-
超声波测距
摘要
该超声测距系统采用芯片
STC89
C52
作为系统的主控制器，
利用
NE
555
作
为本系统的脉冲发射源，结合
3
位
7
段数码管液晶显示，达到了较大
的测试距
离和较高的测量精度，并能实时显示且无明显失真。
关键字
:
超声波
测距
实时
1
第
1
章
设计题目与要求
1.1
设计要求
采用压电式超声波换能器，
使用单片机作为控制器，
完成超声波测距仪的软
硬件设计。
1.2
基本要求：
(1)
具有反射式超声波测距功能，
测量距离
0.1m~3.0m
；
(2)
测量距离精度：误差
±
1cm
；
(3)
利用
LED
数码管显示测试距离；
(4)
实时显示测量的距离，显示格
式为：□
.
□□米
2
第
2
章
系统总体方案论证
2.1
系统总体方案
题目要求设计一个利用超声波反射
原理测量距离的超声波测距仪，
并且具有
实时同步显示，由此本
系统可以划分为发射、接收、显示、主控制模块共四大模
块，如图
2.1
所示：
显示模块
主控制模块
发射模块
接收模块
图
2.1
系统基本方框图
针对技术指标的需要，
为使系统的测
量距离更远、
精度更高，
提高系统的整
体完善性，现对以上系统各个功能模块进行一一的方案论证：
2.2
主控制模块
2.2.1
主控制模块概述
主控制器模块其实就是一个简化的嵌入式系统。
嵌入式系统一般指非
PC
系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或
器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成
本、体
积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
2.2.2
主控制模块方案选择
根据以上知识，考虑到目前市场上比较常用的
AVR
、
61
、
51
三种微控制器，
我们有如下三种方案可供选择。
方案一
：
AVR
单片机
AVR
单
片机种类丰富，有
AT
tiny
、
AT90S
、
ATmeg
< br>系列，各个系列又有不同
3
的型号，价格较适中。相对来说，比起
51
单片机来说资源较丰富，内部也有集
成
A/D
，有
PWM
输出，但在系统进一步扩展方面不是很好
，这类单片机主要应
用于工业控制领域，在语音处理方面没有什么优势。
方案二
：
SPCE061A.
凌阳单片机的资源相对来说比较丰
富，
32
K
×
16
bitFlash
，两路
D/A<
/p>
，
1
个全
双工异
步串行口（
UART
）方便其跟其他为控制通信。而且它的编程
和
C
语言很
相似，
最重要的它在语音处理方面有得天独厚的优势，
并且凌阳公司的网站提供
了丰富的技术支持。
方案三
：
51
单片机
51
单片机的最小系统板非常
简单，价格便宜，但
51
单片机内部的
RAM
（
128bit
或
256bit
）
和
ROM(
4KB
或
8KB
，
特别地
AT89S8253
为
12
KB)
都比较小，
内部并没有集成
D/
A
、
A/D
，不方便语音处理，因而系
统扩展起来比较麻烦。由
于本课题没有要求语音播报，且其它要求不需外部扩展
A/D
就可以实现，所以
本次实验选用性价比高
的
STC89C52
作为主控芯片。
综上所
述，本系统选用宏晶公司生产的
STC89C52
作为核心控制
器。
2.3
发射模块
2.3.1
超声波发射原理
超声波是一种人耳无法听到，
频率高
于
20KHz
的声音。
声波在空气中的
传播
速度很慢，约为
344m/s
（<
/p>
21
℃，在海拔空气压力下）
，波长与速
度的关系为：
?
?
?
f
（
2-1
）
其中
?
为声波的波长，
?
