基于单片机的超声波测距系统设计

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2015届毕业生

毕业设计说明书

题目: 基于单片机的超声波测距系统的设计

院系名称：信息科学与工程学院专业班级：电信1107

学生姓名：刘彪学号：201116910909

指导教师：杨静教师职称：讲师

2015年5 月29 日

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摘要

AT89C51是单片机里应用比较广泛的一款，在自动控制领域里享有很高的价值。以其易用性和多功能性受到了广大电子设计爱好者的好评。本次设计主要是利用AT89C51单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作。以AT89C51为主控芯片，利用超声波的传播特性完成距离的检测，将前方物体的距离探测出来。然后单片机处理运算单元，与设定的报警距离值进行比较判断，当测得距离小于设定值时，AT89C51发出指令控制蜂鸣器报警。通过DS18B20进行温度补偿，减少温度带来的干扰，提高测量精度。

整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成，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模块功能。本毕业设计包括：硬件电路图、程序流程图，并给出了系统结构、电路原理和程序设计。系统具有易于控制、工作可靠、测距精度高、可读性强和流程清晰等优点。

关键词：超声波传感器、AT89C51、DS18B20

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Title Ultrasonic Ranging System Based on MCU

Abstract

AT89C51 is used widely which enjoys a high value in the field of automatic control system. It has been well received on versatility and ease of use by the majority of electronic design enthusiasts. This design is composed of SCM AT89C51, ultrasonic distance sensor and alarm system. As the main chip in AT89C51, using of ultrasonic sensors to detect obstacles. Microcontroller as a processing operation unit, then setting the alarm values are compared to judge the distance, when the measured distance is less the value. Then buzzer starts alarm at the microcontroller control. DS18B20 as a temperature compensation sensor, in order to reduce interference caused by temperature, improve the measurement accuracy.

The entire hardware circuit is composed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the power circuit, display circuit and other modules. Each of the probe signal by the microcontroller comprehensive analysis process, then realize various functions of ultrasonic distance measurement. Base on this has designed system's overall concept, final adoption of hardware and software to achieve the various functional modules. The graduation project include: hardware circuit, program flow chart, and gives the system structure, circuit theory and programming. The instrument system has features: ease of control, stability of operation, highness of precision and readability, etc.

Keywords ：Ultrasonic sensors、AT89C51、DS18B20

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目次错误！未找到引用源。

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1绪论

1.1课题背景及重要意义

随着社会的需求，电子测量的传感器技术应用越来越多。超声波测量的精度符合工业要求，低成本性能稳定使它备受欢迎,随着科技对精度的要求越来越高，超声波测距技术已经被广泛用于人们日常生活和工作之中[1]。

由超声波测距是一种非接触的测量技术，不受光线、被测对象颜色这些外部环境的束缚。较其它仪器更加的方便和直接，更耐潮、腐蚀性气体等恶劣环境，具有很少需要维护、无污染、使用的寿命比较长等特点[2]。可在不同环境中能够实现距离信息实时在线显示，可直接用于水、酒、糖等液位的测量，也能够进行差值设定，直接显示各种液位的高度。因此，超声波在空气中的测距在特定的场合下有较为广泛的应用。利用超声波测距往往速度快而直接、能够迅速的实时控制，并且在测量准确度上得到了业界普遍的认可。它在汽车倒车雷达的研究和使用方面也得到了认可，并且被广泛的应用[3]。在其它方面的应用，也发挥着巨大的潜在价值，如医疗、潜艇等高精尖的科技上。

1.2课题的意义

基于影响超声波测距引起误差的几个重要因素做了分析，并为系统选择了比较合适的传感器。此系统打算在实验室内实现小范围的距离测距，测试距离约为0.02m —3m 。系统整体构架如下图所示。

图1-1系统设计方案图

显示模块

语音模块

单片机控制单元

发射电路

检测电路

接受电路

发射探头

接受探头

障碍物

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显示电路可以采用动态扫描的方式来实现，这样可以大大减少对硬件的需求的程度。通过单片机内部程序的执行能够使内部计数得到的时间数据迅速的转换为距离信息，并且实现在4个LED 数码管显示出来，数据XXXX ，单位cm [4]。 基于超声波测距能够克服传统上测距的缺陷，如能够进行液面的测量，传统上的测量方式不仅存在严重的缺陷而且操作起来难以实现；而且基于AT89C51单片机的超声波测距系统不仅价格低廉，其系统的体积也不大，同时也能够实现高精度的要求，这就为未来能够电子技术领域的广泛应用提供了良好的条件，这也是研究超声波技术课题的重要意义[5]。

