基于-51单片机的超声波测距系统设计.doc
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1、|1 设计任务本文采用超声波传感器,IAP15 单片机以及 LCD 显示模块设计了一种超声波测距显示器,可以实现测量物体到仪器距离以及显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的超声波距离测量器,具有一定的实用价值。2 设计思路2.1 超声波测距2.1.1 超声波超声波是指频率在 20kHz 以上的声波,它属于机械波的范畴。近年来,随着电子测量技术的发展,运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量精确高,成本低,性能稳定则备受青睐。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收
2、而发生衰减等。正是因为具有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求,因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的位置信息(距离和方向) 。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点,因此在汽车倒车雷达
3、的研制方面也得到了广泛的应用。2.1.2 超声波测距原理最常用的超声测距的方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s,根据计时器记录的时间 t,就可以计算出发射点距障碍物面的距离 s,即:s=340t/2。 由于超声波也是一种声波,其声速 V 与温度有关。在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测|距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声
4、速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。距离计算公式:(2-1)=2=2其中 d 为被测物与测距器的距离,s 为声波的来回路程, c 为声波,t 为声波来回所用的时间。其中声速 c 与温度有关。T (2-2)=331.5+0.607如果要提高测距精确度,则必须考虑温度的影响,也可取室温简化电路设计,将温度传感器作为扩展电路,在力所能及的情况下完成。2.1.3 超声波测距模块 HC-SR04HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm 至 400cm 的非接触式距离感测功能,测距精度可达 3mm;模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。实物如图 2-1 所示:图 2-1 HC-SR
5、04 模块实物图HC-SR04 工作原理及说明:1、给 Trig 触发控制信号 IO 端口至少 10us 的高电平信号。2、模块自动发送 8 个 40khz 的方波,并自动检测是否有信号返回。3、有信号返回时,Echo 回响信号输出端口输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。4、两次测距时间间隔最少在 60ms 以上,以防止发射信号对回响信号的影响。如图 2-2 所示:|图 2-2 HC-SR04 工作原理2.2 LCD1602 显示屏LCD1602 显示屏实物如图 2-3 所示:图 2-3 LCD1602 显示屏|LCD1602 电路原理图如图 2-4 所示:图 2-4
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