超声波测距系统设计

中北大学

物联网工程专业

无线传感器网络课程设计

报告

课题名称：超声波测距系统设计

班级： 13270841 指导教师：马永

开设时间： 2016 年 6 月

目录

一、课程设计目的 (1)

二、课程设计题目 (1)

三、课程设计内容、要求 (1)

1、设计内容 (1)

2、设计要求 (1)

四、传感器工作原理 (1)

1.超声波传感器 (1)

2.温度传感器DS18B20 (3)

五、系统框图 (3)

六、单元电路设计原理 (4)

1、超声波发射电路 (4)

2、超声波检测接收电路 (4)

3、单片机最小系统 (5)

3.1、STC89C52芯片 (5)

3.2 复位电路 (5)

3.3 晶振电路 (6)

4、显示部分 (7)

5、温度检测电路 (7)

七、软件设计与系统调试 (8)

1、主程序流程图 (8)

1.1发射程序与接收程序流程图 (9)

1.2 中断子程序流程图 (10)

1.3 距离计算与显示子程序 (11)

2.系统调试 (12)

八、设计中的问题及解决方法 (12)

九、总结 (13)

十、参考文献 (14)

一、课程设计目的

通过《无线传感器网络》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。

二、课程设计题目

超声波测距系统设计

三、课程设计内容、要求

1、设计内容

采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。采用发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。根据温度传感器DS18B20所采集的温度数据来修正测距系统中的声速，从而使超声波测得的距离更准确。

功能：1）所有测距和温度数据均通过液晶显示器LCD1602 显示出来，距离精确到毫米，温度精确到小数点后一位（单位：摄氏度）。

2）测量范围：30mm～2000mm。

3）误差＜5mm。

4）其它。

2、设计要求

1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。

2）独立设计原理图及相应的硬件电路。

3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图

四、传感器工作原理

1. 超声波传感器

本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波传感器分机械方式

和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。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，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，就成为超声波接收器。

超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计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。

图4-1 测距原理图

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s=vt／2。

在空气中，常温下超声波的传播速度是334米/秒，但其传播速度v易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1℃，声速增加约0.6米/秒。声速与温度关系如表4-2所示。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过对温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度T 时，超声波传播速度V的计算公式可近似如下：

V=331.5+0.607T

这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及现场环境温度T，就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。

表4-2声速与温度关系表

测量环境温度，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可表示为：

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：L=1/2(331.4+0.6T)t。

2. 温度传感器DS18B20

由于声音的速度在不同的温度下有所不同，因此为提高精度，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正。系统采用DS18B20传感器测量温度，DS18B20温度传感器具有不受外界干扰、精度高、测温范围宽等优点。检测电路如图4-3所示，单片机P3.7口接DS18B20数据总线，控制DS18B20进行温度转换和传输数据，数据总线接10 kΩ的上拉电阻，作用是使总线控制器在温度转换期间无需一直保持高电平。

图4-3 温度检测电路

五、系统框图

六、单元电路设计原理

1、超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图6-1所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

图6-1 超声波发射电路原理图

压电式超声波换能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。

2、超声波检测接收电路

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图2-3)。实验证明用