基于单片机的超声波测距

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课程设计题目：

测控技术与仪器专业课程设计报告

摘 要：本文介绍了一种基于单片机的超声波测距仪的设计。详细给出了超声波测距仪的工作原理、超

声波发射电路和接受电路、测温电路、显示电路等硬件设计，以及相应的软件设计。设计中采用升压电路，提高了超声换能器的输出能力；采用红外接收芯片，减少了电路间相互干扰，提高了灵敏度;同时，考虑了环境温度对超声波测距的影响，采用温度传感器，提高了测量精度。该设计试验运行良好，系统结构简单、操作方便、价格低廉，具有广阔的推广前景。

关键字：超声波测距仪；超声波换能器；单片机；温度传感器

1 对题目的认识和理解

目前，常用的测距方法主要有毫米波测距、激光测距和超声波测距三种。超声波测距较前两种测距方法而言，具有指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小等特点，广泛应用于如井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。

超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45m/s，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。

目前比较普遍的测距的原理是：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。

本设计选用频率为40kHZ左右的超声波，它在空气中传播的效率最佳。由于超声波测距主要受温度影响较大，所以本设计增加了温度补偿电路。本设计具有电路简单、操作简便工作稳定可靠、测距精确和能耗小、成本低等特点，可实现无接触式测量，应用广泛。 1.1 超声波测距原理

超声波测距是通过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反射回来，超声波接收器收到回波就立即停止计时。根据计时器测出发射和接收回波的时间差t，可以计算出发射点距障碍物的距离s：s播速度，它随温度的变化而变化，其变化关系如下：ct度传感器获取。

ct2，其中ct为超声波在空气中的传

为环境摄氏温度，可由温

331.50.6T式中T

同时，超声波在空气中的传播速度ct受环境温度T的影响较大，考虑了环境温度传播速度的影响后，距离公式修正为：

L1273.15331.6

2273.15(1)

2 方案论证与比较

本文所研究的超声波测距仪利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时，停止计时。设超声波在空气中的传播速度为v，在空气中的传播时间为t，汽车与障碍物的距离为s上显示出来。

其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即逆压电效应是在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变，这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围内，这种机械波就是超声波。

本文所设计的超声波测距仪主要由ATC52单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路组成。

首先由单片机驱动产生12MHZ晶振，由超声波发射探头发送出去，在遇到障碍物反射回来时由超声波接收探头检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入单片机进行计算，把计算结果输出到LED液晶显示屏上。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；另一类是用机械方式。产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛液和气流旋笛等。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。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。

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。故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。

距离测量系统常用的频率范围为 25KHz~300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数

vt2，这样可以测出汽车与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏

并加以显示或记录。

3 单元电路（含传感器选型和电路）的设计与说明

3.1 超声传感器的原理及结构

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨” 或“笛”。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测、装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。

传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为

f0交流电压，

它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率

f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率

要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

3.2 超声传感器的特性

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的SZW-S40-12M 发射型超声波传感器为例进行说明。 3.2.1

频率特性

其中，

f040KHz为超声发射传感器的中心频率，在f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波

f0处所产生的超声声压能级最高。而f0两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射

f0的交流电压来激励。

最强，也就是说在

传感器一定要使用非常接近中心频率

发射灵敏度（dB）115110105100950f0 f(kHz)

图2 超声波发射传感器频率特性

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在信号的幅度最大，即在

f0处曲线最尖锐，输出电

f0处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接

收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。 3.2.2

指向特性

实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。图 3 是电路中选用得发射传感器的指向图。

90 6060303000

图2 超声波传感器指向特性

超声波传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为40~80，课题中超声发射传感器的指向角为75。

3.3 总体方案设计

3.3.1

超声波测距仪的硬件设计

超声波测距系统硬件的设计本超声波测距系统采用低功耗,高性能，集成了 ISP Flash 存储单元的

CMOS 8 位单片机 ATS52 为处理器；采用 T/R40 中心频率为 40 kHz，最大输入电压为 20 V 的超声波传感器为接受发生器。根据 ATS52 的结构和超声波传感器T/R40 的性能参数设计了由驱动电路和发射传感器组成的发射模块，由滤波、放大、比较路组成、接收传感器组成的接收模块，由温度传感器构成的温度补偿电路，由数码管构成的显示电路。

