超声波探测系统设计

目录

超声波探测系统设计及制作 (1)

第1 章绪论 (1)

1.1 背景 (1)

1.2 研究的意义 (1)

第2章超声波测距原理 (2)

2.1 超声波简介 (2)

2.2 超声波测距原理 (2)

第3章方案论证 (3)

3.1 单片机应用系统概述 (3)

3.2 设计思路 (3)

第4章主要元件介绍 (5)

4.1 单片机AT89s52 (5)

4.2超声波测距模块HY-SRF05 (7)

4.3锁存器74HCS373 (8)

4.4共阴数码管LG5631AH (8)

第5章硬件电路设计 (9)

5.1 HY-SRF05模块电路 (9)

5.2复位电路 (9)

5.3时钟电路 (10)

5.4原理电路 (10)

第6章软件设计 (11)

6.1 程序设计 (11)

第7章实现与仿真 (15)

7.1 PCB设计图 (15)

7.2 实物图 (15)

7.3 运行结果图 (17)

致谢...................................................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 (18)

超声波探测系统设计及制作

第1 章绪论

1.1 背景

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。随着传感器的技术进步，传感器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。

1.2 研究的意义

目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且显示距离也比较困难，操作使用也不是很方便。而本设计研究的测距仪成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔。在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出警告声，提醒驾驶员注意刹车。本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车，如集装箱车、载货车、公共汽车等倒车交通事故。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89S52单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。

第2章 超声波测距原理

2.1 超声波简介

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz 。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

2.2 超声波测距原理

超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离D 为

ct D 2

1= （2.1） 式中 c ——超声波的传播速度；

t 2

1——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。 由上式可风，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度 由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz 的晶振，使机器周期为精确的1µs,不会产生累积误差，使定时间达到1µs 。超声波的传播速度c 并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为 K

T c M RT

c 27310+==γ （2.2） 式中 γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。

R ——气体普适常数，为8.314kg/mol 。

T ——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t 。

M ——气体相对分子质量，空气为28.8×10-3kg/mol 。

c 0——0℃时的声波速度，为331.4m/s 。

第3章方案论证

3.1 单片机应用系统概述

单片机的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。

单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如下：

图1 技术路线

3.2 设计思路

测量距离方法有很多种，短距离可以用尺，远距离有激光测距等，超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。

目前比较普遍的测距的原理：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。

以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。尤其值得一提的是，除8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O 口和指令集。所以，8051是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。利