基于单片机的超声波测距系统的设计与实现毕业论文

基于单片机的超声波测距系统的设计与实现毕业论文

目录

第一章绪论 (1)

1.1 研究的背景和意义 (1)

1.2 国外研究现状 (1)

1.3 课题研究容和意义 (2)

第二章超声波测距的原理 (5)

2.1 超声波介绍 (5)

2.2 超声波传感器的介绍 (5)

2.2.1 传感器的选择 (6)

2.2.2 超声波测距的原理 (7)

2.2.3 温度补偿 (8)

2.2.4 测量盲区 (9)

2.3 本章小结 (9)

第三章系统硬件设计 (10)

3.1 系统硬件设计 (10)

3.2 单片机概述 (11)

3.2.1 STC89C51主要性能特点 (11)

3.2.2 STC89C51结构组成 (12)

3.2.3 STC89C51部组成 (14)

3.3 超声波发射电路设计 (15)

3.3.1 发射电路设计方案 (15)

3.3.2 超声波发射器的注意事项 (16)

3.4 超声波接收电路设计 (17)

3.5 LCD显示部分 (18)

3.6 报警部分 (20)

3.7 DS18B20部分 (21)

3.8 本章小结 (21)

第四章系统软件设计 (22)

4.1 系统软件设计 (22)

4.2 外部中断子程序 (24)

4.3 定时器中断子程序 (25)

4.4 重要功能实现 (26)

4.4.1 实现温度读取功能 (26)

4.4.2 实现温度转换声速 (27)

4.4.3 实现距离计算 (27)

4.5 实验测量数据 (28)

4.6 本章小结 (28)

结论 (29)

参考文献 (30)

谢辞 (31)

附录一（实物图） (32)

附录二（Proteus仿真图） (33)

第一章绪论

1.1 研究的背景和意义

随着科技的发展，超声波已经可以对实物做出精确测量。伴随着社会经济的蓬勃发展，电子测量技术也逐渐被应用到各个领域，而超声波测距技术因拥有测量精确度高、成本消耗低、性能稳定度高等优点则成为其中的佼佼者。频率在20KHz以上的声波是超声波。也正是因为这些特性超声波才会被应用到测量距离中。科技在不断发展，人们的需求也在不断提高，因此，超声波逐渐被人们应用到生活和个行业（如医疗、工业、航天等）当中。

超声波是一种非常实用有效的测量方法，人们借用它不需要接触物体就可以进行精确测量。它还对环境因素（如光线、高温、腐蚀气体和潮湿等）的测量影响具有较高的抵抗性。而且还有测量精确度高，对环境无污染，基本上不用维护，使用寿命长等好处。所以能够广泛应用于化工、污水、环境监测等诸多具有腐蚀性的行业中。对环境适应能力强，无论在什么样的环境中，都能够进行精确测量并标定准确度。可对多种液体(如水、酒和饮料等)进行液位控制，设定差值。还有一个很大的优点，能够对盛装液体的液位罐直接显示其液位高度。因此，超声波测距在空气和特殊环境中拥有较广泛的应用。超声波在机器人的研制和倒车雷达等实例中也被广泛使用。

1.2 国外研究现状

实际上，在工程应用当中超声波检测技术存在两个突出的问题，一是:由于超声波自身传播的特性和某些材料的吸收特性，使得超声波在传播距离加长的同时，回波信号也随着变的异常微弱;二是：回波信号中夹杂着许多干扰信号，而回波信号自身较为微弱，很容易被噪声所淹没。因此传统方法对提取回波信号已无效。

人们一直很重视如何降低输入信号的信噪比。从19世纪末，傅里叶变换理论和傅里叶级数问世，人们就高度重视对频率信号的检测，第一台锁相放大器在1962年问世，从而使提取淹没在噪声中的信号成为现实。在此之后不断涌现出新的检测理

论和方法，成功研制出许多性能优良的测量仪器，并不断成功的降低微弱信号的测量下限。自20世纪90年代开始，经过十多年的发展，混沌理论作为一种新的检测方法出现，并在在微弱信号检测中具有巨大的潜力。

自从进入21世纪开始，国的广大学者和科研人员就对超声波测量精确度的提高方面进行了大量的尝试研究。其中有对超声波发射脉冲的选取和对新型超声波换能器的研发。主要研究方向是如何提高超声波回波信号精度的处理方法。更是针对影响超声波测距精确度的措施提出了温度补偿等方法。就目前来说，国虽然对超声波回波信号的处理有了较为成熟的研究发展，由于它对超声波测距的探测定位具有关键性作用，因此国学者仍然将它作为重要研究方向之一。

1.3 课题研究容和意义

本设计系统打算实现在实验室进行小围的测距。测距量程约为0.02m—4m，测量精度可达到毫米级。系统整体结构如图1.1所示。

图1.1系统设计方案图

由图可知本系统硬件设计是由六部分组成，分别为：

(1)发射电路。

(2)接收电路。

(3)单片机控制器。

(4)LCD显示电路。

(5)温度测量电路。

(6)声音报警电路。

实际测量时，在LCD液晶显示屏上显示出所在地的实时环境温度。发射电路发射超声波经反弹后被接收电路接收。经过STC89C51单片机进行数据处理后将距离也显示到LCD上。如果距离超出设定的值，报警电路就会鸣叫，即提醒测量距离超出量程。超声波测距器的系统框图如下图1.2所示。

图1.2系统设计框图

从效益和成本出发，HC-SR04超声波测距模块是一个非常好的选择。由下图1.3可看出，T0时刻由超声波模块的发射端发射一束方波，并于此时定时器开始工作计时。接收端收到回波后，产生一负跳变通到单片机的中断口。之后单片机会响应中断程序，同时定时器会停止计数。两次测得的时间差，就是我们所需要的超声波在媒介中的传播时间t，通过进一步计算便可以得出距离。

图1.3时序图

通过本次设计，完善自我，学习了解单片机的相关知识。并且能够具体了解基于单片机的超声波测距的发展现状以及能进行简易测距仪器制作。这对我们以后的工作生活是非常有意义的。