基于单片机超声波测距仪
前言
随着我国科学技术的迅速发展，许多场合都需要测距仪器的应用，如汽车倒车，建筑工地的施工以及一些工业现场的位置监控，还有矿井深度、水位位置、管道长度等场合都需要用到测距仪器。要求仪器简单，方便，易操作控制，而超声波测距仪，就能实现以上的要求。它测量范围在0.10-1.20m，测量精度1cm，测量时仪器与被测物体不会直接接触，而且能够清晰稳定的在液晶显示屏上显示出测量结果。
但就目前整体的技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限。因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来数十年，超声波测距仪作为一种新型的非常重要且有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
本设计采用以AT89C51单片机为控制器核心的高精度、低成本、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、中断程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
1总体方案设计介绍
所谓的超声波就是指频率高于20MHZ的机械波。既然是以超声波为检测工具，那么肯定要产生超声波和接受超声波的工具，这就需要用到我们的传感器，俗称探头。它有发射器和接收器之分，主要原理就是利用电效应把电能和超声波相互转换，利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。
本文所研究的超声波测距仪利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、中长距的高精度测距等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，将电能转换，发射超声波，同时在发射的时候单片机就开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波回波时，将超生振动转换成电信号，同时单片机停止计时。超声波测距原理一般采用渡越时间法TOF，设超声波在空气中的传播速度为C，从发射到遇到障碍物反射回来在空气中的传播时间为T，声源与障碍物的距离为L，则易知L=C*T/2，这样可以测出声源与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上稳定的显示出来[1]。
传感器的工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声
随所加电压的变化规律而变化的机械形变，这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围内，这种机械波就是超声波[1]。
根据设计要求并综合各方面因素考虑，本文决定采用AT89C52单片机作为主控制器，超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。超声波测距仪的系统硬件原理框图如图1-1所示。
图1-1超声波测距系统硬件原理框图
超声波在标准空气中的传播速度为331.45M/秒，由单片机驱动产生12MHZ晶振，所以此系统理论上可以达到毫M级。由发射器发送超声波出去，在遇到障碍物反射回来时的回波由接收器检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入AT89C52单片机进行计算，并将计算结果显示到LED液晶显示屏上。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。本文属于近距离测量，适合汽车的倒车雷达，故可采用常用的压电式超声波换能器[2]。
2.1超声波测距仪的主要功能概述[3]：
★实时稳定显示当前测量距离；
★实时稳定显示当前测量温度；
★具有近距离和远距离两种测量模式；
★能够实时报警功能；
★具有开机系统自检功能；
★耗电量低；
★可靠性高；
★高灵敏度和高声压
2.2超声波测距仪的主要技术指标
测量距离：0.20m-1.3m
测温范围：-10℃～115℃
测量距离精度：1cm
实时功率：0.05W
标准频率：40kHz
声压级：120±3<公式：S.P.L.= 20logP/Pre (dB>）
系统发射功率：1mW(max>
工作电流：80mA(min>、90mA(max>
输入电源电压：5V
3系统设计原理[4]
超声波测距其实有很多的方法，包括声波幅值检测法、相位检测法、以及往返时间检测法等等，声波幅值检测法容易受到反射波损耗的映像，相位检测法虽然精度高，但是检测范围有限，所以本系统采用往返时间检测法，其原理就是利用超声波在空气介质中的传播速度，测量声波从发射到遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离，进而达到测距的效果。
测距的公式表示为：L=C*T/2 (3-
1>
式中L为被测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收之间时间数值的两倍>。要想利用超声波准确的测得发射点与障碍物之间的实际距离，那么就应该准确的测得超声波在空气介质中得实际传播速
气压力的影响非常小，但是受温度的影响确实非常大的，例如在摄氏0度时其传播速度为331.45m/s，在摄氏20度时其传播速度为343.869m/s，在摄氏30度时其传播速度为349.176m/s，具体参考表1。故要考虑到温度给实际测量带来的影响，尽量使测距准确性大大提高，本方案中采用测量温度的方法来补偿声速，即用测温元件测量实际环境的温度来校正声速，这就是温度补偿法。其中超声波在空气中的传播速度和温度有如下的关系：
V=331.4+0.607T m/s T－℃ (3-2>其中V为超声波在该温度下的实际传播速度<单位为 m/s），T为摄氏温度。当温度知道的情况下，通过该式就可以知道该温度下超声波的传播速度了。
表1 不同温度下的超声波传输速度
4 超声波测距系统的硬件组成
4.1控制芯片的选择[5]