超声波测距需要用到两个参数：超声波从发射到接收的时间t及环境温度t。因此相应地，超声波测距仪的硬件系统包括单片机及其外围电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路和显示电路等。其硬件系统框图如下。

温度补偿电路显示电路单片机及其外围电路超声波发射电路超声波接收电路障碍物 图3 超声波测距仪的硬件设计框图

3.3.2 单片机及其外围电路的设计

在本设计中，主控芯片选择的是单片机ATS52。最小系统由ATS52芯片以及外围电路组成是整个超声波测距系统的核心部分。 3.3.3 1

超声波发射电路 发射波形

暂态 稳态激励阶段图4发射波形

减幅振荡

如图4，传感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态，理论上信号的幅度时指数上升的，Q各周期后达到满幅度的95%，1.5Q个周期后达到99%。为提高传感器的灵敏度，Q值一般不能太低，为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于Q个振荡周期，才能使发射幅度基本达到最大。考虑到测量“盲区”，这里选择脉宽为120μs，包含5个调制的44kHz的方波信号。 2

发射波形的数学模型

由文献[11]，测距仪的发射波形如图4，在规定时刻将一持续时间为的正弦波加到传感器上，然后关闭发射电路，打开接收通道，接收来自障碍物的反射波，其表达式为：

u(t)u0ej0t0(0t)其他 (2)

式中，0为发射电压的载频，它等于超声传感器的串连谐率。由于超声传感器的带宽有一定，可等效于一谐振网络，在(3-1)式的激励下，其输出波形表达式为：

uT(t)K1u0(1ej0t2Q)ej0tj0t2Q(0t))ej0t2Q (3)

K1u0[1(1e]ej0t(t)式中，K1为传感器的电声转换系数；0为传感器的谐振频率；Q为传感器的品质因数。 3

发射电压

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失；另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为 20Vp-p，取发射电压为 15 Vp-p。 4

发射电路

发射电路的设计，本系统根据NE555P多谐振荡器工作原理，选用适当外围电子元件设计了一个可产生40 kHz方波的超声波发射传感器驱动电路，其电路如图5所示。

图5 超声波发射电路图

超声波发射电路在测距时通过方波发生器产生脉冲信号，从而激发压电换能器发射超声波。为了提高超声波的发送能力，让其可以传输更远的距离，需要对信号电压进行放大。因此，超声波发射电路主要包括方波发生器和升压电路。

本文选择NE555芯片搭建超声波发射电路。双极型555时基电路的电压范围为4.5~15V，而CMOS型的电源适应范围更宽。为2~18V。可以和模拟运算放大器及TLL或CMOS电路共用一个电源。555时基电路中，4脚为复位输入端，当4脚为低电平时，输出脚3稳定输出低电平；需要555时基电路输出波形时，4脚应当接高电平或者悬空。方波产生以后需要对方波信号的电压进行放大，因此要求电路产生足够大的驱动电压。本设计中用MAX232对电路进行升压，只需要+5V电源供电。 3.3.4 示。

超声波接收电路

接收电路由 NE5532 运放芯片、LM339 电压比较器和一些外围电子元件组成，其电路原理如图 6所

图6超声波接收电路图

图中NE5532芯片中集成了两个放大器，其中放大器2与相连的电阻电容构成截至频率为20 kHz、通带放大倍数为1的一阶高通滤波电路用于滤出 20 kHz以下的低频干扰信号。放大器1与相连的电阻构成了一个增益在100倍范围内可变的反相放大器接受信号的大小调节到检测电路能识别范围内。LM339和一个上拉电阻构成检测电路将放大器输出的正弦信号转化为单片机能识别的方波信号，并通过信号输出管脚13传送给ATS5的P3.2脚以发出计时中断信号。其中ATS52的P3.5端口连接于NE555P附有上拉电

