超声波测距系统的仿真

淮海工学院

课程设计报告书

课程名称：单片机控制系统课程设计

题目：基于单片机的超声波测距系统

系（院）：东港学院

学期： 2013-2014-2 专业班级： D自动化111 姓名：王佳力

学号： 2011130874 评语：

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日期：

1 引言

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路，另外还有复位电路和LED控制电路等。我采用以AT89C51单片机为核心的数字显示超声波测距仪的硬件电路。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、供电、显示等模块组成。发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计时器开始计时，超声波被发射后按原路返回,在经过放大带通滤波整形等环节,然后被单片机接收,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正, 结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进行数据发送与接收，实现数据正确显示在LED上。另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等，空气的温度对超声波的速度影响也很大。此外供电电源也会使测量差生很大的误差。再设计的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。

1.1设计目的和要求

本次课程设计是根据“自动化专业培养计划”而制定的。单片机控制系统课程

设计是自动化专业的学生在学过相关专业课以后进行综合训练的教学环节，特别是《自动控制系统》、《单片机原理及应用》、《计算机控制技术》等专业课学完之后的

一次实践教学。其目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中

充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所

学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。

在设计过程中，通过课程设计，使学生了解一般电气控制系统、自动控制

系统和计算机控制系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法。训练学生

综合运用专业课的能力，提高学生工程设计的能力。

1.2设计的内容

综合运用《微机原理及应用》、《单片机原理及应用》、《DSP技术原理及应用》、《计算机控制技术》和《检测技术与自动化仪表》的知识，掌握单片机控制系统的组成、原

理及工作方式，了解单片机控制系统的设计步骤与方法，特别是要了解单片机系统开发的整个过程，完成系统的软、硬件设计。

2 设计电路

2.1系统设计方案

图2-1系统设计方案图

系统计划在实验室内实现小范围测距，测试距离约为0.2m —3m 米，系统的整体结构如图2-1所示。发射电路采用单片机 端口编程输出40kHz 左右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器TO 。由于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求，驱动超声传感器UCM-40T 发射超声波距离足够远，故在此电路上加功率放大电路。

从接收传感器探头UCM-40T 传来的超声波的回波很微弱(几十个mV 级)，又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的。本系统设计此部分电路时采用一级放大和带通滤波电路，中心频率4OKHz 左右，放大滤波电路均采用了高速精密运算放大器TL082，输出信号大约在5V 左右。

由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应信号常为下降沿脉冲信号，故信号在放大电路后通过LM393构成的比较电路，将正弦信号转换成方波信号，用方波的负跳变作单片机的中断输入，使得单片机知道已接收到超声信号，内部计数器停止计时。

显示电路采用动态扫描显示，主要是处于节省硬件的考虑。通过单片机编程将内部

显

示

模

块

单片机处理单元

发射电路 检测电路 接收探头

接受电路

发射探头

目标

物

计数得到的时间数据转换为距离信息，通过3位LED 数码管显示，数据XXX ，单位cm 。

2.2 单片机的选择

本系统硬件部分由AT89C51控制器、超声波发射电路及接收电路和LCD 显示电路组成。由单片机AT89C51编程产生10us 以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。系统设计框图见图2-2。

图2-2系统设计总框图

由图1-3时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t ，由此便可计算出距离。

图2-3时序图

发接

AT89C51 LCD

DS1

2.3超声波部分的设计

2.3.1超声波传感器的选择

在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是4OKHz 的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40KI 和一支接收传感器UCM-R4OKI 组成，其特性参数如表2-4所示。 型号 UCM-T40K1 UCM-R40KQ 结构 开放式 开放式 使用方式 发射

接收

中心频率 Z KH 140± Z KH 138± 频带宽 Z KH 5.02± Z KH 5.02± 灵敏度 ubar dBV 110

ubar dBV 65-

声压

)

02.00min(115mPa dB dB =

)10min(70ubar V dB dB =-

指向角 o 75

o 80

容量

pF %252500±

pF %252500±

图2-4 传感器UCM-T40KI 和传感器UCM-R4OKI 特性参数

2.3.2超声波发射电路设计

超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40－16T 能向外界发出40 kHz 左右的方波脉冲信号。40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40 kHz 左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz 方波脉冲信号分成两路，送给一个由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，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40－16T 以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图2-5所示。图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。