一般情况下采用AT89C51单片机，但是他的资源有限，只有4K的程序存储空间和两个定时器，而它的兄弟模块AT89C52单片机兼容MCS51指令系统，内部集成了8K 的可反复擦写的程序存储空间 AT89C52支持串口程序下载，具有操作简便、价格便宜、应用简单等许多优点。因此我们选用这一型号的单片机作为控制器实现对超声波模组进行控制，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，占空比50%，连续发10个波<3-15个波都可以），然后拉低<或拉高）50mS以上，接着再输出，如此循环。利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差，是后面计算的基础。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。控制电路如图4.1-1所示。 图4.1-1 超声波控制电路 4.2超声波发射电路[6] MAX232是美国MAXIM公司专为串口路通信设计的芯片，它能将TTL电平和RS232电平相互转换，具有功耗低，只需要单一 +5V电源供电，供电电流5mA；内部集成2个RS-232C驱动器，高集成度，片外最低只需4个电容即可工作，所以这里超声波发射电路采用基于MAX232的方波发射电路。电路前级主要由一块反向器芯片74LS04和超声波发射探头T构成，74LS04内部具有6个独立的反相器，通过将外部管脚的组合连接来实现对单片机发出的超声发射探头激励信号进行功率放大处理；单片机P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，占空比为50%的方波信号，一路通过74LS04内部一级反向器后送到超声波发射探头T的一个电极，另一路经两极反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号反相叠加到超声波换能器的两端，可以将超声波发射强度提高一倍。同时输出端两路信号都采用两个反向器并联得方式，这样可以提高超声脉冲的驱动能力。上拉电阻R10、R11一端接上正5V 电源，另一端连接超声波发射探头T的一极，一方面可以提高反向器74LS04输出高电 探头T的自身阻尼效果，缩短其自由振荡的时间得到更加完整的超声脉冲波形，这样驱动MAX232实现从TTL电平到RS232电平的转换，具体电平转换图4.2-1所示[10] 图4.2-1 MAX232电平转换图 图4.2-2 基于MAX232的超声波发射电路 因为发射到换能器的电压高，波形比较完整，因此可以达到很高的发射功率与效率，可以测量到比较远的距离，同时用这个电路发射方波，电路工作稳定，适合单电源供电，功耗也非常小。所以我们采用这个方案作为发射电路。电路图如图 4.2-2所示。 4.3超声波接收电路[7] 超声波接收电路所用的芯片，我们采用SONY公司生产的红外接收专用芯片CX20186A<内部结构如图4.3-1所示），它采用集成接收芯片对超声波回波信号进行放大和整形，因为红外线的载波频率和测距超声波频率40MKz非常接近，且具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，可以利用它作为超声波接收电路。外围电路简单易于实现，同时减少了生产调试的麻烦，因此我采用这个接收方案。 图4.3-1 CX20186内部结构 当超声波接收头收到发射信号时，便通过CX20186进行前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波和比较、积分及施密特触发比较得到解调处理后的信号。7脚为信号输出口，没收到信号时为高电平，收到后变为低电平，之后又恢复高电平。 图4.3-2 信号图 CX20186A内部集成了前置放大与限幅放大，总增益可达80dB，带通滤波电路，峰值检波，噪声抑制电路，自动增益控制电路和波形整形电路。芯片CX20186A的2引脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值便能改变芯片内部前置放大器的增益和频率特性，调整外部电阻R6可以的调整它的接收中心频率与增益，当R6阻值越大时，滤波器的中心频率越低。当取R6=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R6=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。增大电阻R或是通过调整外部的电容C2，都将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。这样便可以调节超声波接收探头R的接收灵敏度。但电容C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，直接使用推荐的参数值R=4.7Ω，C=3.3μF。它工作稳定，灵敏度高，功耗小，接收回波能力强，所以我采用这个方案作为接收电路。超声波接收电路如图4.3-3所示。 图4.3-3基于CX20186A的超声波接收电路 4.4温度检测模块[8] 检测模块采用DALLAS 公司生产的1－Wire，即以数字温度传感器DS18B20为核心，是单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。如果用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线上，外部可以挂很多这样的数字温度计，并实现双向通讯。 4.4.1数字温度传感器DS18B20的特点 ★数字温度传感器DS18B20具有很多特点，轻松准确实现测温。 ★只要求一个I/O 口即可实现多个信号同线传输，。 ★适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电，零功耗。 ★简单网络化温度感知，可测量温度范围在－55 到＋125摄氏度间，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 ★数字温度计的分辨率用户可以从9 位到12 位选择，对应的可分辨温度分别为 0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。 ★内部有温度上、下限告警设置。 4.4.2 DS18B20的引脚功能 数字温度传感器DS18B20详细引脚功能描述如下。 ★GND 地信号。 ★I/Q数据输入出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用在寄生电源下，也可以向器件提供电源。 ★VDD可选择的VDD 引脚。当依靠寄生电源时，此引脚必须接地，否则将被烧毁。 ★因为DS18B20 采用的是1－Wire 总线协议方式，即在一根数据线上实现数据的双向传输通信，而对AT89C52 单片机来说，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。因为DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。 图4.4.2-1 DS18B20温度检测电路 本系统用外部寄生电源连接数据线的供电方式,即2脚接一个4.7K的上拉电阻到VCC，DS18B20的1脚GND和3脚分别接地和VCC电源，这样有有一个方便之处就是检测温度的范围将增大。温度检测电路如图4.4.2-1所示。 4.5显示电路 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。因为LCD1602模块独有的蓝色背光电路可以在环境光线较弱的条件下应用，画面显示清晰，价格便宜，颜色靓丽的特点，是很好的显示设备。同时，还能够根据情况来调节显示的亮度。