路的复位管脚4，用于控制驱动信号的产生与停止。

超声波接收电路的作用是将超声波探头接收到的微弱信号放大、滤波和整形后，输出台阶信号，提示单片机计算超声波在空气中的传播时间t。

本设计中，超声波接收部分采用红外遥控方式，所用调制芯片为CX20106A，其调制频率为38~40kHz，采用脉冲位置调制法(PPM)，提高了红外接收的抗干扰性能。 3.3.5

测温电路

本设计采用的温度传感器是DS18B20。它无需任何外围硬件，直接将温度数值信号输入单片机P1.1口。同时，该芯片可以从单片机I/O口取电，而无需额外电源。DS18B20片内含有一个位的ROM，用于存储自身的序列号，作为器件独有的ID号码，尤其适合进行多点温度测量。该芯片的测温范围为-55~125℃，在-10~85℃范围内精度为±0.5℃；适用电压范围为3.0~5.5V。测温电路如图7。

图7 超声波测温电路图

3.3.6 显示电路

显示电路由5个LED数码管和一些驱动三极管、电阻与ATS52连接而成如图4，它可以显示温度，超声波传播时间和测量的距离，其电路图如图8所示。

图8 超声波显示电路图

4 监控软件的设计与说明

超声波测距的软件系统主要包括主程序、外部中断程序、定时中断程序，及需要调用的若干个子程序。 4.1

主程序设计

系统初始化后调用超声波发射子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器而引起直射波触发，延时后，打开外中断0接收返回的超声波信号。主程序检测到成功接收的标志位后，进入计算子程序，获得被测物体与测距器之间的距离。

开始开总中断（EA=1）开定时器0中断（ET0=1）设定外部中断0下降沿触发（IT0=1）开定时外部中断0（EX0=1）设定定时器工作模式给定时器赋初值开始计数（TR0=1）测温子程序距离计算子程序显示子程序 图9 主程序流程图

4.2 测温子程序设计

测距时，单片机与DS18B20通信经过如下三个步骤：对DS18B20复位、复位之后发送ROM指令、

发送RAM指令。由于本设计为单点温度测量，只用到一片DS18B20，所以，发送的ROM指令为跳过ROM指令（0CCH）。测温子程序流程图如下：

开始发送复位脉冲跳过ROM（0CCH）延时等待温度转换完毕发送复位脉冲跳过ROM（0CCH）读取温度值（0BEH）结束 图10 测温子程序流程图

4.3 定时中断程序设计

定时中断程序的作用是判断发射时间、延时时间和接收时间。在不同的时间间断内，确保统内的全局

变量S作出相应的变化。定时中断程序的流程图如下：

进入中断停止定时（TR0=0）S=0给定时器赋值令S=1令S=2拉高NE555引脚4拉低NE555引脚4判定S的值S=1给定时器赋值令S=0S=2给定时器赋值停止定时（TR0=0）进入中断 图10 定时中断程序流程图

超声波发送子程序及超波接收中断子程序声波发送子程序及超声波接收中断子程序声波发送子程序及超声波接收中断子程序声波发送子程序及超声波接收中断子程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12µs左右，同时把计数器T1打开进行计时，定时器T1工作在方式0。超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即1INT引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T1停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成功。

4.4

T0中断服务程序如下:

sbit send=P1^0;

void timer0(void)interrupt 1 { send=!send;

TH0=0x1f; TL0=0xf4; } 4.5

超声波接收（外部中断1）程序:

void int1(void)interrupt 2 { if(TH1!=0x00&&TH0!=0x00)

{ b=1;

TR1=0; TR0=0;

t=TH1*256+TL1; t=t/1000000; TH0=0x1f; TL0=0xf4; TH1=0x00; TL1=0x00; } else { b=0;

TR1=0;

TR0=0; TH0=0x1f; TL0=0xf4; TH1=0x00; TL1=0x00; } }

5 其它需要说明的问题

在3m范围内运用该超声波测距系统对恒温和变温室条件下的平面物体进行测试，其测量距离、实际距离及相对误差结果如表1所示。

表1恒温测量结果

温度（℃） 32.20 32.25 32.27 32.25 32.23

实际距离（cm）

13.0 50.6 100.4 200.5 300.7

测量距离（cm）

13.2 50.3 100.9 201.3 301.6

相对误差（%）

1.5% 0.6% 0.5% 0.4% 0.3%

改变温度测量，其结果如表2所示。

表2 变温测量结果

温度（℃）

实际距离（cm）

测量距离（cm）

相对误差（%）

25.18 26.34 27.93 29. 32.41 15.4 20.8 29.3 50.7 100.2 15.2 20.6 29.0 50.4 100.8 1.3% 1.0% 1.0% 0.6% 由实验结果可以看出在3m范围内本超声波测距系统测量结果的相对误差小于1.5%，并且由于系统进行了温度补偿，使测量结果的准确度不会受温度变化的影响。

