基于单片机的超声波测距仪设计毕业设计论文

摘要 (2)

第一章绪论 (4)

1.1 超声波测距研究意义及发展概况 (4)

1.1.1 超声波测距系统研究的意义 (4)

1.1.2 超声波测距系统国内外发展的概况 (4)

1.2 超声波特性及超声换能器现状 (5)

1.2.1 超声波及其特性 (5)

1.2.2 超声换能器现状 (7)

1.3 课题的主要内容和结构安排 (8)

第二章超声波测距系统的原理及设计方案 (9)

2.1 超声波发生器及测距原理 (9)

2.1.1超声波发生器 (9)

2.1.2压电式超声波发生器原理 (9)

2.1.3超声波测距原理 (9)

2.2 系统整体方案的设计 (10)

第三章硬件电路设计介绍 (12)

3.1 AT89C52介绍 (12)

3.2 单片机最小系统 (14)

3.3超声波模块 (15)

3.3.1 超声波发射电路 (15)

3.3.2 超声波接收电路 (16)

3.4 HC-SR04超声波集成模块 (17)

3.5 数码管显示模块 (18)

3.6 电源模块 (19)

第四章软件设计 (20)

4.1主程序设计 (20)

4.2 中断处理程序流程 (21)

结论 (26)

致谢 (27)

参考文献 (28)

附录一电路原理图 (29)

附录2 程序清单 (30)

附录3 实物展示 (35)

摘要

随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。

本设计采用以AT89S52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[2]。

关键词：AT89s52; 超声波；测距

Abstract

With the development of science and technology, the improvement of people's st andard of living, speeding up the development and construction of the city. urban drai nage system have greatly developed their situation is constantly improving. However, due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the ci ty drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction . Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to up grade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear t o the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is ver y important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is d esigned to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder.

At the core of the design using AT89S52 low-cost, high accuracy, Micro figures s how that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine rec eive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of th e 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 s atisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the c ar availably, building construction the position of the workplace and some industries s pot supervision.

Key words:AT89S52; Silent Wave；Measure Distance

第一章绪论

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[1]。

1.1 超声波测距研究意义及发展概况

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。下面就介绍一下超声波测距研究意义及发展概况。

1.1.1 超声波测距系统研究的意义

道路交通事故是现代社会的一大公害,与之相关的先进安全技术研究日益受到重视。基于智能交通系统的汽车防撞系统是先进安全技术的一项重要内容,国内外相继开展了相关的研究,但迄今为止在该领域还存在许多尚未解决的问题。探讨和研究一种在高速公路汽车防撞系统。在正常行驶时,该系统不报警,当自车与前车之间的距离小于所设定的安全距离并有可能发生碰撞时,该系统将发出报警信息,提醒驾驶员采取相应的措施,以避免碰撞事故的发生。高速公路汽车防撞系统的研究符合国内外汽车智能化的发展趋势,该系统的应用可以保证高速运行车辆的安全性,提高公路运输效率,具有广泛的应用前景和经济前景[2]。

特别是在空气测距中，由于空气中波速较快，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。如今，超声测距技术在国防、汽车工业、公路监测及日常生活中也无处不在。

1.1.2 超声波测距系统国内外发展的概况

迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。能够全天候工作的毫米波雷达是最为理想的测距传感器，这己是目前国际上公认的结论。超声测距

传感器也可以全天候工作，而且价格低廉、便于安装使用，也是一种较为理想测距传感器。因此，倘若不考虑从国外进口价格昂贵的毫米波雷达，那么，超声传感器的作用距离问题，就成了当前开发超声测距系统的瓶颈制约。根据声学理论，超声换能器的机电能量转换效率、超声波传播过程的能量衰减和回波接收电路的处理增益是影响超声传感器作用距离的主要因素。因此，为扩大超声测距的范围，不能仅仅依赖于大功率超声测距传感器，还必须从以下两个方面采取措施：其一、优化换能器的机械结构、电子线路和机电阻抗匹配参数，以提高换能器的机电能量转换效率；其二、增加滤波电路或采用基于微处理器的自适应噪声抵消器对回波信号进行预处理，增大后续信号处理算法的处理增益，以提高超声测距仪的输出信噪比。只有这样，才可能研制出功耗低、量程大（20～40m）而且价格低廉的超声测距系统。