因为本系统可以不用显示汉字， 4.5.1LCD1602引脚功能说明 表4.5.1-1 LCD1602引脚功能 4.5.2LCD1602主要技术参数 LCD液晶显示电路采用LCD1602液晶显示模块，它的显示容量为2×16个字符，最佳工作电压为5V，工作电流2mA，通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来，字符尺寸为2.95×4.35(W×H>mm，完全可以满足我们的设计要求。 4.5.3LCD1602的一般初始化过程 延时15mS 写指令38H<不检测忙信号） 延时5mS 写指令38H<不检测忙信号） 延时5mS 写指令38H<不检测忙信号） 以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号 写指令38H：显示模式设置 写指令08H：显示关闭 写指令01H：显示清屏 写指令06H：显示光标移动设置 写指令0CH：显示开及光标设置 4.5.4液晶显示模块 LCD1602液晶显示模块如下图4.5.3-1所示。 图4.5.2-1 LCD1602液晶显示模 5软件设计 5.1 主程序 超声波测距仪的软件设计主要由主程序，中断服务子程序组成。主程序包括超声波温度补偿子程序，计算子程序，显示子程序。中断服务子程序主要完成计数值的读取、距离计算等工作。 主程序主要是开始要对系统初始化，第一是设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口P0和P2清0；第二是调用超声波发生子程序循环发送4个40MKz的超声波脉冲，并开始计时。为了避免超声波从发射器直接传到接收器引起的直射波，需要延时约0.1ms后才可打开外中断0接收返回的超声波信号。第三是第三读取外界环境的温度，由该温度确定环境中的超声波传输速度。第四等待中断，若超声波被接收探头捕捉到，那么通过中断可测得超声波在环境中的传播时长。因为采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数<即超声波来回所用的时间）按测距公式计算，即可得被测物体与测距器之间的实际距离[9]。主程序流程图如图5.1-1所示。 图5.1-1 主程序流程 5.2超声波接受和发射子程序[10] 超声波发生子程序包括定时中断服务子程序<如图5.3-1所示）和外部中断服务子程序<如图5.3-2所示）。 图5.3-1 定时中断服务子程序 图5.3-2 外部中断服务子程序 它们的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号 断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。 6 系统测试 6.1 调试 超声波测距器的制作和调试都较为简单，其中超声波发射和接收采用?15的超声波换能器TCT40—10F1 硬件电路制作完成并调整好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况，可以修改超声波子程序每次发送的脉冲个数和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。 6.2 性能分析 虽然结果和预想的有很大的差距，但总体来说已经基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到5到7M左右，而我们所能实现的最大距离只有3M，造成这种原因我想有以下几点： ★因为我们采用的是11.0592MHZ的晶振，理论上是按照12MHZ的晶振计算的，所以对系统造成了一定的误差。 ★因为温度传感器DS18B20距离单片机较近，所采集到的温度严重受到单片机的影响，造成系统误差 6.3 超声波测距注意问题及改善方法 ★超声波在空气中传播经过多条相隔很近的路径多次来回影响，解决方法有两个：第一是超声波发射间隔时间增长；第二就是超声波发射模块做小，同时探头T与R 平行于电路板，减小其来回反射路径。 ★提高超声波发射功率，可以增加测量距离，可以采用变压器实现升压。 ★超声波发射头和接收头因为靠的很近，容易受到发射的干扰，应该尽量避免余波的干扰。从图13中可以看到，当发射超声波脉冲时，几乎在同一时刻收到了。解决方法：一个是增加T/R之间的安装距离，第二就是软件解决，在发射完后，延长一段时间再开启检测超声波发射的信号。这就是超声波存在最小测量距离的主要原因。 ★避免手接触超声波电路板，容易产生干扰。 ★提高电源的稳定性。 ★实际测距范围与被测物表面材料有关，一般不要测量表面为毛料的物体表面。 图11 发射波和反射波示意图7总结 在本论文的制作过程中，我发现我在此只考虑了环境温度对超声波速度的影响，如果能将其它环境因素<如：气压、湿度等）考虑进去和采用更精密的温度传感器，在测量精度可以有很大的提高，误差可以越接近于“0”。因为超声波的发射功率有限，在最大测量范围指标上尚未达到要求，这可以通过加大发射功率得到解决。不过经设计后的超声波测距仪仍然具有使用方便、操作简单、读数直观、精度高、成本低、性价比高、具有系统诊断功能等特点。既可随身携带，又可远程控制，人机界面友好，应用范围广。如可用在精度需要比较高的场合：自动气象站中水气日蒸发量的测试，水位或液面测量。也可用于安防系统中，如：汽车“雷达”。还可配合PC或GSM无线模块应用于无线远距离环境测量系统，实现远距离的操控以及数据的远距离传输。 经过本论文的设计制作，我学会了很多东西，更加坚定了认真严谨的工作态度。虽然我遇到各种各样的困难，但我没有放弃，我查阅网上和图书馆资料，请教老师相关问题，最终凭着严谨认真的科研态度，创新求实的科学精神，克服了这种种困难。同时，多得各位老师和同学的耐心分析和指导，尤其是杨梅老师给予了我很大的帮助！为此，我们要向我的指导老师杨梅老师表示由衷的感谢，在她的耐心帮助下，我终于顺利地完成我们的这次设计制作！ 附录一：超声波测距系统原理图 附录二：超声波测距PCB图 附录三：超声波测距主程序#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit d8=P2^7。 sbit d1=P2^0。 sbit d2=P2^2。 sbit d3=P2^4。 sbit ds=P1^4。 //define ds18b20 sbit lcden=P1^0。 sbit lcdrs=P1^2。 uchar table[]="TMP:"。 uchar table1[]="distance:"。 uchar table2[]="0123456789.`CM"。 double TT。 float S6。 uint temp,temp1,time,V,S。 uint S5[3],temp2[3]。 uchar A1,A2,A3,S1,S2,S3,S4,timeh,timel,flag。/************延时**********/ void delay(uint z> { uint x,y。 for(x=z。x>0。x--> for(y=110。y>0。y-->。 } /*********初始化DSB18B20********/ void dsreset(> { uint i。 ds=0。 i=103。 while(i>0> i--。 ds=1。 i=4。 while(i>0> i--。 } /**********read a bit******/ bit tmpreadbit(> { uint i。 bit dat。 ds=0。 i++。 ds=1。 i++。i++。 dat=ds。 i=8。 while(i>0> i--。 return(dat>。 } /*********read a byte********/ uchar tmpread(> { for(i=1。i<=8。i++> { j=tmpreadbit(>。 dat=(j<<7>|(dat>>1>。 } return(dat>。 } /********** write a byte *********/ void tmpwritebyte(uchar dat> { uint i。 uchar j。 bit testb。 for(j=1。j<=8。j++> { testb=dat&0x01。 dat=dat>>1。 if(testb> { ds=0。 i++。i++。 ds=1。 i=8。 while(i>0> i--。 } else { ds=0。 i=8。 while(i>0> i--。 ds=1。 i++。 i++。 } } } /********** temchange 温度转换命令******/ void tmpchange(> { dsreset(>。 delay(1>。 tmpwritebyte(0xcc>。 tmpwritebyte(0x44>。 } /*******get tmp******/ uint gettmp(> 毕业论文开题报告 电子信息工程 基于51单片机超声波测距仪设计 一、课题研究意义及现状 随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求。例如在井深、液位、管道长度测量等场合。传统的测距方法根本无法完成测量任务。还有在很多要求实时测距的情况下。传统的测距方法也不能很好地完成测量任务。于是一种新的测距方法——超声波测距应运而生。超声波测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。超声测距是一种非接触式的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等影响。超声波传感器结构简单、体积小、信号处理可靠，所以检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。在移动机器人、汽车安全、海洋测量等上得到了广泛的应用。因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。 随着科学技术的快速发展，超声波测距仪的应用将会越来越广，这是一个蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。未来的超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展，死角问题也能得到解决。超声波测距仪将其通过51单片机来实现,成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠，非常适合于短距离测量定位。51单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用它的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统，有很大的市场开发潜力。 二、课题研究的主要内容和预期目标 本课题主要设计一种基于单片机的超声测距系统。该系统以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。课题主要内容包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括单片机系统，超声波发射电路、超声波检测接收电路、数码管显示电路等。软件部分拟采用单片机C语言编程，便于维护和修改，主要是利用中断完成信号发射和接受中间所耗时间的计算，并进行相关的数据处理以得到准确的距离。本课题要求测量精确、可靠、显示正确。 三、课题研究的方法及措施 先通过上网、图书馆等各种途径，搜索与本课题相关的资料进行大量的阅读，从而从整体上对这个课题进行认识。然后根据查阅的资料作出总体方案的设计框图以及确定本设计的实现方法。本设计总体框图如下： 题目：超声波测距仪的设计 超声波测距仪的设计 一、设计目的： 以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。 通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。 二、设计要求： 设计一个超声波测距仪。要求： 1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离； 2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。 三、设计器材： STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块 SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管（4） 按键（1） 电容（30PF2，10UF1） 排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子， 导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。 四、设计原理及设计方案： （一）超声波测距原理 超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C 式中 L——要测的距离 T——发射波和反射波之间的时间间隔 C——超声波在空气中的声速，常温下取为344m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。 根据本次设计所要求的测量距离的围及测量精度，我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了，硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路，软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时，只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。 