为声波在空气中的传播速率，
f
为声波的频率
从上面可以看到，
40KHz
超声波在这种比较低的
传播速度下，波长很短，这
就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较
高的分辨率特性，
才有可能在进行测量时获得很高的精确度。
如果假定音速是
344
m
／
s
时，
100Hz
的音频的波长就是
3.44
m
，
1000Hz(
即
lk
Hz)
的波长就是
34.4 cm
，而
一个
20kHz
的音频波长为
1.7c
m,40KHz
的的音频
波长为
8.5
mm
为了达到题目中的技术指标
，
对所用探头的物理特性进行详细的分析是十分
4
必要的。
在没有任何驱动电路的情况下，<
/p>
只利用信号源和示波器来定性的分析接收探
头电压随发射探头距离
、频率以及发射探头两端加的电压关系。
（
1
）检验
探头中心频率：即在发射探头上的电压一定，发射探头和接收探
头之间的距离一定时，接
收探头的电压随发射探头频率的变化。
利用信号源加在发射头两端电压的峰峰值
V
pp
?
20
V
（电压太小会使接收到
的信号非常微弱，为便于观察，在
这里取
20V
）在
15cm
的地方放有木板，经过
反射，
通过接收换能器，<
/p>
直接在示波器观察电压随信号源发射信号的频率的变化。
测得的数
据如表一所示：
表一
中心频率测量
单位：
mv
频率
f
接收
V
pp
频率
f
接收
V
pp
31k
10
39.8k
208
32k
36
39.9k
236
33k
48
40k
228
36k
76
41k
192
39k
156
43k
146
39.6k
199
45k
86
测试条件：发射探头所加电压
V
pp
=20V
，两探头之间的距离
l=20
cm
由
表一可以发现发射信号的频率在
39.9KHz
时在示波器上观
察到的电压峰
峰值（
V
pp
）最大，由此我们判定
39.9KHz
为超声波探
头谐振的最佳频率，也即
中心频率。
注：本测量结果只对我们所使用的探头有意义。
（
2
）验证接收探头的电压随距离之间的关系。由于
只需定性地分析，通过查找
超声波探头资料，可以得到电压与距离的关系如图
2.2
所示：
从图
2.2
可以看出频率在
40KHz
时声压随距离的衰减较小，
频率越高，
衰减
率越高，
波的传播距离越短。
但根据换能器的不同稍微有差别，
因此实
测的最佳
频率稍微偏离
40KHz
，见
表一。鉴于报告书写方便，本文均以
40KHz
代替。
纵观所有利用波
的反射测距如雷达，发射的信号为
CW
（
Continuous wave
）
脉冲。
< br>通过计算接收到的这组波和发射这组波的时间间隔，
再根据
2-2
式计算距
离。
l
?
v
?
< br>t
（
2-2
）
其中
l
为超声波传播的距离，
v
为超声波传播的速率，
t
为传播的时间。
5
图
2.2
声压在不同距离上的衰减特性
2.3.2
超声波发射模块方案选择
根据上面的知识和相关资料，得出了发射模块的两种方案。
方案一
：以三级管为核心。
(1)
三级管扩流。
由主控制器送出的
40KHz
的波经三极管扩流直接送
给升
压变压器，经换能器发送出去。这种电路简单，受三级管的特性限制，电压和电
流的放大相对比较小。
(2)
三极管推挽式功率放大。
由分立元件搭建的三极管推挽式功率放大器
在性能上比扩流电路优越
很多。但是在参数的选择及性能的优化上都比较困难，
再者，三极管是一个流控型放大，
这样会导致系统的功耗上升。
<
/p>
方案二
：以
NE555
< br>和反相器为核心。
利用
NE555
发射
40KHz
的方波，
其有点为稳定、
可
控、
频率可调，
经过
CD4049
的
6
路反相器互补对称电路就可加大发射功
率。
综
上，本系统发射部分采用
NE555
和
CD4049
搭建的互补对称式功率放大，
最后由换能器发射。
2.4
接收模块
2.4.1
接收模块概述
超声波在金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸上可以近似<
/p>
100%
的反射，
6
而布、棉花、绒毛等可以吸收波。
由图
2.