毋庸置疑，超声传感器的研制成功，不仅有益于促进科技进步、加快国内超声测距系统的开发进程，而且具有相当广阔的市场前景。

1.2 超声波特性及超声换能器现状

具备发送和接收超声波功能的装置，称为超声换能器，习惯上称为超声传感器或超声波探头。下面，简要介绍一下超声波特性和超声换能器现状。

1.2.1 超声波及其特性

超声波具有较好的指向性—频率越高，指向性越强。这在诸如探仿和水下声通讯等应用场合是主要的考虑因素。频率高时，相应地波长将变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟。甚至波长可远小于试样材料的尺．这在厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分辨率的探伤应用中是非常重要的。超声波用起来很安静,这一点在高强度工作场合尤为重要。这些高强度的工作用可闻频率的声波来完成时往往更有效，然而遗憾的是，可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体有害的。超声波的应用被严格地区分为低强度应用和高强度应用两类”。在低强度应用类中，超声波或是用来研究试样材料的特性，或是用来作为控制手段。绝大多数情况是被测材料本身经受不起结构上的持久变形或是经受不起化学特性上的变化，才采用低强度超声波作为测试手段的。许多低强度应用场合中所用的超声波，其频率都很高，典型的工作频率是在兆赫兹的范围内，而其声功率的范围则较宽，一般可从数微瓦到数十毫瓦。在高

强度应用类中，超声波通常是用来改变它所通过的物质的性质。高强度应用几乎总是在低频的情况下进行的，通常就把工作频率选在刚好高出可闻声频的上限处，而其声功率则可以从数毫瓦至上千瓦。现代声学已经涵盖了从“104-～1014”Hz 的频率范围，相当于从大约3 小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动。振动频率在16Hz ～20kHz 之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz 的机械波，称为次声波；高于20kHz 的机械波，称为超声波，而高于100 MHz 的机械波，则称之为特超声波。

由于人耳听域有限，所以在自然界中似乎超声不存在，其实超声是广泛存在的。人耳听到的声音只是自然界声音的一部分，即可听声部分，而即使是可听声部分的声音，有时仍然含有超声成分，只是人耳听不到。比如：自然界中许多动物发出的声音中就含有超声成分，蝙蝠是最出名的。它可以利用超声进行探测洞穴、捕获昆虫，人类从18 世纪就开始研究它，一直延续至今，并利用仿生学的原理制造出雷达等探测工具。在我国，解放前超声的研究是个空白。解放后不久，出现了很少量的超声学研究。大规模的超声研究开始于1965 年。到目前，我国在超生学的各个领域都开展了研究和应用。有不少的项目和成果达到了国际水平。

同其它声波一样，超声波的传播速度取决于介质密度和介质的弹性常数。在大气条件下，超声波在相同传播介质中的传播速度是一样的，而且，在相当大的频率范围内，声速是固定不变的。空气中的声波传播速度c 可近似地表示为：

C ≈331.416

.27316.273+T ≈331.4+0.6T(m/s) (1.1) 其中T 是空气介质的温度（0C ）。因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，描述简谐声波向x 正方向传播的质点位移运动可表示为：

S(t)=A(x)cos(ωt+kx)=A 0e ax -cos(ωt+kx) (1.2) 式中，s (t ）表示质点的位移；A 0是振动初始条件决定的常数；ω，t 分别表示角频率和时间；x 为声波的传播距离（也称为射程）；k = ω/ c 称为波数；

a 为衰减系数。由此可见，在传播过程中声波的振幅A (x)将随距离x 的增加而呈指数形式衰减。衰减系数与声波频率及传播介质的关系为：

2e f A ?=α (1.3)

其中，A 0为介质常数，在空气中，A 0＝21110-? (12-?m s ), f 是声波的振动频率。例如，当超声波的振动频率为25kHz 时，1/α≈80m 。其物理意义是：超声波在空气介质中传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗，在声波的传播距离等于1/α 时，声波振幅将衰减到初始值的1/e 倍。显然，声波频率愈高，声能被吸收衰减愈大，声波的传播距离愈小；反之，声波频率愈低，声能的吸收衰减愈小，声波的传播距离就愈大。声波的另一种重要的性质是：波的频率越高，波束越窄，声波定向传播（或称为直线传播）和反射能力越强，其能量远远大于振幅相同的低频声波。

超声波的特性除了与其谐振频率有关，还与发射换能器的辐射面积有关。换能器的辐射面积越大，超声波的波束角就越小。因此，在设计大作用距离超声测距传感器时，必须选用恰当的换能器工作频率和换能器辐射面积。

1.2.2 超声换能器现状

换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。通常所说的换能器一般都是指的电声换能器。用来发射声波的换能器叫发射换能器。换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。用来接受声波的换能器叫接收器。换能器处在接受状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。按照实现机电转换的物理效应的不同，可将换能器分成：电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电磁致伸缩式等[1]。

