西京学院课程设计报告项目名称: 超声波测距系统的原理及方案设计所属课程：传感器技术及应用实践日期：2012/11/14-2012/12/14班级测控1001班学号1009251005姓名梁凯成绩机电工程系课程设计概述：【课程设计目的及要求】1.课程设计目的⑴掌握超声波传感器（空气探头）的基本原理⑵利用超声波传感器实现传感器距离障碍物体间距的测量⑶完成测距系统的超声波传感器的布局方案设计及主要的测试转换电路原理设计⑷利用课堂所学知识解决实际问题，理论联系实际⑸提高分析问题、解决问题的基本能力2.课程设计要求⑴综合运用传感器与检测术及应用的理论知识独立完成一个超声波测距系统工作；⑵该超声波测距系统实现测距功能；⑶详细论述超声波传感器测距系统的基本原理；⑷完成传感器选型、测试原理及布局方案的设计；⑸完成主要的测试转换电路、后续测试电路的原理框图及工作方式设计；⑹培养学生创新精神和扎实的设计技能。

3. 课程设计原理(一)压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构如图2-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，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器了。

(二)超声波测距原理在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比。

测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t 。

因此，被测距离为S=1/2vt 。

由于超声波也是一种声波，其声速C 与温度有关，附表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。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表2-1 温度与声速变化(三) 总原理框图(四) 总电路图温度（oC ）-30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速（米/秒） 313319325323338344349386开始测量超声波信号 开定时器关定时器 数据运算显示器接收检测 电声换能器电声换能器驱动电路课程设计内容：【设计方案规划及技术要求】1.设计方案的规划采用8051单片机控制的超声波测距系统采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由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340m/s，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原理框下图所示：t 障碍物s超声波发射超声波接收超声波的测距原理图2.技术要求包硬件简单，容易实现，测距范围适中。

测量误差可以控制在士1 c m左右。

系统软件采用合理算法，提高了测量精度，具有较好的应用价值。

另外其使用的51系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机，内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写；用静态时钟方式，可以节省电能；支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序；晶振频率高达24M，运行速度更快，价格也比较便宜。

【方案设计】总体设计：我们把系统的总电路分为三个大块:1.超声波发射及驱动电路；2.超声波回波接收滤波整形及检波电路；3.液晶显示部分电路。

超声波信号由51单片机产生，通过P1.0口输出一个41.67kHz的脉冲信号，持续发射216μs。

原始信号是5p-p V，经过运放放大3倍，驱动超声波发射头发出15p-p V，41.67kHz的脉冲超声波。

接收头与发射头配对，接受后将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运放放大5倍后加至高通有源滤波电路。

滤除一些低频杂波。

然后信号接至带有锁定环的音频译码集成块LM567，当LM567输入信号大于25mV，信号频率在LM567的中心频率带宽内，567的输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

通过程序计算得到所测距离后，转化成ASCII码送到液晶显示器显示1.信号发射驱动：超声波信号由51产生，通过P1.0口输出，一个40kHz的脉冲信号，持续发射216μs。

原始信号是5p-pV。

采用的运放是TL084CN，放大三倍，输出15p-pV。

电位经过运放放大，驱动超声波发射头发出40kHz的脉冲超声波，要使运放方大三倍，需使R2=3R1，令R1=1KΩ，R2=3KΩ。

Vcc=＋15.5v，Vcc=－15.5v。

2.信号接收放大与整形这一部分具体分为三个环节：接受放大，滤波，检波。

总体电路如下：2.1 接收放大：接收头与发射头配对，接受后将超声波调制脉冲变为交变电压信号输入到运放进行放大。

TL084CN 有4个运放可以同时工作，于是我们的电路中所有的放大工作都在一个芯片里头，包括后面的有源滤波中的运放。

检测到接受的原始信号从发射时的方波变为了杂正弦波，幅值大约在20 mV ，于是把放大倍数定在5倍，也就是R3=1k Ω，R4=5k Ω。

2.2 滤波：放大后的信号介入C1，经C1，R5和运放组成的滤波系统滤波后从运放输出。

用一阶有源高通滤波。

C1用的型号是103，也就是0.01μF ，R5＝6.2k Ω。

截止频率f =2ωπ=12RC π=32612 3.1416 6.2101010--⨯⨯⨯⨯⨯=2.6kHz采用的是一阶滤波，也就是频率在2.6 kHz 以下的信号以20dB 的速率衰减。

