基于52单片机的超声波测距系统的报告书

一、项目综述

1、超声波简介

超声波是频率高于20KHz的声波，具有方向性好，穿透能力强等特点，被广泛应用于各行各业。在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力。

2、项目原理及应用

（1）超声波测距原理：

本项目采用往返时间检测法测距，其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。

假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1表示，则有关系式<1>

s=vt／2 <1>

在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式<2>对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

v=331．4+0．607T <2>

式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s

（2）项目主要在超声波测距系统的基础上应用于高杆作物的测量，以便适时获得植物生长状况的数据。

二、项目过程

（一）确定项目方案

1．硬件部分

1.1超声波发射部分

采用由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远。

1.2超声波接收部分

集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60 kHz。故本次设计用它来做接收电路。

CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S51的INT0引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R6，将滤波器的中心频率设置在40 kHz。

1.3显示电路

采用4位供阳极LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管Q1、Q2、Q3、Q4驱动。

1.4电源电路

采用桥堆整流、7805转换电压，连接电阻电容，最终将电压转换为5V，电路末端连接发光二极管，判断是否已供电。

1.5串口接口电路

采用MAX232芯片实现软件程序下载。

2.软件部分

系统软件设计采用模块化设计，主要包括主程序设计、T1中断服务子程序、INT0外部中断服务子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序等。

本设计中P1.0引脚连接到7 HC04推挽放大电路再连接到超声波发射传感器，P1.0引脚输出的将是软件方式产生的40 kHz方波，而P3.2(INT0)则被用来接收回波。定时器T1，T0均工作在工作方式1，为16位计数，T1定时器被用来开启一次测距过程以它的溢出为标志开始一个发射测量循环，T0定时器是用来计算脉冲往返时间，它们的初值均设为0。

（二）电路搭建及调试

1.超声波发射电路的搭建，电路主要由超声波发射器，功率放大电路组成。输入信号是由信号源产生的40KHz方波信号，幅度为5V，用示波器分别测试超声传感器的发射头信号，得到与理论相符的方波信号。

2.超声波接收电路的搭建，电路由接收换能器、放大电路、滤波电路等环节组成，主要以CX20106实现。在上述发射电路基础上，示波器测试电路的放大滤波特性，超声波接收端接受信号为经放大后出现干扰比较小的正弦波信号。

3.单片机电路的搭建，上述电路的方波信号由信号发生器产生，目的是完成发射和放大电路的搭建。实际测距电路中，由于需要计算发射和接受的时间差，用连续方波信号很难测试发射和接受信号的起始点，所以通常发射信号为脉冲串，接受到信号同样也是一串正弦波叠加，方便后续计时的实现。

4.时间计测电路的搭建，电路主要由单片机和比较电路组成。单片机在发出脉冲串时，打开内部的定时计时器T0，开始计时，并且打开内部中断寄存器，经过发射接受电路后，产生的一串叠加的正弦波信号，经过比较电路同500mv信号做比较，高于此信号输出高电平5V，低于此信号输出低电平0V，利用高电平向低电平跳变的负脉冲，做为单片机的中断信号，使单片机停止计时。

5.显示电路的搭建，电路主要由单片机编程实现动态扫描经数码管输出显示。

（三）印刷及焊接电路板

（四）软件编写及调试

三、项目数据及结果分析

1．关于短距离测量

当测距仪逐渐靠近被测物体，最终读数显示在27cm左右。如要进一步缩短测试距离，由前面分析可知，我们必须让发出的测试脉冲宽度更窄，同时减小防误检测电路C11的容量。但由于超声波发射器的输出功率有限，如果缩短测试脉冲时间，意味着减小了测试脉冲的输出功率，在测试距离增加时，会使反射回来的信号很弱，造成仪器在长距离测量时受到影响。

2.关于长距离测量

长距离测量由于各种因素的影响会困难一些。有几点测量时我们必须注意：

1）被测目标必须垂直于超声波测距仪。

2）被测目标表面必须平坦。

3）测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体。

由于发射功率有限，测距仪无法测量10m外的物体。

四、项目成果

1．本超声波测距模块系统可应用于温度恒定、环境较为开阔、障碍物较少的场地距离测量。

2．测量最短距离为27cm，在5m范围内测量精度较高，可精确到厘米，满足对高杆作物的测距要求。

3．超声波在干扰较大、反射物较多的环境时，测量误差较大，因此在测量高秆作物生长较高较茂密时可能会出现测量不准确的情况。