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摘要：超声波测距应用十分广泛。论文在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确立了结构化设计的思路。本文设计了一套超声波检测系统，该系统是一种基于AT89C51 单片机的超声波测距系统,它根据超声波在空气中传播的反射原理, 以超声波传感器为接口部件, 应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。设计利用51单片机系统的I/O口，使超声波传感器发出40KHz的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入单片机，比较调试后确定其对应的距离，完成测距。可实现3米内测距，盲区7厘米，具有LCD显示功能。

关键词：超声波；超声波传感器；AT89C51单片机；LCD显示单元；测距仪
Design of Ultrasonic Distance measurement

Abstract: The ultrasonic ranging application is extremely widespread. After the feasibility and reliability has been analysised, the structure design technique was established. This article introduces an ultrasonic distance measurement based on the AT89C51 single-chip computer, the system according to ultrasound in the air reflection principles of the dissemination. And it uses the ultrasound sensor as interface components for the application of the distance measure based by single-chip computer technology and the margin of time that ultrasound transmit in air, thereby the systems of design of ultrasonic test comes into being. The system primarily composed by the four modules : the controller module,ultrasonic launch module, ultrasound receiving module and display modular. The I/O ports of the 51 single-chip computer were used to cause the ultrasonic transducer to send out the 40kHz ultrasonic wave. The reflected signal enter the 51 after the enlargement and feedback circuit, and the system will complete the range finder by debugging the corresponding distance. This design can realize 3 meters in range finders, with the 7 centimeters blind spot, The system have the LCD demonstration.

Keywords: ultrasonic, ultrasonic sensor, AT89C51 single-chip computer, LCD display unit, range finder

目 录
第1章 绪 论 1
1.1课题背景 1
1.2 论文研究内容 3
1.2.1 研究内容 3
1.2.2各章节主要内容 4
第2章 系统的总体方案设计 5
2.1 超声测距理论基础 5
2.1.1超声波介绍 5
2.1.2 超声波传感器 5
2.1.3 传感器的指向角θ 7
2.1.4 测量盲区 8
2.2 超声波测距原理 9
2.3 超声测距系统组成 10
2.3.1 系统的收发过程 10
2.4方案比较 11
2.4.1 超声波频率及探头的选用 11
2.4.2 发射模块 11
2.4.3 接收模块 11
2.4.4温度补偿 12
2.4.5 显示模块 13
2.4.6 电源模块 14
2.4.7 通信接口选择 14
2.5系统的总体构想 15
2.6 本章小结 15
第3章 系统硬件设计 17
3.1 系统工作的过程 17
3.2 主控制电路 17
3.2.1 AT89C51单片机 18
3.2.2 时钟振荡器 18
3.2.3 复位电路 19
3.3 串行通信接口 19
3.3.1 RS-232电气特性 20
3.3.2 RS-232连接器机械特性 20
3.3.3 数据发送电路 21
3.4发射电路设计 21
3.4.1 555振荡器 23
3.4.2 共射极放大电路 24
3.5接收电路设计 26
3.5.1 CX20106工作原理分析 26
3.6 电源电路设计 27
3.7 LCD显示电路 27
3.7.1 LCD接口协议 28
3.8 温度测量 28
3.9本章小结 29
第4章 系统程序设计 30
4.1软件功能模块的划分 30
4.2 主程序的分析设计 30
4.3 外部中断程序 31
4.4 T0中断子程序 32
4.5 温度校正 33
4.6 本章小结 33
第5章 调试过程 34
5.1 调试环境 34
5.1.1 LCD程序调试过程 34
5.1.2 发送40kHZ脉冲信号子程序调试 34
5.1.3 温度传感器的调试 34
5.2 实验结果 35
5.3 本章小结 35
总 结 36
致 谢 37
参考文献 38
附录1超声测距源程序 39
附录2 超声测距原理图 50
附录3 硬件实物图 51

