西安航空职业技术学院超声波测距仪课程课程设计说明书设计题目：超声波测距仪专业：电子信息工程技术班级学号：1002101姓名：余新旺指导教师：洪云飞2011 年 11 月 23 日教务处印制西安航空职业技术学院课程设计任务书课题名称：超声波测距仪设计内容：根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。
技术条件或要求：(1).了解超声波测距原理。
(2).制作实物指导教师（签名）：教研室主任（签名）：开题日期： 2011 年月日完摘要本设计采用STC89C52单片机为核心,阐述了超声波测距的硬件和软件设计方法，制作出低成本、高精度、微型化带数字显示的超声波测距电路。
整个电路采用模块化设计，由STC89C52单片机控制电路、超声波发射电路、接收电路、DS18B20温度补偿电路及LCD1602显示电路五部分组成。
软件主程序由定时中断子程序、外部中断子程序两大部分组成。
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。
经实验证明，这个电路软硬件具有设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，精确度高等特点，测量距离最大为 1.9m。
可以有效地解决物体的短距离测量和避障。
关键词：超声波；STC89C52；DS18B20温度补偿目录1绪论 (1)1.1课题设计目的及意义 (1)1.1.1设计的目的 (1)1.1.2设计的意义 (1)1.2超声波测距电路的设计思路 (1)1.2.1超声波测距原理 (1)2电路方案设计与论证 (2)2.1系统整体方案的设计 (2)2.2距离测量 (3)3 系统的硬件电路设计 (4)3.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 (4)3.1.1 51系列单片机的功能特点 (4)3.1.2 单片机实现测距原理 (5)3.2 超声波发射元件及电路 (5)3.2.1 压电式超声波传感器 (5)3.2.2 超声波发射电路 (6)3.2.3 超声波接收电路 (6)3.3 LCD1602显示电路 (7)3.3.1 1602基本资源 (7)3.3.2 1602硬件电路连接电路图如图3.5所示 (8)3.4 DS18B20温度补偿电路 (9)3.4.1 DS18B2的简介 (9)3.5电路整体电路图 (9)4 系统软件的设计 (10)4.1 超声波测距仪的算法设计 (10)4.2 主程序流程图 (10)4.3软件的调试程序（见附录二） (11)5系统制作与调试 (12)5.1电路安装与调试 (12)5.2测量数据 (12)5.2.1测试方案 (12)5.2.2测试数据 (12)5.2.3实验误差分析 (13)结束语 (14)致谢 (15)参考文献 (16)附录 (17)附录一电路整体电路图 (17)附录二软件的调试程序 (18)1绪论1.1课题设计目的及意义1.1.1设计的目的随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广。
如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。
展望未来，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。
测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
此超声波电路的设计能使我们在设计制作的过程中更加深刻理解超声波测距的原理及其优点。
1.1.2设计的意义利用超声波传播受外界影响变化小，传播距离远，超声波测距能够达到很好的效果，此次电路设计，一方面能够对超声波的产生及传播有更加系统的理解，另一方面能够使自己将超声波传感器与其它电路连接共同运用的能力得到提高，为实现多个系统相结合打下扎实的基础。
1.2超声波测距电路的设计思路1.2.1超声波测距原理超声波发射头发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由超声波接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。
由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，表1.1列出了几种不同温度下的声速。
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。
如果测距环境温度变化高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
表1.112电路方案设计与论证2.1系统整体方案的设计方案一：根据设计要求综合各方面的因素，可采用AT89C52单片机作为主控制器，用LCD实现数字显示，cx20106a作为超声波接收解码芯片，40KHz超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如图2-1所示。
图2-1方案二：本设计主要由超声波发射，超声波接收与信号转换，按键显示电路与温度传感器电路组成。
系统框图如图2.2所示。
图2-2以上两种方案，方案一电路简单，用cx20106a作为接收电路容易搭建，但调试接收解调电路调试困难，很难将发射出的超声波信号接收解调出。
方案二，要求对信号进行专门的放大、滤波。
比较及整形，相比方案一用cx20106a作为接收电路，电路搭建麻烦，但接收容易，且加有温度补偿电路DS18B20并用LCD2显示鉴于以上分析，我们选用方案二。
2.2距离测量方案一：相位检测法；通过比较发射波和反射波的相位，推算出时间t，进而得出距离。