1.3 课题的主要内容和结构安排

本文所介绍的超声波测距系统在测距的时候采用的是两个超声波探头分别进行超声波发射和接收来进行距离的测量的。本设计可以用于汽车防撞报警系统，通过测量出倒车方向的障碍物与汽车之间的距离, 并通过4位数码管显示单元模块显示两者之间的距离,然后通过蜂鸣器发出不同频率的声响, 从而起到提示和报警的作用。本系统利用一片AT89S52单片机对超声波信号循环不断地进行发送和采集。系统包括超声波测距单元（超声波集成模块）、AT89S52单片机系统、蜂鸣器报警模块、数码管显示模块和供电电源模块。

论文构成主要由以下部分组成：

第1章主要介绍了本课题的背景意义和相关技术在国内外的研究现状。

第2章介绍的是超声波测距系统的工作原理，提出本系统的总体的设计方案，为硬件系统的设计打下了基础。

第3章对硬件系统的设计进行了介绍。首先介绍了AT89S52单片机进行了详细的介绍，包括各引脚功能和外设单元解析以及单片机的最小工作系统。然后对超声波传感器的工作原理进行了分析，然后具体讨论了超声波测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路的硬件设计，最后介绍了显示模块电路和电源模块电路的设计。

第4章主要是对系统的软件设计进行了介绍。在软件设计中采用不同模块不同编程进行设计的，本设计分别对系统的主程序模块、中断子程序模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块和数码管的显示模块的各个程序进行了设计。

最后对全文进行了总结和展望。

第二章超声波测距系统的原理及设计方案

2.1 超声波发生器及测距原理

超声波发生器的可分几大类，本节介绍压电式发生器的原理和超声波测距的原理。

2.1.1超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，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，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2.1.2压电式超声波发生器原理

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它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率时，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时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

图2-1 超声波传感器结构

2.1.3超声波测距原理

在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比[2]。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(电压的幅值基本固定)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 。因此，被测距离为S=1/2vt 。

2.2 系统整体方案的设计

我们做的是基于单片机的超声波测距仪。用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再通过数码管进行数据的显示。由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，在由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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的距离(s)，即：

D = VT/2

其中，D 为换能器与障碍物之间的距离，V 为波声传播速度，T 为超声波发射到返回的时间间距。原理框图如下：

图2-2 总原理框图

本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用开始测量

超声波信

号

关定时器

数据运算显示器

接收检测

电声换能

器电声换能器驱动电路

AT89S52单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路和数字电路构成超声波发射、接收模块。由4位共阳极数码管构成显示模块，以及供电电源模块来构成由单片机最小系统来控制的超声波测距仪，其结构框图如下：

图2-3 总结构框图电源模块

MCU

（AT89S52）

超声波发射模块

超声波接收模块数码管显

第三章硬件电路设计介绍

本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。

3.1 AT89C52介绍

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes

ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[5]。

AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位[3]。该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器[3]。AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[5]。AT89S52芯片的管脚、引线与功能AT89C52芯片图如图：

图3-1 AT89C52芯片图

3.1.1 引脚信号介绍：

P00～P07 ：P0口8位双向口线

P10～P17 ：P1口8位双向口线

P20～P27 ：P2口8位双向口线

P30～P37 ：P3口8位双向口线

EA访问程序存储器控制信号：当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当EA信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器[5]。

ALE地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用[5]。

PSEN外部程序存储器读选取通信号：在读外部ROM时PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作[5]。

XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于

外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号[5]。

RST复位信号：当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

VSS：地线

VCC：+5V电源

3.1.2 P3口的第二功能

表3-1 P3口的第二功能

口线第二功能替代的专用功能

P3.0 RXD 串行输入口

P3.1 TXD 串行输出口

P3.2

INT外部中断0

P3.3

INT外部中断1

P3.4 T0 定时器0的外部输入

P3.5 T1 定时器1的外部输入

P3.6 WR外部数据存储器写选通

3.2 单片机最小系统

单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础，单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统即单片机能工作的系统[4]。对于89S52单片机，由于片内已经自带有了程序存储器，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路再接上工作电源就可以组成了单片机的最小工作系统了。单片机的最小系统如图所示。

图3-2 单片机最小系统原理图

3.3超声波模块

主要分为超声波发生电路和差声波接收感应电路

3.3.1 超声波发射电路

超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，超声波发射电路如图所示。

图3-3 超声波发射电路