第1章 绪 论
高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观、宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现、评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机、空间飞行器、发电厂、船舶、汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。超声技术就是一项典型的无损检测技术。利用超声波测量已知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距。可想而知，它的应用，必将在未来展现出夺目的光辉。
1.1课题背景
利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是生物体发射不被人们听到的超声波(20kHZ以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物或障碍物位置的方法，根据这一原理，人们提出了超声波测距，它是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。
我国超声波检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。
五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的UCT-2超声波检测仪，重达 24kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。
五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因超声波检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器。1976 年，国家建委科技公司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土超声波检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，超声波检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。
随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于超声波检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重10kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5kg重的 PUNDIT 便携式超声仪。1978年10月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL 线路，数码显示，仪器重量为5kg。同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25 型，SYC-2型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用超声波检测技术奠定了良好的基础。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单片机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。
随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉,适于民用推广。超声测距在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。例如。随着汽车智能化的发展，中国城市汽车的保有量迅速增加。随之而来的是交通事故与日俱增，城市里尤其突出。智能交通系统是二十一世纪交通运输的重要发展方向，这里就可以用到超声测距判断汽车前方障碍物的情况，及时向司机传达信息。还有在水中探测，军事，医疗中的超声诊断和治疗等方面有重要作用，而且测量精度在不断的提高，另外在移动机器人研制也广泛应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。目前这个领域发展迅速，不断提出新课题，具有广阔的发展前景。
1.2 论文研究内容
1.2.1 研究内容
本设计要求我们先要掌握充足的理论知识，着重理论联系实际，培养理论分析的能力，检索资料的能力、电子系统设计的能力、实际动手的能力、分析排除故障的能力。通过该课题的设计，让自己学习到超声测距的相关知识，包括对超声波，传感器学习，超声波传感器的应用，了解了超声波与其他学科的关系，扩大了知识面，培养了自己分析问题，解决问题，实际动手的能力。本设计从51单片机、超声波传感器的原理和特性出发，对超声波测距技术中的控制、信息采集技术进行了较为详尽的分析，参照工程设计的基本方法，分析系统可行性、可靠性后，确立结构化设计的基本思路。从各功能模块一一设计。
该仪器是由+5V稳压电源提供驱动，利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，以超声波探头为接口部件，应用单片机技术计算超声波在空气中传播的时间（超声波的速度为声速）并处理成相应的距离，然后再通过LCD显示距离。
1.2.2各章节主要内容
论文第一章阐述了本课题的研究背景。第二章确立了系统的总体方案和系统各模块的方案选择比较，以及方案实施。第三章是对系统硬件的设计。采用51单片机作为控制单元，设计超声波收发电路，系统电源，显示单元，温度补偿单元等。第四章介绍了系统软件的设计，利用结构化设计思想，画出了各部分的程序流程图。第五章分析了本系统的调试过程。

第2章 系统的总体方案设计
本课题要设计制作是一个数显超声波测距仪。对象是测距仪与被测物之间的距离，要求检测时间小于0.5s情况下测量范围在0.07～3.00 m，测量精度为5cm，并且测量时测距仪不能与被测物体直接接触，以及用LCD显示结果等要求。这一章主要介绍了超声波测距原理，系统方案的选择比较与实施，为后一章节的系统硬件设计提供依据。
2.1 超声测距理论基础
2.1.1超声波介绍
与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们知道，电磁波的传播速度为3× m／s，常温下，超声波在空气中的传播速度大约为340 m／s，其速度相对电磁波是非常慢的。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。
　A = A(X)cos( t+ kx) (2-1)
A(X) = (2-2)
式中，A(X)为振幅， 为常数, 为圆频率，t为时间，X为传播距离，k= 为波数， 为波长， 为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为
　　　 =a 　　 (2-3)
式中，a为介质常数，f为振动频率。在空气里，a=2× /cm，当振动的声波频率f=40kHz(超声波)代入式(2-3)可得: =3．2× ，即1／ =31m；若f=30 kHz，则1／ =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／ )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[5]。
2.1.2 超声波传感器