声波测距系统这种测距系统采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，运用HDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)编写程序，使用MAX+plusII 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。
CPLD 器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D 触发器、T触发器、RS 触发器或JK 触发器工作方式或组合逻辑工作方式。
它的这种特性非常适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由MAX 来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。
2.3 超声波的介绍2.3.1 超声波的应用超声波是频率高于 20000 赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声音,在水中传播距离远,可用于测距,测速,清洗,焊接,碎石, 杀菌消毒等.在医学,军事,工业,农业上有很多的应用.1.超声检验.超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,而且能透过不透明物质,这一特性已被广泛用于超声波探伤,测厚,测距,遥控和超声波成像技术.超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 . 把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上,从试样透出的超声波携带了被照部位的信息(如对声波的反射,吸收和散射的能力) ,经声透镜汇聚在压电接收器上,所得电信号输入放大器,利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上.2.超声处理.利用超声的机械作用,空化作用,热效应和化学效应,可进行超声焊接,钻孔,固体的粉碎,乳化 ,脱气,除尘,去锅垢,清洗, 灭菌,促进化学反应和进行生物学研究等,在工矿业,农业,医疗等各个部门获得了广泛应用. 3.基础研究.超声波作用于介质后,在介质中产生声弛豫过程,声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程,并在宏观上表现出对声波的吸收2.3.2 超声波的发展一、国际方面: 自 19 世纪末到 20 世纪初, 在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章. 1922 年,德国出现了首例超声波治疗的发明专利. 1939 年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道. 40 年代末期超声治疗在欧美兴起,直到 1949 年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了超声治疗方面的论文交流,为超声治疗学的发展奠定了基础.1956 年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表, 超声治疗进入了实用成熟阶段.二、国内方面: 国内在超声治疗领域起步稍晚, 20世纪 50年代初才只有少数医院开于展超声治疗工作,从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病,至50年代开始逐步推广,并有了国产仪器.公开的文献报道始见于 1957 年.到了70年代有了各型国产超声治疗仪,超声疗法普及到全国各大型医院. 40 多年来, 全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验.特别是 20 世纪 80 年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科,是结石症治疗史上的重大突破.如今已在国际范围内推广应用.高强度聚焦超声无创外科,已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置.而在 21 世纪 (HIFU)超声聚焦外科已被誉为是 21 世纪治疗肿瘤的最新技术.2.4 超声波传感器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。