参考文献

[1] 孟立凡.传感器原理及技术[M].北京: 国防工艺出版社.2005. 45－105.

[2]张国勋, 孙海.单片机原理及应用（第二版）[M].北京:中国电力出版社.2007.19－88. [3] 张红莲.基于单片机的超声波测距系统的设计[J]. 信息技术与信息化.2008(09).－91.

[4]宋敬国,李元宗,徐玉华.PIC单片机在超声波测距系统中的应用[J].机械工程与自动化,机械工程与自动化.2007.4.118－123. [5]赵广涛.基于超声波传感器的测距系统设计[J].微计算机信息.2006,22(1).129－130.

[6] 卜英勇,何永强.一种高精度超声波测距仪测量精度的研究[J],郑州大学学报(工学版).2006.50－. [7]沈俊霞,杨德.单片机在超声测距系统中的一种应用[J].电子科技;2005年05期.43－45 . [8] 朱爱红.基于ATC2051的超声波测距系统[J],信息技术与信息化.2006.22－48.

[9]Ondrej Sajdl,Jaromir Zak,Radimir Vrba.Zigbee-Based Wireless Distance Measuring Sensor System[J],Personal Wireless

Communications;2006.55(03).22－30.

[10] H.Elmer, H.Schweinzer, G.Magerl. High resolution Supersonic distances measurement for long distances [J].Technisches

Messen .2003.70(04).18

[11] 关云龙. 超声检测. 北京：国防工业出版社，1987 年

附录

1 电路原理图

（1）超声波发射电路图

（2）超声波接收电路图

（3）超声波测温电路图

（4）超声波显示电路图

（5）单片机外围电路图

2 程序流程图

（1）主程序流程图

开始开总中断（EA=1）开定时器0中断（ET0=1）设定外部中断0下降沿触发（IT0=1）开定时外部中断0（EX0=1）设定定时器工作模式给定时器赋初值开始计数（TR0=1）测温子程序距离计算子程序显示子程序 （2）测温子程序流程图

开始发送复位脉冲跳过ROM（0CCH）延时等待温度转换完毕发送复位脉冲跳过ROM（0CCH）读取温度值（0BEH）结束 （3）定时中断程序流程图

进入中断停止定时（TR0=0）S=0判定S的值S=2给定时器赋值S=1给定时器赋值给定时器赋值令S=1令S=0令S=2拉高NE555引脚4拉低NE555引脚4停止定时（TR0=0）进入中断

3 程序清单

（1）T0中断服务程序 sbit send=P1^0;

void timer0(void)interrupt 1

{ send=!send;

TH0=0x1f; TL0=0xf4; }

（2）超声波接收（外部中断1）程序 void int1(void)interrupt 2 { if(TH1!=0x00&&TH0!=0x00)

if(tem_in)k |= 0x80; //tem_in为1时，则该位也为1

delay_us(4); } return(k);

{ b=1;

TR1=0; TR0=0;

t=TH1*256+TL1; t=t/1000000; TH0=0x1f; TL0=0xf4; TH1=0x00; TL1=0x00; } else { b=0;

TR1=0; TR0=0; TH0=0x1f; TL0=0xf4; TH1=0x00; TL1=0x00; } }

（3）测温子程序

uchar readbyte(void) { uchar i,k;

i=8; k=0; while(i--) { tem_in=1; delay_us(1); tem_in=0; k=k>>1; tem_in=1 NOP;

//直接读一字节程序}

（4）距离计算子程序 #include void distance(void)

{ double radical,dist,t;

radical=sqrt(1+(temnum+273)/273); dist=165.7*t*radical; return(dist);

}