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摘要
随着科技的快速发展，人们对于超声波的认知已经变的越来越普遍，在近几年来超声波应用技术已经变得成熟起来了，超声波具有定向性、穿透性、反射性以及对于某一方向的集束性等特点。所以，超声波测距技术在此应运而生，超声波测距技术是运用超声波在空气中、水中、固体之间的传播特性来对周围环境的进行测量。本文对超声波测距进行了简介，通过单片机在空气中发射超声波，并且反射回收，分析声波的状况，然后得出障碍物的信息，还介绍了单片机的性能和特点，及超声波测距构想的主要参数和设计，通过一系列的子程序的运算得出被测物体的距离。
关键词
单片机；
超声波；
测距
目录
摘要
第一章：绪论
1.1超声波简介
1.2对于测量方面的简介
1.3 单片机简介 第二章：基本构造
2.1测距原理
2.2 常见超声波传感器
2.3系统参数
2.3.1工作频率
2.3.2 超声波的速度
2.3.3 脉冲的宽度
2.3.4 测量盲区
第三章：硬件的设计
3.1 发射电路
3.2 接收电路
3.3 单片机系统和显示电路
第四章：软件的设计
4.1算法设计
4.2主程序
4.3发射中断程序
4.4接收中断程序
4.5 显示子程序
4.6 距离计算子程序
结束语 参考文献
谢辞
绪论
超声波是一种频率高于2000hz的声波，它具有方向性好，穿透力强，集束性好等众多优点，因此，在近十年的时间中，超声波应用技术得到了很大的发展，超声波是一种基于物理，电子，机械的技术，超声波通过声波的发射、传递、反射、接收的过程完成对物体的测距技术，它可以利用超声波在介质中的传播特性来对密度、湿度、强度、缺失的物体进行测量，其实际原理主要是声波在传播过程中遇到不同的物体，产生了反射、折射、衰减等现象，从而使传播的超声波振幅、波形、频率发生了变化，通过测量这些变化数据，便可得到物体的内部构造情况或距离。它与以前的超声使用技术完全不一样，这种超声波测距技术拥有很多优秀的特点：它可以在不破坏物体结构的情形下进行一种非接触式的测距，探测环境能力极佳，同时也可以进行距离测量。
1.1超声波简介
普通人耳可听到的声波是一种频率为20Hz～20kHz的声波，即为可听声波，对于超出此频率范围的声音，我们把频率高于20000hz的声波称为“超声波”，频率低于20hz的声波称为“次声波”，超声波主要有一下几个优点：
（1）超声波可在气、液、固中传播。在传播的时候，有较强方向功能和能量。
（2）超声波可以传递很强的能量，并且可以对于一些物体进行粉碎处理。
（3）超声波容易产生反射、衰落、等现象，并且容易携带有关物体内部情况的信息。
因此，我们可以利用用超声波共振的特性做成超声波传感器。声波在空气中的速度约为每秒340 米，所以超声波的应用技术在生活中会变得非常简单。
1.2 对于测量方面的简介
超声波测量技术近代在物理、医学、航空、工业、生活等诸多方面有了广泛的运用，它不仅能检测潜藏的安全隐患，还可以为人们治愈疾病，并节约能源、降低成本的作用。超声波和其他的电磁波、光波等的区别，是它拥有了超强的穿透功能。正因为超声波的频率大于20khz，所以超声波成为了一种特殊声波，不仅具有普通声波的反射、传播、扩散、衰减等特性，还具有穿透里强，集向性好的特点，在遇到不同介质可以反射大部分能量，可以是声波检测变得更加方便、迅速。于是，超声波测量技术广泛地在汽车入库、B超检测、方向测距或者施工工地等场合进行使用。
超声波传播时，通过不同物体对声波的反射，用来测量和检验的技术称为超声检测。超声波以脉冲的形式在介质中传播时，会有反射的现象出现，利用这一原理可以对钢材等固体介质进行探测检验；在医学上，可以用于人体的检测，并对疾病进行治愈（如：胆结石）。超声波的共振特性，它可以用于测量轮船底部的腐蚀程度。超声波的衰减特性，可以测出各种材料的特性和功能。若超声波探测到物体时，它可以用来测量运动速度。若以超声波为载体时，可以将它制成水中电话。超声波还可以利用他的特点来检测温度和不合格的物体等。
由于超声波可以在任何介质中传播，我们可以用来了解一些特殊物体的变化，运用超声波技术的设备会变得结构更加简便、成本低廉、使用方便，随着科技的发展，超声波技术会得到广泛的运用。
1.3 单片机简介
计算机迅速的发展，单片机技术也得到了一定的研究，并且逐步称为一门新的技术，对于它的运用也变得成熟起来，特别在这几年中单片机在生产方面形成了重量级的作用。
单片机是一种微型计算机，主要用于控制技术，所以也可称为微型控制器（Microcontroller Unit）。单片机是一块集成电路芯片，它将所有功能集成在一块芯片上，称为单片机（Microcontrollers）。
单片机基本组成部分是中央处理单元、存储器、输入/输出接口、总线、中断系统。
单片机封装图基本构造
2.1 测距原理