当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值，此值就为此次测距的时间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。 （二）超声波测距模块HC-SR04简要介绍 HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述： 1. 主要技术参数： ①使用电压：DC5V ②静态电流：小于2mA ③电平输出：高5V 超声波测距仪电路设计实验报告 轮机系楼宇071 周钰泉2007212117 实验目的：了解超声波测距仪的原理，掌握焊接方法，掌握电路串接方法，熟悉电路元件。 实验设备及器材：电烙铁，锡线，电路元件 实验步骤：1,学习keil软件编写程序2、焊接电路板3、运行调试 超声波测距程序： #include unsigned char i; sbit ST=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^4; sbit CLK=P3^5; sbit M1=P3^6; sbit M2=P3^7; sbit SPK=P2^6; sbit LA=P3^3; sbit LB=P3^2; sbit LC=P2^7; sbit K1=P2^4; sbit K2=P2^5; bit wd; bit yw; bit shuid; bit shuig; unsigned int cnta; unsigned int cntb; bit alarmflag; void delay10ms(void) { unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); } void main(void) { M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) { if(K1==0) { delay10ms(); if(K1==0) { yw=1; wd=0; } } else if(K2==0) { delay10ms(); if(K2==0) { wd=1; yw=0; } } else if(LC==1) { delay10ms(); if(LC==1) { M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; } } else if((LC==0) && (LB==1)) { delay10ms(); if((LC==0) && (LB==1)) { M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; } 微机原理与单片机系统课程设计 业：专轨道交通信号与控制 级：班1305 交控 姓名：贺云鹏 学号： 201310104 指导教师：建国 交通大学自动化与电气工程学院 30 日 12 2015 年月 超声波测距仪设计设计说明1 设计目的1.1 测量声波在发超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍射后遇到障碍物反射回来的时间，物的实际距离。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。 超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。 1.2 设计方法 本课题包括数据测距模块、显示模块。测距模块包括一个HC-SR04超声波测距模块和一片AT89C51单片机，该设计选用HC-SR04超声波测距模块，通过单片机对超声波进行计时并根据超AT89C51发射和接受超声波，使用HC-SR04．声波在空气中速度为340米每秒的特性计算出距离。显示模块包括一个4位共阳极LED数码管和AT89C51单片机，由AT89C51单片机控制数码管动态显示距离。 1.3 设计要求 采用单片机为核心部件，选用超声波模组，实现对距离的测量，测量距离能够通过显示输出(LED，LCD)。 2 设计方案及原理 2.1超声波测距模块设计 自动化技术综合实训报告 实训题目： 院 专 班 姓 学 指导教师： 实训地点： 开课时间： 序号 评价内容 分数 序 号 评价内容 分数 1 出勤（10 分） 3 实训任务完成情况（50 分） 2 课题难度分值（10 分） 4 实训总结报告（30 分） 实训总成绩： 94 分 学生姓名： 魏*星 实训评分 指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 目录 第 1章绪论 1.1实训的目和要求 1.2实训课题设计功能描述……………………………………………………… 1.3应解决的问题………………………………………………………………第 2章整体设计方案 2.1设计原理 2.2整体系统设计………………………………………………………………第 3章硬件电路设计 3.1电路原理图 3.2元件清单…………………………………………………………………… 3.3重要电路介绍 3.3.1复位与晶振电路…………………………………………………… 3.3.2超声波发射电路…………………………………………………… 3.3.3超声波接收检测电路……………………………………………… 3.3.4显示电路 第 4章软件设计 4.1系统软件设计 4.2程序流程图 4.3程序设计与调试 第 5章制板焊接调试 5.1仿真结果与 PCB图 5.2焊制电路板、实物运行调试 5.3误差分析与校正讨论 总结与体会 谢词 参考文献 附录 第1章绪论 1.1实训的目的和要求 生产实训是自动化专业本科生在校期间必须进行的主要实践环节之一，是培养学生工程实践能力、提高学生工程素质的一个重要组成部分。作为一名工科学生，将来从事自动化及相关工作，为了让我们能尽早的认识社会实践，了解工业生产，提高自己的动手意识，强化个人素质，增强理论联系实际的观念，学校给我们安排了为期两周的专业实训，让我们学到的理论知识和实践联系到一起，为我们以后的走向社会打下一个坚实的基础。 这次实训的主要目的是让大家进一步了解 AT89 系列单片机的引脚、功能，晶振电路、显示电路和信号输入输出电路的设计，熟悉使用 keil 软件和用汇编语言编程完成各种处理和控制，同时学习使用软件对电路进行设计，对项目进行仿真、调试，以及 PCB 板的制作等，最主要的是了解一个小型项目的研发过程，从项目的提出到项目实现需要怎样一步步来完成，项目完成事应该大概掌握以上要求。 1.2实训课题设计功能描述 我们小组选择的课题是基于 AT89C51 单片机的超声波测距仪设计。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远，因而超声波被广泛用于距离的测量。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，测量时与被测物体无直接接触的特点，使得其具有很大的使用价值。 我们最熟悉的超声波测距的应用是声纳系统，是超声波测距在军事上的终极使用，研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。 