此法精度高，但检测的范围有限。
且要做到精确的相位检测，硬件电路相当复杂。
方案二：声波幅值检测法；检测回射波的幅值。
在发射功率一定的情况下，回射波幅值随测量距离的增大而衰减，而回射波幅至的大小将直接影响测量的精度。
此法易受反射波的影响，反射回波幅值的大小直接影响者测量的精度，在发*射功率一定的情况下，随着测量距离的增大，反射波幅度衰减较大，不易测量。
因此该方案只适合粗略测量，精度达不到题目中的要求。
方案三：度越时间检测法；检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即度越时间。
度越时间与超声波在气体中传播速度相乘即得声波传播的距离。
此法不用考虑反射信号的大小，只检测反射信号的有无，通过精确的定时，即可求出距离。
适当的增大发射功率可测量较长的距离。
鉴于方案三程序编写简单，固我们选用方案四。
33 系统的硬件电路设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。
单片机采用STC89C52。
采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P1.3端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用P3.2的外中断的0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用LCD1602液晶屏，超声波发送驱动电路采用9012三极管组成的放大电路。
用9014组成放大电路作为超声波接收解调芯片，电路调试简单，抗干扰能力强。
3.1 51系列单片机的功能特点及测距原理3.1.1 51系列单片机的功能特点单片机的最小系统包括：时钟振荡电路、复位电路、电源电路、程序储存控制电路。
时钟振荡电路必须在XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，晶体振荡器常用12M，电容用33pf；复位电路采用上电复位，,采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的I／O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。
特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
该单片机外围电路如图3-1所示。
图3-143.1.2 单片机实现测距原理主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0、T1工作模式为16位的定时计数器模式，/总中断允许位EA接高电平。
首先调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟200ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用12 MHz的晶振，机器周期为1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数(即超声波来回所用的时间)按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离。
S=V*t/2V=331.5+0.607T其中T为环境温度，t为超声波来回所用的时间（t=T0*0.000001s，T0为计数器计的数值）3.2 超声波发射元件及电路3.2.1 压电式超声波传感器压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。
超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志（R为接收，T为发射）。
压电式超声波换能器（如图3-2）主要技术指标如下：中心谐振频率：40±1kHz，静电容量：1500pF。
灵敏度：≥-70dB/V。
最大输入电压：20V。
绝缘电阻：≥100MΩ。
温度特性：-20-+60℃，灵敏度变化<10dB。
湿度特性：90%-95%RH，放置100h，灵敏度变化<3dB。
外形尺寸：φ16×22mm。
结构：空气型。
使用距离：收、发相对，有效传输距离≥15米。
反射接收，有效距离4-7米。
条件：接收头配60dB放大，具有体积小、灵敏度高、性能可靠等特点。
图3-253.2.2 超声波发射电路超声波发射电路（如图3-3）的工作原理是，由单片机的P1.3口发射出40Khz 的脉冲信号，因为单片机的P1.3口电流较小，且电压不大，没有足够的功率推动超声波换能器发射超声波，所以采用9012三极管连接的放大电路，将P1.3口的信号进行电压和电流的放大，从而已足够的功率发出超声波，增加测距的长度。
图3-3超声波发射3.2.3 超声波接收电路超声波接收电路的设计原先计划采用cx20106a作为接收芯片，因为它可以锁定固定的40Khz信号，但通过实际搭接电路进行测试，发现干扰信号较多，而且当发射头发射的信号不稳定时很难锁定信号，是接收效果不佳。
通过翻阅资料我采用如图3-4电路。
工作过程是：当超声波发射头发出信号时，由接收头接收，因为接收到的信号很小，所以首先必须进行放大，9014组成的放大电路不仅能够放大电流，同时能将幅度放大，由于外界环境中干扰信号较多，所以采用104进行滤波，只有高频信号能通过，，多级104能够提高电路的抗干扰能力，，最后一级9014组成的电路实际是一个开关电路，当没有接收到信号时，9014不能导通，P3.2为高电平，当接收到的信号经过放大推动后级9014导通时，P3.2接的0.7v左右的导通电压，此时为低电平，当单片机判断此端口为低电平时，立刻进入中断，进行运算处理。