多超声波传感器的距离测量系统毕业设计目录第1章绪论 (1)1.1 课题的提出 (1)1.2 超声测距技术的研究情况及其发展 (2)1.3 本课题的研究容及其意义 (3)第2章超声波测距技术综述 (5)2.1超声波简介 (5)2.2超声波测距的一般原理和方法 (6)2.3超声波传感器的主要参数及选择 (7)第3章超声测距系统总体设计方案 (14)3.1 总体设计方案概述 (14)3.2单片机控制超声波传感器声波收发电路的设计 (16)3.3 温度信号采集电路的设计 (17)3.4显示单元电路的设计 (18)3.5单片机与PC机串行通信的设计 (19)第4章超声波测距系统硬件及软件的实现 (21)4.1单片机AT89C51 (21)4.2系统硬件设计的其他芯片原理介绍 (24)4.3 系统软件设计 (30)第5章实验结果及其分析 (43)5.1实验结果 (43)5.2实验结果分析 (44)参考文献 (46)致谢 (47)附录 (48)第1章绪论1.1 课题的提出随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要。

比如，传统的接触式测量仪器(如钢卷尺)在测量巷顶与底板距离及巷道的变形量时，这种仪器对高于3m的顶板安设困难，且测量不准确;对于巷道横向变形量的测量，若安设于巷道两侧之间，则妨碍人、车来往，若不固定安设装，则测量精度低，难以监测微小变形。

又如在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别，尤其在工件运输过程中进行识别，则问题更为复杂与困难，因此人们急切需要非接触式测距仪。

目前，非接触式测距仪器常采用超声波、激光和雷达。

但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:1.超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离;2.超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体);3.超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。

作为一种非接触式的测量方式，超声波测距器可以广泛应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如水库液位、工业测井、管道长度的测量等场合。

利用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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此超声波测距系统在移动机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测等方面也得到了广泛的应用。

1.2 超声测距技术的研究情况及其发展超声检测主要是利用超声波作为载体，即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质本身特性或部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、部缺陷或结构的目的。

我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。

超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律而发展变化。

上世纪五六十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器，如英国的UCT-2超声波检测仪；后来国科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。

随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg，该仪器性能稳定，波形清晰。

但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。

七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器。

随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，硬件电路的简化更有利于无损检测技术的推广普及。

如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg；英国CN.S 公司推出仅有3.5Kg重的PLJNDIT便携式超声仪。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声波检测仪测量时带来的较大测试误差,进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显并带有单片机的微处理功能。

随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声仪研制呈现一派繁荣景象。

如今学术研究多采用美国Polaroid 公司的6500系列超声波传感器。

我国煤炭科学研究院研制的2000A型超声波分析检测仪，是一种带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。

其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发，达到了国际先进水平。

1.3 本课题的研究容及其意义在许多距离测量工作中，外界光线、色彩、电磁场以及有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境等因素往往会造成测量结果出现较大误差，同激光或红外线等测距方法相比，超声波方向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，对外界光线、色彩、电磁场不敏感，也更适用于黑暗、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，且在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势；作为一种非接触式的测量方式，超声波测距器可以广泛应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。

利用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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

本设计在理论方面对超声波传感器的工作原理，单片机对传感器工作的控制处理等方面容进行了深入的分析研究，同时对超声波测距结果的LED显示和温度补偿等问题也做出了较实际的分析处理，在此基础上，以Atmel89C51单片机为核心的超声收发控制电路及数据采集处理和显示电路，采用由Polaroid600系列传感器和6500系列驱动模块的超声波测距仪。

Polaroid600系列传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，测距围从6英寸到35英尺，绝对精度±1%，声波频率为49.4kHz，最大工作周期80 ms，本设计能够实现多（单）传感器多（单）目标测量等多种模式测量、温度补偿。

具有电路简单，集成度高，体积小，功耗低，温度补偿，测量精度及灵敏度高，调试方便等优点，适合非接触测距的广泛应用。

第2章超声波测距技术综述2.1超声波简介在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，声学是最早发展的学科之一。

早在19世纪，声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。

然而由于超声波是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。

人们可听到的声音频率为20Hz～20KHz，即为可听声波，超出此频率围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波，称为超声波。

声波的速度越高，越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。

由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同。

一般有以下几种:1.纵波：质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。

它能在固体、液体和气体中传播。

2.横波：质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。

它只能在固体中传播。

3.表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波。

表面波只在固体地表面传播。

总体上讲超声波发生器可以分为两大类:一类使用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各有不同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波必须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，只有得到足够的回波功率，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的效率最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成4OKHz 左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。

2.2超声波测距的一般原理和方法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刻停止计时。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF （time of flight ）[9]。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间t ，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即 2ct D =公式(2.1) 其中D 为传感器与被测障碍物之间的距离，c 为声波在介质中的传输速率。

在空气中声波传输速率为 s m T c c /273/10+=，其泰勒级数展开式（仅保留到一次项）为：c =c 0＋0.607T, 其中T 为绝对温度，s m c /4.3310=。

由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、也可以通过标定距离来确定计算距离的波速，较精确地得出该环境下的超声波经过的路程，提高测量精度。

在测距精度不是很高的情况下，一般认为c 为常数340m/s 。

超声波探测方法主要有脉冲反射法（把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波的方法）、穿透法（利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法）、声阻法（利用被测物件的振动特性，即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测）等；本次超声波测距系统设计采用的是脉冲反射法。

2.3超声波传感器的主要参数及选择2.3.1主要参数1.中心频率中心频率，即压电晶片的谐振频率。

当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。

中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。

常见超声波传感器的中心频率有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。

2.灵敏度灵敏度的单位是分贝(dB)，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。

3.指向角指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。

一般为几度至几十度。

4.工作温度工作温度是指能使传感器正常工作的温度围，其温度上限应远于居里点温度。

以石英晶片为例，当温度达到+290℃时灵敏度可降低6%。

一旦达到居里温度点（573℃），就完全丧失压电性能。

供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在-20℃至+70℃温度围可以长期工作。