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传感器课程设计

超声波倒车测距

班级： 11电子B班

姓名： 任 静

学号： 1115108030

华侨大学信息科学与工程学院

目录

摘要：.......................................................................................................................................3 目录...........................................................................................................................................2一、系统相关原理...................................................................................................................3整体原理图...................................................................................................................3 2 超声波发送原理图.......................................................................................................5二、51系列单片机的功能特点及测距原理..........................................................................5

三、硬件电路的设计

1、原理图---------------------

2、仿真--------------------------

3、超声波发送电路------------

4、超声波接收电路------------

四、总结...................................................................................................................................8

五、参考文献...........................................................................................................................9

六、附录.................................................................................................................................10测距程序.....................................................................................................................11 2 HCSR04超声波测距模块说明书...........................................................................15

摘要：

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越越广。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，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.无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。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。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。设计采用以

AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，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。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块，LED显示。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

超声波测距原理

发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由S = v·△t /2 即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v 与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表1-1 超声波波速与温度的关系表

温度（℃）-30-20-10 0 10 20 30 100 声速（m／s）313 319 325 323 338 344 349 386 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=af（3）

32式中, a 为介质常数, f 为振动频率。在空气里, a =2×10 s/cm, 当振动的声波频

-4-1率f = 40kHz(超声波)代入式(3)可得 a = 3.2×10 cm , 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。

超声波测距模块原理框图：

如下图1-1，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LED 显示。

Hcsr04的收发原理：

Hcsr04用户手册：初始化时将trig和echo端口都置低，首先向给 trig 发送至少10 us的高电平脉冲（模块自动向外发送8个40K的方波），然后等待，捕捉 echo 端输出上升沿，捕捉到上升沿的同时，打开定时器开始计时，再次等待捕捉echo的下降沿，当捕捉到下降沿，读出计时器的时间，这就是超声波在空气中运行的时间，按照 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2 就可以算出超声波到障碍物的距离。

51系列单片机的功能特点：

5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)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右图所示。

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。

测距原理图：

供电方式选择：

AT89C51：

（P0.0：超声波发送 P3.2：超声波接收 P2：数码管显示 P0.2：数码管位选 P0.4：数码管位选 P0.6：数码管位选 蜂鸣器：

晶振：

仿真：

按原理图和程序连接好protues电路图

超声波传感器用555来延时，模拟电磁波发送和接收。

调节 来控制高电平的占空比来模拟距离长短

超声波发射电路：

超声波发射电路原理图如图2-2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P1.0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，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。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。

超声波检测接收电路：

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，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)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

CX20106由:前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益,在近距离输入信号强时放大器不会过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。其主要指标:单电源5V供电，电压增益77-”

{

buffer[2]=0xBF;

buffer[1]=0xBF;

buffer[0]=0xBF;

}

else timeToBuffer();//调用转换段码功能模块

if(s

//判断是否达到报警值

{ bj=0;

//产生滴、滴、滴声响，i=s*2;

//报警声长短随距离变化而变化

while(--i)

{

scanLED();

}

}

else

{

bj=1;

i=100;

while(--i)

{

scanLED();

}

}

bj=1;

i=100;

while(--i)

{

scanLED();

} } }

void delay(i)

{ while(--i);}

void scanLED()

//{ LED=buffer[0];

LED3=0;

delay(20);

LED3=1;

delay(50);

LED=buffer[1];LED2=0;delay(20);LED2=1;delay(50);

LED=buffer[2];LED1=0;delay(20);

//调用显示函数

//关闭报警声

//调用显示函数

//调用显示函数 //延时子程序

显示功能模块 //显示个位数送P2端口

//选通个位数数码管位驱动端

//进行延时 注：下载到单片机中时20改为4 //关闭个位数数码管显示 //进行延时消隐 LED1=1;delay(50);}

void timeToBuffer()//转换段码功能模块 { xm0=s/100;

xm1=(s-100*xm0)/10;xm2=s-100*xm0-10*xm1;buffer[0]=convert[xm2];buffer[1]=convert[xm1];buffer[2]=convert[xm0];if(buffer[2]==0x60)//判断百位为零时不显示

{

buffer[2]=0xFF;

if(buffer[1]==0x60)//判断十位为零时不显示

buffer[1]=0xFF;} }

void csbcj()

//电磁波测距子程序 {

TH0=0x00;

TL0=0x00;csbout=0;//启动电磁波测距模块

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

csbout=1;

TR0=1;

i=80;

while(i--)

{

}

i=0;

while(csbint)

{

i++;

if(i>=2500)置零,退出接收回波处理程序

csbint=0;

}

csbint=1;

TR0=0;

t=TH0;

t=t*256+TL0;

s=t*csbc-8;}

void csbsc()

{ wdz=0.0000615*temp;csbc=0.03314+wdz;csbc=csbc/2;}

//启动定时器0

//盲区值(延时躲过电磁波发送头的余波)

//判断接收回路是否收到电磁波的回波

//如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint

//关闭定时器

//计算测量结果-8为测量值修证数

//根据给定的温度计算电磁波速度

HC-SR04超声波测距模块说明书：

1、产品特点：

HC-SR04超声波测距模块可提供 2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测 距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：

(1)采用IO 口TRIG 触发测距，给最少10us 的高电平信呈。(2)模块自动发送8 个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回，通过IO 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声

波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

2、实物图：

如右图接线，VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输 入，ECHO 回响信号输出 等四个接口端。