论文超声波测距.doc
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1、摘 要中文摘要本论文比较详细介绍了一种基于单片机的超声测距设计系统,可以用于智能停车场作为车位是否有车的传感器。该系统是以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。本系统的安装和使用较方便,价格便宜,并可与无线测控系统配合使用,有非常广阔的应用前景。咨询淘宝:励科单片机设计工作室本文的超声波测距仪主要是依据智能停车场来设计,但也可以稍加改动用于其他用途。超声测距仪的设计原理是以得到更好的系统性能为目的的。为达到不同的测距范围,单片机可以根据软件来设置远近两种发射模式,即近距离测量时使用8个脉冲串,远距离测量时使用32个脉冲串来增强回波信号,根据回波信号特点
2、来得到了最佳接收机的组成。论文简单讲述了超声波检测的发展和原理,介绍超声传感器的工作原理及特性,并对于影响测距系统的一些主要参数进行了说明。在介绍超声测距系统功能的基础上,提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。介绍了AT89S51单片机在系统中的应用,分析了系统各部分的硬件及软件实现。最后测距仪进行验证。各主要技术指标均达到设计要求。该测距仪对室内停车场有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性,最后文中分析了误差产生的原因及如何对系统进行完善提出了一些改进建议。关键词:超声波;智能停车;超声传感器;超声测距;单片机摘 要ABSTRACTThe t
3、hesis introduces a kind of ultrasonic distance meter System in detail based on microcontroller.It can be used as smart car parking sensors. The system could measure certain distance with the time between transmit wave and reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave is fixed.I
4、t is easy to be installed and applied,low in price and capable of being used in combination with telemetering telecontrol system and has extensive application prospects.This ultrasonic range finder in the article is mainly designed based on the smart parking, but it may also be modified for other pu
5、rposes.The scheme of each part is designed to acquire better performance of the ultrasonic range finder. In order to meet the different distance range,it arranges two transmitting modes in accordence with software in mieroeontroller:high gain reflceted wave to far mode with thirty two Pulses, while
6、low gain reflceted wave to near mode with eight pulses.We get optimum receiver that is based on the characters of the receiving waves.This paper summarizes the development and foundational principle of ultrasonic detection. Then it presents the working mechanization and charaeters of ultrasonic sens
7、or. At the same time, it discusses a number of main technical parameters.Moreover, it proposes the whole structure of the system by introducing thefunction of ultrasonic distance meter.And then the transmission, receive, detection, display seheme of this distance meter system is brought out. Special
8、 after the application of AT89S51 microcontroller, it analyzes the hard ware and software realization of each 摘 要part in this system.Finally the main technical indexes meet the design requirements.It is proved by experiments that the design of the ultrasonic range finder provided with high aceuracy
9、and reliability in the smart parking station inside.In the end,thefurther measures of modification are presented.Key Words: Ultrasonic wave;smart car parking;Ultrasonic sensor;Ultrasonic distance measurement system;Signal chip computer.摘 要目 录目 录第一章 绪 论11.1课题介绍11.2题设计内容及预期的目标51.3论文内容简介5第二章 超声测距系统设计72
10、.1超声波和超声波传感器72.1.1超声波72.1.2超声波传感器结构102.1.3超声波传感器的主要参数介绍及选择132.2超声测距仪原理及测量方法142.3超声波测距系统主要参数论述162.3.1工作频率162.3.2指向角介绍162.3.3温度介绍162.3.4发射脉冲宽度介绍172.4总体设计172.5本章小结19第三章超声波测距仪硬件设计213.1发射部分电路设计213.1.1发射电路的方案论述213.1.2发射电路223.1.3分析计算233.2接收模块253.2.1前置放大电路263.2.2带通滤波电路283.2.3比较检测电路303.3 显示模块313.4超声波距离探测器总体电
11、路323.4.1超声测距仪设计具体细节323.4.2总体电路设计343.5本章小结34第四章 超声波测距仪软件设计354.1软件设计原理及总体设计354.1.1 软件设计原理354.1.2软件总体设计364.2测距仪单片机主程序364.3测距仪子程序394.3.1超声波发射子程序394.3.2距离计算394.3.3比较程序424.3.4乘法计算程序424.3.5外部中断子程序434.3.6定时器中断子程序444.4本章小结45第五章 结束语47附录 超声波测距探测器设计电路图48参考文献I致 谢II吉林工程技术师范学院毕业论文第一章 绪 论1.1课题介绍社会在进步,随着经济生活的发展,随着人们
