基于单片机的超声波接近开关的设计

论文总字数：14747字

目 录

一.绪论 1

1.1超生波检测的意义1

1.2研究背景1

1.3研究现状1

1.4设计任务主要要求1

二.超声波应用的原理 2

2.1超声波的介绍 2

2.1.1 超声波的分类2

2.1.2 超声波的物理性质2

2.1.2.1 超声波的反射和折射 2

2.1.2.1超声波的衰减2

2.1.2.2超声波的干涉2

2.2 超声波检测系统原理 2

2.2.1 超声波传感器2

2.2.2 超声波距离监控检测的方法3

2.2.3接近开关工作原理4

三.系统主要硬件结构电路5

3.1 超声波发射电路 5

3.2 超声波接收电路5

3.3 复位电路6

3.4 时钟电路7

3.5 检测电路7

3.6 蜂鸣器电路7

3.7温度测量电路8

3.8 LCD显示电路8

3.9 电源电路9

四.系统硬件部分流程图10

4.1 系统程序的总体结构框图11

4.2 系统程序的运行流程11

4.3 系统主程序流程图12

4.4 40KHz超声波发送子程序 14

4.5 DS18B20温度采集程序14

4.6 距离计算子程序15

4.7 数据转换子程序15

4.8 距离判断程序 16

五.影响系统准确性的因素17

5.1 传感器的指向角 17

5.2 温度对系统的影响 17

5.2 监控盲区 18

六.实验过程及误差分析19

6.1 实验前的注意项19

6.2 误差分析及改进措施19

七.结论21

参考文献 22

致谢22

基于单片机的超声波接近开关的设计

戎君楠

,China

Abstract: Using the principle of ultrasonic correlation, a design scheme of ultrasonic proximity switch based on STC89C52 is proposed. The hardware part adopts STC89C52 single chip microcomputer as the controller, mainly has ultrasonic transmission circuit, ultrasonic receiving circuit, temperature detection circuit and alarm circuit. This design is the use of STC89C52 single-chip and ultrasonic sensors to complete the range of alarm system production. STC89C52 mainly to use the ultrasonic detection of the object distance to detect the distance of the front object, sent to the microcontroller processing operations, and set the alarm distance value comparison, when the distance is less than the set value, the system issued a command to control the buzzer Call the police.On the basis of introducing the functions of each system, this paper demonstrates the design of the system, and gives the results and error analysis at the end.

Key words: Single chip; ultrasonic; proximity switch;

一.绪论

1.1超生波检测的意义

超声波检测技术的应用十分广泛，目前它已经成功应用在测距，测厚，测深，医疗，超声波洗涤等方面。因为利用超声波可以不用接触被测物，在对有毒物体和强腐蚀性物体的监管方面有优势。例外，使用超声波类的仪器对比其他类型的仪器对环境的要求没有那么苛刻，可在高温、高粉尘、高湿度和强电磁干扰下工作。同时，因为声波在气体中的运动速度与温度有关系，所以周围的温度的差异不能太大，即系统的有效应用范围并不广泛。

1.2研究背景

随着社会的发展，传统的监控方法在很多情况下已无法满足人们的需求，特别是像煤矿，水位等特殊性质的监控，不会让人全天蹲守着。在此背景下便产生了无人监控的报警系统。超声波类型的监控接近开关方式具有测量速度快、准确可靠，结构简单、成本低廉等优点，在小范围内的检测要求中得到了广泛的应用。当所监测范围内有变化时，开关就能自动迅速发出相应指令，能够精准显示运动物体的位置。在一般监控应用上，它的检测精准性，操作的简易性能，使用时间长等特点，比其他类型的开关更适合。

1.3研究现状

目前，伴随着人类社会的快速发展，各类新兴产业应运而生,对社会的进步和发展起了巨大的推动，与超声波有关的技术早出现在生活的各个角落。当前市场上的接近开关种类繁多，除了超声波外，还有磁感应接近开关，电容式接近开关，红外线接近开关。与超声波开关相比，他们虽然都能够识别移动中的物体，但当物体静止一段时间后，无法判断物体是否还在，而只要有物体存在附近，超声波就可以准确的判断物体的具体位置和状态，这一优势是其他原理所无可比拟的。