单片机超声波测距是通过不断对发射出的超声波的反射回波的检测，从而测出发射和回收的平均时间差t，然后根据S=Ct/2（C为超声波实际波速），在测量过程中有很多因素影响测距结果：超声波幅度、反射的地域、声波之间的夹角和接收器的灵敏度。
表2-1 温度与波速的关系表
超声波属于声波其中对于声波影响最大的当属于温度的变化。所以当测距的时候必须根据不同的温度来对应出不同的速度，然后可以得出较为精确的距离。
2.2常见的超声波传感器
超声波传感器是一种能将其他能量转变成特定频率的超声波或者将其转化成同频率的其他能。现在的超声波传感器主要分为两种：电声型和动力型。其中压电传感器和静电传感器，属于电声型，动力型可以分为气体和液体。因为传感器工作目的的不同，所以超声波传感器的具体结构可以是不一样的的，各自的器材名称也可以是多样化的。
压电传感器是电声型，零件包括是压电晶片、楔块、接头，是超声波检测中经常见到的电能和声能相互转换的传感器。其中组成压电传感器的材料又可以分为压电陶瓷和近体两种，前者属于锆钛酸铅。而近体则由石英组成。
传感器中的压电晶片受到脉冲激发后产生震动，发出声波脉冲产生逆压电效应，从而用于超声波的发射。当超声波作用时，晶片受到震动引起形变转化成电信号，这就是压电晶体的正压电效应，用于超声波的接受。超声波传感器通常采用双压电陶瓷晶片制成，因为它的耗材少，价格便宜，且对于气体和液体有较强的实用性。
双压电晶体适用与超声波传感器，由AB两个部件构成，当AB之间有交流电压时，若电场方向与极化方向相同时，则方向相反，因此，AB伸缩，形成超声波振动如图 2-1 所示。
内部电路图
传感器内部的压电陶瓷晶片有一个中心频率，在超声波发射时，交流电
压会与他的震动频率相同。
2.3 系统参数
2.3.1 工作频率
传感器的工作频率是测距的主要参数，它的变化影响了声波的传播、反射、吸收等因素。
工作频率大部分由这几点决定的：
（1）当测距要求过高时，声波的损失就会增大，因为介质的吸收和声波的频率比例成正比，所以要降低工作频率。
（2）工作频率变得高，对传感器的方向性，要求是越尖锐则测量结果越准确，因此测量复杂的物体，工作频率要提高。
（3）频率越低对于传感器的尺寸变得越大，技术也越困难，安装的地方也需要更多的空间。
所以，超声波传感器应选择量程中等，工作频率40khz的传感器。
2.3.2 超声波的速度
声速的精确性决定了测距仪的数值的准确，声波随着介质的温度、压力而改变。声速的计算公式为V=331.4＋0.607T(mm/ms)，T代表了温度的变化，由于实验是在室内，所以超声波的传播速度通过计算公式得出340m/s。
2.3.3脉冲宽度
测距仪的发射脉冲有了一定的测量盲区，同样影响了测量的精度，如果减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，同时存在着回收的不便。反之，增大脉冲宽度，则可以使回收变得越发容易。
但在具体的实验中，通过比较了三种脉宽：24μs(1 个 40KHz 脉冲)，48μs(2个 40KHz 脉冲)，240μs(10 个 40KHz 脉冲)，实验结果得知，还是48μs(2个 40KHz 脉冲)的脉冲宽度对于实验更准确。
2.3.4测量盲区
由于脉冲发射器的本身具备了一定的宽度，还有放大器的阻塞，在接近发射脉冲的一段时间内，有一定的缺陷不能呗发现，这被称为盲区。
3硬件的设计
测距仪硬件部分由系统和显示电路、发射电路和接收电路组成。单片机采用的是89S51系列。采用了高精度的晶振，用来获得较为稳固的频率，减少测量误差。单片机用P1.0接口，输出超声波换能器需要的40KHz的信号，使外中断0口监测接收电路输出的返还信号。显示电路则采取4为LED共阳数码管，段码采取74LS245驱动，位码采取PNP三极管9012驱动。
3.1 发射电路
发射电路图如3-1所示，发射电路由反向器74LS04和换能器T所组成，单片机P1.0端口输出40kHz信号，途经一级反向器然后送到超声波换能器的一个电极，另一路经过两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种形式将方波信号送到换能器两端，从而提高了超声波发射的强度。为了提高效率，可以让俩个输出端并联，电阻R10、R11可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动效果，还可以提高了超声波换能器的阻尼效果，使其缩短自由振荡的时间。
发射电路原理图
3.2 接收电路
接收电路图
超声波在遇到障碍物反射时，进过接受放大器后，产生了一个低电平信号，通过这个信号触发了单片机的外部中断，然后停止计时，并计算出超声波在介质中的传播时间。
图中的接受电路主要由集成电路、电阻、电感组成。可以按照用处的不同转变电阻、电容，从而改变了电路的灵敏度。