除了军事，日常生活和工业上也广泛应用，如：倒车雷达，建筑施工工地以及一些工业现场在液位测量、井深测量、管道长度测量等场合的使用。 1.3设计研究的要求及主要内容应解决的问题 本项目需要通过学习和查阅资料，了解和掌握如下知识： 1. +5V电源原理及设计 2.单片机复位电路工作原理及设计 3.单片机晶振电路工作原理及设计 4.七段 LED显示原理及设计 5.超声波传感器的应用及设计 6.电路的接线 7.AAT89C51单片机的引脚 8.单片机汇编语言及设计 单片机课程设计 一、需求分析： 超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量围在１m，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，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。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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，起到智能操作，实时监控的作用。 关键词单片机AT82S51 超声波传感器测量距离 二、硬件设计方案 设计思路 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为340米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图所示： 超声波测距器系统设计框图 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 基于单片机的超声波测距系统实验报告 一、实验目的 1.了解超声波测距原理； 2.根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路； 3.对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用 超声波方法测量物体间的距离； 4.以数字的形式显示所测量的距离； 5.用蜂鸣器和发光二极管实现报警功能。 二、实验容 1.认真研究有关理论知识并大量查阅相关资料，确定系统的总体设计方案，设计出系 统框图； 2.决定各项参数所需要的硬件设施，完成电路的理论分析和电路模型构造。 3.对各单元模块进行调试与验证； 4.对单元模块进行整合，整体调试； 5.完成原理图设计和硬件制作； 6.编写程序和整体调试电路； 7.写出实验报告并交于老师验收。 三、实验原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理，单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号,经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入,锁相环对此信号锁定,产生锁定信号启动单片机中断程序,得出时间t,再由系统软件对其进行计算、判别后,相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。 （一）超声波模块原理： 超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 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。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。实物如下图1。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。 摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。 经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。 关键词AT89C51；超声波；测距 Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring,building construction site and some industrial scenes extensively. This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision. Key words AT89C51; Ultrasonic Wave; Measure Distance 10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪，可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米，测量精度1cm，测量时与被测物体不接触，并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1．单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波换能器所需的40Hz方波信号，利用外中断0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳极LED数码管，段码用74LS244驱动，位用PNP8550驱动。 2．超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3．超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片，可利用它做接收电路。 4．系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序： 开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化，设置T0为方式1，EA=1，P0，P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器，需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz，计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s，则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序：通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号，脉宽12us，同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波，一旦接收到返回的信号，立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波 基于单片机的超声波测距仪设计 基于单片机的超声波测距仪设计 1总体设计方案介绍 1.1超声波测距原理 发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v 与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 表1-1 超声波波速与温度的关系表 表1-1 1.2超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED 显示。 