2
可知声波随着距离的增加成比例地衰减。
经测试，由接收换能器（探头）转
换而来的电流信号非常弱，所以需要对接
收到的信号进行放大。
超声波探头的选频特性比较好，<
/p>
为了提高系统的信噪比。
因此加入了滤波电
路。
通过上面的信号整形和放大，
检波之后通过比较模块进一步整形，
从而得到
比较完好的方波信号。
综
上我们得到了接收模块的基本框图如图
2.3
所示
比较
滤波
放大
滤波
MCU
处理
图
2.3
接收模块电路图
2.4.2
接收模块设计与方案论证
放大
从换能器上转换而来的声波信号
比较弱，
为了增加信号的驱动能力，
必须将
所接收到的信号进行放大，放大方法有以下两种：
方案一
：利用
NE5532
集成运放搭成二级放大电路，将总体信号放
大
5000
倍，
然后将信号接入电压比
较器。
但在实际实验中，
发现两级电路的自激情况很
严重，且电路较复杂。
方案二：利用最简单的三
极管对接收到的信号进行放大，放大倍数大约在
50
倍左右，由
于是单级放大系统受干扰较小，且放大倍数虽小但测到
3M
距离
没有问题，可以很好的满足题目要求。
综上，本系统选用第二种方案。
比较器
方案一：检波电路是采用检波
二级管、电容、电阻构成包络检波电路。经过
检波之后得到了形如“
”的包络信号。
方案二：采用
L
M393
专用电压比较器，其优点为阈值电压调节简单，外围
7
电路只有电阻。
所以，本次实验选用
LM393
作为电压比较模块。<
/p>
8
第
3
章
系统硬件设计
3.1
系统总体组成
根据题目要求，可以将系统分为四
个模块，即：发射、接收、处理、显示。
发射：由
NE555
发射频率为
40KHz
的方波，经过
< br>CD4049
互补电路推升功
率，最后由换能器转换为超
声波发送出去。
接收：由接收换能器转换而来的电信号，经放大、滤波、比较后给
MCU
处
理。
处理：
51
单片机最小系统板。经接收模块处理后的信号由本模块作出判别
并计算出距离。
显示：以
STC89C52
< br>为控制核心，进行距离的液晶显示
因此，可以得到系统
的组成框图如图
3.1
所示。
显示
STC89C52
系统主控模块
发射电路
发射器
接收电路
接收器
被
测
物
图
3.1
超声波测距系统总体方框图
3.2
发射模块
< br>电路图如图
3.2
所示。
用于驱动超声波传感器的
40KHz
的方波
由一片
NE555
搭成的多谐振荡器生
成，
受控于控制器的控制信号；
40KHz
的方波经
CD4049
调理后，
成
为振幅
18V
的方波，提高发射功率。
R1
I/O
R3
10K
1K
4
8
U1
VCC
R2
5.1K
RESET
VCC
7
6
2
DISCHG
OUT
3
5
OUT
THOLD
CVOLT
TRIG
GND
1
C2
0.01uF
NE555
C1
0.01uF
9
注：电路中，
CD4049
接的是
9V
的电源。
图
3.2
发射电路图
3.3
接收模块
3.3.1
放大电路
电路图如图
3.3
所示。
R2
104
R1
1K
Q1
C3
Ui
100uF
NPN
R?
1K
R3
1K
VCC
C1
220uF
Uo
C2
220uF
图
3.3
放大
测得放大倍数
< br>A
u
?
u
o
?
50
（
3-1
）
u
i
3.3.2
比较电路
电路图如图
3.8
所示。
在实际测试中
发现输入信号尽管经过电容滤波，
但仍存在直流偏置，
使信号<
/p>
直流信号抬升
R
调节
3
可以使比较门限改变，以解决输入信号里夹带直流偏置
的问题。
10
R3
10K
output
input
1
2
3
4
R1
5.1K
OUTPUT
A
Vcc
V-
OUTPUT
B
V+
GND
LM393
R2
5.1K
V-
V+
8
7
6
5
VCC
图
3.8
比较电路
3.4
主控模块
该模块的核心为
STC89C52
本模块要设计和制作的为一
51
最小实验板，包括最基本的时钟电路、复位
电路。
11
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