3.3 单片机的系统和显示电路
单片机采取的是AT89S51系列。采用12MHz高精度的晶振，从而有了较为稳固的时钟频率，减少了测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，然后利用外中断0口检测超声波接收电路的返回信号。显示电路采取了4位共阳LED数码管，段码采用74LS245驱动，位码采用PNP三极管9012驱动。如图3-4所示软件的设计
超声波测距器的软件部分由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序和显示子程序构成的。因为汇编语言程序有很高的效率，而且可以准确的计算出程序运行的时间，所以可以运用它计算出准确的距离和实际的运行时间。
4.1 算法设计
超声波测距的原理是超声波的发出器t发出一个超声波信号，声波遇到被测物体然后反射回来，被接收器收到，单片机测出超声波的在外发射的时间，从而算出与物体与测距一起的距离，具体的计算公式为d=s/2=(c×t)/2。D为实际距离，S为来回的路程，C为外界温度下的声速，T为来回接收的时间。
4.2 主程序
主程序首先对系统进行初始化，t0设置为16位计数模式，总是允许中断为清零，之后超声波子程序发出一个脉冲，避免超声波通过接收器进行直射波的触发，从而需要延迟0.1ms，才可以打开外中断，其中计数器T0中的数值可以用公式d=s/2=(c×t)/2=172T0/10 000 cm 计算，T0为计数器T0的计数值，测出结果后传送到LED显示，0.5s后再次发出超声波进行重复测量，如图4-1所示。
开始系统初始化开启T0调用显示子程序测距成功标志位为1？Y禁止中断N调用计算距离子程序允许中断标志位清零显示结果0.5秒开启T0
4.3 发射中断程序
超声波发生子程序是通过P1.0端口发出2个超声波脉冲信号（一种具有40kHz的方波信号），脉冲宽度12μs，同时T0当即进行计时。如图是T0中断程序和T1中断程序的流程图。
保护现场重写TO开T1中断开启TO，T1返回
T0中断程序流程图
P1.0取反R4-1→R4NR4=0？Y关闭T1R4←4开启外部中断0返回
T1中断程序流程图
4.4 接收中断程序
超声波测距仪应用外中断检测返回的超生波信号，一旦接到信号，当即进入中断程序，计时器终止计时，并将测距标记位为1。表示是成功的。
如果没检测到回返信号，T0溢出中断会关闭，系统自动标记为2，表示是失败的。
关闭计数器读取TO的值置测距成功标志位为1返回
4.5 显示子程序
首先进行动态显示初始化，然后指针进行选位，选取显示的数，将其变成段码，然后送入段控制器，再进行延时，判断是否是最后一位和是否显示完毕，如果没有则继续修改缓冲区的指针和位码。
动态显示初始化位选-7FH选通数码管读要显示的数位选字右移一位送位选码到数码管修正地址指针显示完毕Y返回N 显示子程序流程图
4.6 距离计算子程序
为了降低编写程序的难度，将计算公式d=(C×t)/2=172×T0/10000 cm，简化为d=17×T0/1000 cm，然后进行两字节无符号数乘法程序，然后调用两次四字节/两字节无符号数除法程序，最后将数据转换成BCD码进行显示。
将要计算的数移入处理单元调用两字节无符号数乘法程序调用两次四字节/两字节无符号数乘法程序将计算所得数转化成十进制BCD码将BCD码移入被显示的单元返回
计算距离子程序
5结束语
近年来，超声波测距技术已经进入了普遍化的应用，国内的测距技术多数使用的是集成电路，这使得仪器的成本价值变得很高。然而以单片机为中心的测距仪可以弥补这一缺陷，并且可以进行显示和报警等多种功能的应用，并且操作十分简单，稳定，本文通过具体的介绍了一种基于单片机的超声波测距仪，简述了，超声波的原理、应用和具体的实现方式。使单片机技术得到了充分的利用，体现了它在控制、操作等领域的优点。
在一个学期的学习过程中，我逐步的了解了单片机的原理，对于超声波的认识，并且在设计的过程中得到了很多的知识，不仅让我将书本上的东西得以应用，还锻炼了我思考问题的能力，并且开扩了我的视野，使我以后学习的过程中具有了一定的经验。
6谢词
首先感谢我的指导老师陈远老师，在设计的过程当中，给予了我悉心的引导和耐心教导。当我遇到问题时，陈老师会指导我如何解决问题的方法，提供我很多思路和专业方面的知识。陈老师会提供我一些资料，也会指点我在哪可以找到更多的资料源。
在探讨问题和解决问题时，老师给了我悉心指导，在他的帮助下，我的毕业设计得以顺利完成。在整个毕业设计中，老师细心的教导，严谨的治学态度，和丰富的专业知识深深的感染我，在我心中留下深刻印象。
在以后的工作与生活中，我将时刻铭记老师的教导，并且会更加积极、努力的学习的。
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