12、生活水平的提高,在当今社会,车辆已经逐渐成为了人们日常生活中至关重要的一部分,我们知道我们越来越离不开汽车了,以车代步已经成为生活的一部分。关于汽车的各种新技术也层出不穷,但是放眼望去,绝大多数的厂家和研究机构的研究方向过多的集中在了设备本来已经相当高级的车上。而在平日的生活当中我经常会遇到这样的问题,如来到一个大型的停车场,要来购物或者有非常着急的事情,但是却往往找不到要停车的位置。然而现在通常在有的有显示空车位停车场当中又不能智能引导汽车走到空着的车位。在这种特殊的情况下,有通常会发生各种各样棘手问题而束手无策,譬如:有很多车会堵在停车场门口处,又譬如浪费了很长时间找到车位又被其他车辆所占
13、据,会导致打架的事情,直接导致家用车货车的搁浅,引起极大的不便。再如长时间驾驶后在没有需要的停车位置的情况下停车休息,由于极度疲劳导致的贵重钱物丢失现象以及大型长途货车在停车场门口马路很窄的情况下由于很多待于停车的车辆堵车引起的倒车不便等等。针对这些具体而实际的问题提出解决方案,节约资源时间,所以我们做一个智能车辆引导系统更具有现实意义。随着计算机技术、自动化技术发展,测距与识别问题在工业中变得十分重要。例如,传统的如钢卷尺接触式测量仪器在测量一定距离时,这种仪器对高于3m的顶板安设困难,且测量不准确;对于横向变形量的测量,若安设于两侧之间,则妨碍人、车来往,如果不固定安设装,则测量精度很低,
14、难以监测微小变形。在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中,要对随意放置的工件进行作业,这就必须对工件的位1第一章 绪论置、形状、姿势、种类自动地进行判别,尤其在在工件运输过程中进行识别,则问题更为复杂与困难,因此人们急切需要各种非接触式的测距仪。我们目前的非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达,红外线等。但激光和雷达测距仪造价偏高,红外线测量距离又太短,不利于广泛的普及应用,在某些应用领域有其局限性,相比之下,超声波方法具有明显突出的优点:1.对于设计停车场来说,超声波的传播速度仅为光波的百万分之一,并且指向性强,能量消耗缓慢,因此可以直接测量较近目标的距离,很合适;2.针对停车场停车当
15、中有的车有天窗,是玻璃或其他透明物质制的。超声波对色彩、光照度不敏感,可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体);3.停车场应该是日夜工作的,超声波对外界光线和电磁场不敏感,可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠,易于小型化与集成化,并且可以进行实时控制1。因此,超声波方法作为非接触检测和识别的手段,已越来越引起人们的重视。在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用2。智能车辆引导系统是近年来随着汽车在生活中的
16、普及而发展起来的一个研究热点。有效的车辆探测装置对智能车辆引导系统的后续设计起着至关重要的作用。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同频率的其他形式的能的器件。0吉林工程技术师范学院毕业论文超声检测的原理主要是利用超声波作为载体,即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等,提取反映媒质木身特性或内部结构的信息,达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。我国无损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6。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
17、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一10型非金属超声检测仪,也是电子管式,仪器重约20Kg,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,因无损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一10型仪器。1976年,国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后,国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目,组织全国6个单位协
18、作攻关。从此,无损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,更有利于无损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,仪器重量10Kg。七十年代,英国CN.S公司推出仅有 3.5Kg重的PLJNDIT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,1第一章 绪论我国有了自己生产的超声波仪器,为推广一应用无损检测技术奠
19、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板机的微处理功能。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Z000A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
20、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木情况一样,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目前常用的超声传感器有两大类,即电声型与流体力型。电声型主要
21、有:1压电传感器;2磁致伸缩传感器;3静电传感器。流体动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3吉林工程技术师范学院毕业论文和诊断中习惯上都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”3。电子测距仪要求测量范围在0.105.00m,测量精度1cm,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,公式L=(t/2)*C简单易算,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距器,可
22、以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合4。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求5。所以就顺其自然的选择用超声波探测仪来进行探测停车位是否有车了。1.2题设计内容及预期的目标本文在理论方面对超声测距实际方案做了深入设计,在此基础上,开发出以Atmel89C51单片机为核心,采用4OKHZ压电超声传感器的超声测距仪。在设计的时候,我利用超声波测距仪来测定停车位是否有车,并加以改进,就是在电路中,我不要求显示,但可以显示。在软件上,独特的采用了每次开机时进行初始化,将第一次的测
23、量距离放入单片机内的某个单元。在以后的测量中,始终以初始化后存于内存中的数据为标准来进行比较,判断车位是否有车。若相差较大则有车,否则无车。本设计电路具有电路简单,集成度高,体积小,功耗低;测量精度及灵敏度高,测量距离广 (-4cm到4m);并且价格低廉,开发周期短,调试方便等优点,适合非接触测距的广泛应用。1.3论文内容简介在本论文的第一章当中,着重介绍课题的设计的相关意义目的目5第一章 绪论标等;在接下来的第二章中,论文有详细的介绍了超声波测距仪的原理综述及传感器的参数选择;在第三章又描述了超声波测距仪的总体硬件设计,和各部分电路的组成,最后简单介绍一下AT89C51单片机;第四章,介绍超
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