图1-1 超声波测距仪原理框图 2 系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 2.1.1 51系列单片机的功能特点 5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：IP0， 基于51单片机超声波测距仪 基于51单片机的超声波测距仪设计 摘要 利用超声波进行测距有许多优点比如不受光强度、色彩和电磁场等外界因素的影响，而且超声波传感器的价位较低、结构也较为简单，超声波以声速传播，方便收发与计算。在汽车倒车雷达、移动机器人的避障、特别是测量距离等许多方面都已有了非常普遍的应用。 本次毕业设计的超声波测距仪是在STC89C51单片机的基础上设计的，在分析和了解了超声波的一些优点和特性后，又查看了利用超声波测距的基本原理。最后决定使用51单片机系统和超声波传感器共同组成。设计的超声波测距仪的硬件部分主要包括电源及复位模块、单片机与超声波模块组成的超声波发射模块、超声波接收模块、LED数码显示模块和扩展报警模块。软件部分主要包括单片机主程序、根据超声波发射与接收计算距离程序、LED距离显示程序、按键控制程序和蜂鸣器报警程序，这样安排使得系统具有模块化的特点。系统容易进行控制，具有可靠地的性能，具有较高的测量精度，最重要的是能对距离进行实时测量。 关键词：单片机，测距仪，超声波，实时测量 Design of Ultrasonic Distance Meter Based on 51 MCM ABSTRACT Using ultrasonic ranging has many advantages for example, from the effects of light intensity, color and electromagnetic field and other external factors and price lower ultrasonic sensors, the structure is simple, ultrasonic sounds velocity, convenient transceiver and calculation. In the car reverse radar, mobile robot obstacle avoidance, especially measuring distance and many other aspects have been very common application. The graduation design of ultrasonic range finder based on STC89C51 MCU design, analysis and understanding of the some advantages and characteristics of ultrasonic and looked at the use of the basic principle of ultrasonic distance measurement. Finally, the composition of the 51 single-chip microcomputer system and ultrasonic sensor is decided.. The design of ultrasonic rangefinder hardware part consists of the power and reset module, SCM and ultrasonic module consists of ultrasonic emission module, ultrasonic receiving module, LED digital display expansion module and alarm module. Software part mainly includes MCU program, according to the ultrasonic transmitting and receiving computing program distance, the distance of LED display program, key control procedures and buzzer alarm procedures, this arrangement enables the system to have the characteristics of modular. The system is easy to control and has the reliable performance, and has the higher accuracy, and the most important is the real-time measurement of the distance. KEY WORDS: Single chip microcomputer，Range finder，Ultrasonic，Real-time measurement 《微机原理及应用》课程设计 超声波测距器的设计 学生姓名郝强 学号20110611113 学院名称机电工程学院 专业名称机械电子工程 指导教师王前 2013年12月27日 摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。 关键词：超声波；传感器；测量距离；控制 目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.设计目的 (4) 2.总体方案 (4) 3.硬件设计 (5) 3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5) 3.2.1单片机芯片的选择 (6) 3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6) 3.3超声波发射电路设计 (6) 3.3.1选择超声波发生器类型 (6) 3.3.2 超声波发射电路设计 (7) 3.4超声波接收电路设计 (8) 3.5超声波显示电路设计 (9) 4.