超声波测距仪设计实验报告

超声波测距仪设计实验报告

课题设计目的及意义

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，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，超声波测距仪作为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，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实

施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被

动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大

力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化

智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪

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。在新的世纪里，面貌

一新的测距仪将发挥更大的作用。

随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统

也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城

市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建

筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市

给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的

自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核

心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得

非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。

实验原理

超声波在液体、固体中衰减小、穿透力强、对某些固体、穿透深度能达到几十米的范围；另外，超声波方向性好，能够定向传播。因此，可以作为物体探查和进行测量的可靠手段。

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=340t/2。

整体电路设计

整体电路的控制核心为单片机STC89C52。超声波发射和接收电路中都对相应信号进行

整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。

整体结构图包括超声波发射电路,超声波接收电路,单片机电路,显示电路和语音提示电路等

几部分模块组成。而超声波发射与接收电路还要加入放大电路。在发射后把信号放大，接收

前也要把还再次放大。

整体电路结构图如图4-1。

图4-1超声波测距原理图

单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到

的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时

间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送液晶显示。

系统的硬件电路设计

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电

路三部分。单片机采用 STC89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳

定时钟频率，减小测量误差。单片机用 P3.0 端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断 0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的12864液晶屏。

一、单片机的功能特点及应用

5l系列单片机中典型芯片(STC89C52)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：

IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及

特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图2-1所示。

5l系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条工／O线；2个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。 5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

二、单片机在本实验中的应用

本实验中AT89C51单片机及P3.0用于超声波发射电路，P3.2用于接收电路，18和19脚照例接晶振。P1系列与语音芯片部分相接，P0和P2系列主要用于液晶屏的显示。剩余管脚依照设计接开关、按键等器材用于控制。

三、超声波发射电路

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

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.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。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。

超声波发射电路原理图如下图所示，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P3.0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。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

四、超声波接收电路

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较为接近且当CX20106A 接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，因此可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