1.4设计任务主要要求

（1）设计一个以单片机为核心的接近开关，可以在各类无人场地和重要场所起到监控作用。

（2）工作的范围大致为0.5m-4m，误差范围控制在1cm内 。

（3）系统工作时，能够清晰反应监控范围的细小变化。

（4）开关在接收到信号3秒内启动。

二. 超声波应用的原理

2.1超声波的介绍

2.1.1 超声波的分类

声波的频率只要超过20kHz就被称为超声波，按照超声波的传播方式可分为三种：横波，纵波和表面波。横波指质点的振动方向与声波的传播方向互相垂直的波；纵波指质点振动方向与声波的传播方向平行的波；当质点在进行横向振动的同时又可以进行纵向振动的话，两种振动复合产生声波叫做表面波。因为横波的应用范围有限，表面波随着传播距离的增加能量会大大衰减，而纵波可以在任意介质内传播。综上所述，为了更准确获得相应的数据，多数情况都选用纵波。

2.1.2 超声波的物理性质

2.1.2.1 超声波的反射和折射

当超声波在某一种介质里传播到别的介质中时，若两种介质的物理特性完全不同，那么在两介质的分界面，有一部分声波会以与入射角度相同的方向反射回去；余下部分的声波会穿过分界的表面，在另一物质继续传播。这两种情况分别被称为声波的反射和折射现象。当声波从原本传播的介质(声阻抗)向别的一种介质(声阻抗)扩散时，由于在两种不同密度的物质中传播时，声速的速率也不同，因此在两者表面上一定会产生反射和折射现象。反射系数是反弹的强度与入射的强度的比值，反射系数R的大小为

(2.1.1)

当声波信号是垂直方向入射时，上述公式就化为

(2.1.2)

当两介质的声阻抗相差悬殊时， R约等于1，即声波全部反射。

2.1.2.1超声波的衰减

超声波在某一介质里传播时，声波能量会因为被吸收导致信号强度减小。信号在介质传播时，其衰减程度由大到小分别为：气体，液体，固体。另外，信号的被吸收的程度还和信号本身特有的频率有关，越高频率的信号它的衰减程度就越厉害。所以高频率的声波（超声波）的衰减很明显，但是，频率越高更利于信号的接收。所以实际使用中，较典型的频率是40kHz，波长为0.85cm。

2.1.2.2超声波的干涉

如果有多个信号源发出频率和振动方向相同的声波时，发出的信号互相影响，交错互重，这种现象叫做干涉。由于上述现象的影响，发出的超声波信号会一直增强，大于标准的发射信号频率。

2.2 超声波检测系统原理

2.2.1 超声波传感器

超声波传感器是一种将各类形式的能量与一定频率的超声波能量两者之间相互转化的元件。大致上说，这类传感器可以分为两种：第一种是用电气方式发射超声波，第二种是用机械振动的方式。而这次设计所选用的发生方式是压电式发生器，属于电声类。

压电传感器主要部分是压电晶片和探头。探头由楔块、接头、压电晶片等器件组成，探头是超声检测中最普遍的互相转化电声能的一种传感元件，对超声类装置的发射和接收部分有很大作用。压电晶体依据不同材料可划分为晶体还有压电陶瓷两种类。它们都具有以下特性：将其放在电场中就会产生应变；反之，若对它们施加压力，其内部会有一定方向的电场。可利用该特性，对此类材料加上交变电场，就会发生振动产生超声波。

压电晶片是系统传感器构成的核心部分，它既可作为声波发射部分，又可以作为声波的接收部分。压电晶片收到发射指令传送来的电信号它就会发生振动，被称为逆电压效应，可用于超声波的发射。当晶片接收到返回的超声波信号时，会发生谐振使晶片形变从而产生电流信号，此类现状被称为正压电效应，可用于超声波的接收。陶瓷材料的双压电晶片是最常用的。此类传感器的优点就是所需压电材料较少，低廉的价格，在气体和液体类物质中的工作能力强。给压电陶瓷通上不停变化大小和方向的交流电压时，压电陶瓷晶片会因为谐振从而产生变形，而这种变形的幅度和变化的方向必定与所加上的电压有关。换句话来讲，给压电陶瓷晶片通具有一定频率的交变电，晶片会发出相同频率的振动，这种机械振动与空气发生谐振作用，超声波就会产生。超声波传感器结构如下：

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