超声波测距离系统(基于单片机原理)

基于单片机的超声波测距

系统设计

系别电子与电气工程系

专业电子信息工程

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目录

1 绪论 (3)

2 超声波测距系统方案设计 (3)

3 超声波测距硬件电路设计 (6)

4 超声波测距软件设计 (10)

5 实验调试 (15)

6 总结与展望 (16)

参考文献 (17)

附录（可选择） (18)

附录A系统原理图 (18)

附录B超声波测距系统焊接组装图 (19)

附录C部分源程序 (19)

1 绪论

超声波是指频率在 20kHz～106kHz的机械波,波速一般为 1500m/s,波长为 0.01cm～10cm。超声波既是一种波动形式 ,又是一种能量形式 ,在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。随着科学技术的发展 ,相关技术领域相互渗透 ,使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。

迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。

通常的倒车雷达主要由感应器、主机、显示设备等三部分组成。感应器发出和接受超声波信号，并将接收到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。感应器装在后保险杠上，以角45°辐射，检查目标，能探索到那些低于保险杠而司机从后窗又难以看见的障碍物并报警，显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车据后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示司机停车。根据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式等种。转帖式感应器后有一层胶，可直接粘在后保险杠上：钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去：悬挂式感应器主要用于载货车。根据显示设备种类不同，倒车雷达又可以分为数字式、颜色式和蜂鸣式等三种。数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接用数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。

经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。

2 超声波测距系统方案设计

超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。

本测距系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，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。再由单机计算出距离，送LED数码管显示测量结果。

超声波在相同的传播媒体里 (大气条件) 传播速度相同, 即在相当大的频率范围内声速不随频率变化, 波动的传播方向与振动方向一致, 是纵向振动的弹性机械波, 它是借助于传播介质的分子运动而传播的, 波动方程描述方法与电磁波是类似的。

式中, A (x ) 为振幅, A 0 为常数, ω为圆频率, t 为时间, x 为传播距离, k= 2π/λ为波数, λ为波长, α为衰减系数。衰减系数α与声波所在介质及频率的关系为

α=af2 （3）

式中, a 为介质常数, f 为振动频率。在空气里, a =2×10- 13 s2/cm, 当振动的声波频率f = 40kHz (超声波) 代入式(3) 可得 a = 3.2×10-4 cm-1 , 即1/α= 31m;若f = 30 kHz, 则1/α= 56m。它的物理意义是: 声波在空气媒质里传播, 因空气分子运动摩擦等原因, 能量被吸收损耗。在 (1/α) 长度上, 平面声波的振幅衰减为原来的e 分之一, 由此可以看出, 频率越高, 衰减得越厉害, 传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求,在设计超声波测距仪时, 选用频率f = 40kHz 的超声波, 波长为34000/40000=0.85cm。超声波发射器向某一方向发射超声波，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，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表2-1 。

表2-1 声速与温度的关系

根据计时器记录的时间t，发射点距障碍物的距离H，如图2-1所示

图2-1超声波测距原理

图2中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用L 表示，由图可得：

θ

H=(1)

L

cos

()H

θ(2)

=

arctan

M

将式(2)带入式(1)得：

()[

]H M L H a r c t a n c o s = (3) 在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：

vt L =2 (4)

式中：v 为超声波的传播速度，t 为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式

(4)带入式(3)可得：

()[]H M vt H arctan cos 5.0= (5)

当被测距离H 远远大于M 时，式(5)变为：

vt H 5.0= (6)

这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离[2]。

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz 左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。

图2-2 超声波测距时序图