滤去了一些低频噪声。

2.3 检波－LM567放大滤波后的信号经过C2入LM567。

LM567为通用音调译码器，是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器。

LM567内部结构及工作原理当LM567输入信号大于25mV，信号频率在LM567的中心频率带宽内，567的输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

3.液晶显示部分电路3.1 SMC1602是一种16字 2行的字符型液晶显示模块，其引脚及其功能图如下图：3.2 液晶显示器SMC1602与MCU51相连的电路图定义： 3.0RS P - / 3.1R W P - 3.5Enable P - D0-D7----P0.0-P0.7【超声波系统软件设计】附件：程序RS EQU P3.0RW EQU P3.1E EQU P3.5f bit 01hORG 0000H ;上电，程序入口AJMP MAINORG 0003H ;外部中断0入口AJMP INT ;转中断程序ORG 0030H ;数据存储区入口MAIN: mov sp,#0050h;数据清零;MOV 30H,#0 ;MOV 31H,#0 ;MOV 32H,#0 ;MOV 33H,#0 ;MOV 34H,#0 ;MOV 35H,#0 ;MOV 36H,#0 ;MOV 37H,#0 ;MOV 40H,#0 ;MOV 41H,#0 ;MOV 42H,#0 ;MOV 43H,#0;MOV 44H,#0;MOV 45H,#0;MOV 46H,#0;MOV 47H,#0;MOV 48H,#0;MOV 49H,#0;显示的初始化acall t5 ;延时15msacall t5acall t5mov p0,#38h;写指令38H（不检测忙信号）;acall enable;acall t5mov p0,#38h;acall enable;acall t5mov p0,#38h;acall enable;acall t5mov p0,#38h ;显示模式2行acall enablemov p0,#08h ;关显示acall enablemov p0,#01h ;清屏acall enableMOV P0,#06h ;光标右移ACALL ENABLEmov p0,#0Eh;显示开，显示光标，不闪烁；acall enableSETB IT0 ;INT0边沿触发，下跳沿有效CLR ET0 ;关T0溢出中断MOV TH0,#00H ;定时器清零MOV TL0,#00HMOV tmod,#01H ;选择定时/计数器0，用定时器模式，选择方式1工作SETB PX0 ;定义外部中断0为高优先级中断SETB P1.0JIANCE: JNB P1.2,AA ;用P1.2作为用户的外部控制口，高电位或悬空等待检测，低电位运行程序SJMP JIANCEAA:MOV TH0,#00H ;定时器清零MOV TL0,#00HSETB EX0 ;开外部中断0允许SETB EA ;开总中断SETB TR0 ;启动定时器T0 puzel:mov 14h, #12h;超声波发射持续210us here:cpl p1.0 ;输出40kHz方波nop ;nop ;nop ;nop ;nop ;nop ;nop ;nop ;nop ;djnz 14h,here ;控制发射周期数jnb f,$ ;等待中断，用f作为发射程序和中断程序的接口clr f ;使下次发射时能无限循环等待中断jmp AA ;重新发射INT:CLR EA ;关总中断CLR TR0 ;关定时器SETB f ;中止发射程序等待PUSH PSW ;保护现场PUSH ACCCLR EX0 ;关外部中断0 MOV R5,TH0 ;读取时间值MOV R4,TL0MOV 36H,R5 ;R5,R4做乘数MOV 37H,R4CLR C;排除未经反射的超声波直接入接受口MOV A,R5SUBB A,#01HJNC TRANLJMP OUTTRAN: MOV R6,#11H ;R6做被乘数，计算得所测距离的二进制数CLR C ;二字节数与一字节数相乘MOV A,R6MOV B,R4MUL ABMOV 30H,AMOV 35H,AMOV R3,BMOV A,R6MOV B,R5MUL ABCLR CADD A,R3MOV 31H,AMOV 34H,Amov a,bADDC a,#00HMOV 32H,aMOV 33H,A;计算得所测距离的二进制数，结果在33H、34H、35H里，从高位到低位排列;3字节二进制数转化成BCD数BCD:MOV R1,#40HMOV R2,#03INC R2CLR ABB0: MOV @R1,AINC R1DJNZ R2,BB0MOV A,#03MOV B,#8MUL ABMOV R3,A ;R3为24位，即总循环次数BB3: MOV R0,#30HMOV R2,#3CLR CBB1: MOV A,@R0RLC A;通过带进位左移取出最高位MOV @R0,AINC R0DJNZ R2,BB1。