软件设计 (9) 4.1波测距器的算法设计 (10) 4.2系统的主控制程序设计 (11) 4.3发生子程序设计 (12) 4.4接收中断程序设计 (13) 4.5显示程序设计 (14) 4.6距离计算程序 (15) 5.结论 (17) 参考文献 (18) 超声波测距仪的设计 摘要：电子测距仪要求测量范围在0.10～5.00m，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，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。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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 该测距仪采用NE555电路、两级放大电路和电平比较电路实现了超声波的发射与接收。单片机为该测距仪的核心单元，实现发射电路的控制和接收数据的处理。本系统在10～200cm的距离内测量精度可达±0.5cm，并且易于调试，成本低廉，具有很强的实用价值和良好的市场前景。 关键字：超声波传感器，测距仪，PIC16F876A Abstract：Ultrasonic Ranging, can be used in car reversing, the construction site and the location of some industrial site monitoring, can also be used if the level, depth and length of the pipeline, such as measurement occasions. Measurement of the requirements in the 0.10-5.00 m, precision 1 cm, with the measurement of detected objects without direct contact, being able to clearly show stable measurement results. Because of the strong point of ultrasonic energy consumption slow, medium of communication in the longer distance, thus frequently used ultrasonic distance measurement, such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by ultrasound. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient and simple terms, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry, in the mobile robot has been developed on a wide range of applications. 超声波测距仪的设计实现 摘要 该超声测距系统采用芯片STC89C52作为系统的主控制器，利用NE555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 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 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： 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系列，各个系列又有不同 基于51单片机的超声波测距系统 贾源 完成日期：2011年2月22日 目录 一、设计任务和性能指标 (3) 1.1设计任务 (3) 1.2性能指标 (3) 二、超声波测距原理概述 (4) 2.1超声波传感器 (5) 2.1.1超声波发生器 (5) 2.1.2压电式超声波发生器原理 (5) 2.1.3单片机超声波测距系统构成 (5) 三、设计方案 (6) 3.1AT89C2051单片机 (7) 3.2超声波测距系统构成 (8) 3.2.1超声波测距单片机系统 (9) 图3-1：超声波测距单片机系统 (9) 3.2.2超声波发射、接收电路 (9) 图3-1：超声波测距发送接收单元 (10) 3.2.3显示电路 (10) 四.系统软件设计 (11) 4.1主程序设计 (11) 4.2超声波测距子程序 (12) 4.3超声波测距程序流程图 (13) 4.4超声波测距程子序流程图 (14) 五.调试及性能分析 (14) 5.1调试步骤 (14) 5.2性能分析 (15) 六.心得体会 (15) 参考文献 (16) 附录一超声波测系统原理图 (18) 附录二超声波测系统原理图安装图 (19) 附录三超声波测系统原理图PCB图 (20) 附录四超声波测系统原理图C语言原程序 (21) 参考文献 (26) 一、设计任务和性能指标 1.1设计任务 利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个超声波测距仪器，用LED数码管把测距仪距测出的距离显示出来。 要求用Protel 画出系统的电路原理图，印刷电路板，绘出程序流程图，并给出程序清单。 1.2性能指标 距离显示：用三位LED数码管进行显示（单位是CM）。 测距范围：25CM到 250CM之间。误差：1%。 超声波测距 (程序原理图安装图) 概述 超声波测距学习板，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量范围在0.27~4.00m，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。 超声波测距原理 超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：①取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=1／2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 CJ-3A超声波学习板采用AT89C51或AT89S51单片机,晶振:12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用 74LS244,位码用8550驱动. 超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。由于在这10.2m 的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离，基于51单片机超声波测距仪设计【开题报告】
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