1.3本文主要研究内容

本系统硬件部分由AT89C51控制器，超声波的接受电路以及发射电路、报警装置、温度补偿传感器电路和显示电路组成。当进行倒车时，发射和接受的超声波的电路开始工作，经过AT89C51数据处理的结果将以距离信息显示到LED 数码管上，倘若距离小于所设定值时，报警电路中的蜂鸣器就会发出鸣叫，能够提醒司机遇到障碍物，要保持车距，注意安全[6]。超声波测距流程框图如下图所示：

图1-

2系统设计总框图

发射出去的声波碰到障碍物后大部分的会反射回来，一部分因折射而损失掉；由超声波接受头接受到信号，这时通过接受电路处理。单片机可以利用声波在环境中的传播速度和发射脉冲到接受反射脉冲的时间差，就能够计算出测距仪到障碍物的距离。倘若所显示的测量距离小于所设定的距离值，报警电路的蜂鸣器就会发出报警，起到警惕的作用。

对本课题的研究而言，不仅会从深度上分析超声波测距的基本原理，也了解超声波的特点及如何应用超声波，对本课题的研究后，也要展望未来超声波的发

发射电路

接受电路

LED

AT89C51

DS18B20

报警电路

展趋势，如何使这门技术富有价值，更重的一点是，此课题的研究不只仅研究理论方面，还要动手实践，设计硬件和编写软件，正真做到学以致用。

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2 超声波测距原理与方法

2.1超声波简介

超声波技术在整个国民经济中的各个领域取得了广泛的应用。对提高产品的性能和质量，保障安全生产和机器设备的安全运作，有着十分重要的作用，在工业生产中提高生产的效益具有其它技术所不具备的优点。

超声波的物理性质主要是指超声波的折射和反射，当超声波要通过两种特性阻抗特性不同介质的平面上时，超声波的传播变成两种方式，一部分超声波在平面上被反射回来，而此系统就是利用超声波的此特性；另一部分超声波会穿过介质面，在另一种介质内部继续传播[7]。这两种传播方式称为超声波的反射和折射。正是利用超声波的这些特性，才使超声波的研究具备了真正的价值。

2.2 超声波测距原理

超声波测距可以通过不同的方式实现：例如相位检测法、往返时间检测法及声波幅值检测法等比较常用的三种方法[8]。本系统采用往返时间检测法的方式进行距离的测量。其所经过的时间也就是往返的总时间。由于确定了往返时间，再按照周围环境中空气的温度，可以实际情况推测出超声波在空气中的传播速度，便可以计算出距离。

如果测量的障碍物与测距仪之间的距离是s(m)，超声波从发射到接受所用的总时间为t(s)，超声波传播速度为v（m/s）表示。则有关系式如（2-1）；

（2-1）由于超声波的传播速度与环境中的温度紧密相关，一般而言，环境中的温度每抬高1℃，其超声波的传播速度也会随着增加0.6米/秒[9]。

表2-1 环境中不同温度下的传播速度

温度（℃）-30 -20 -10 0 10 20 30

声速（m/s）313 319 325 323 338 344 349

在设计系统时，倘若环境中空气温度变化不大，就可以认为声速c是定值，这时取声速c为340m/s。如果测距精度要求的非常高，这时就可以通过改变硬

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件电路的办法来实现其精度的测量，通过增加温度补偿电路法来加以实现精度的测量。

在本系统的设计计划利用AT89C51中的定时器来测量超声波传播在空气中的传播时间。利用DS18B20传感器测量环境中空气的温度，从而克服了测量精度低的缺点。空气中的超声波的传播速度与环境中空气的温度的关系可表示为：

273.16

331.45

331.40.6273.16

T c T +≈≈+(m/s) (2-2)

这时按式（2-2）对超声波传播速度进行实时的修正，以来提高测量的准确度。 这时式（2-2）可以简化为:

(2-3) 式中，T 的温度单

位为℃，v 为超声波在介质中的传播速度单位为m/s [10]。

当超声波的传播速度知道后，这时只需要求超声波在介质中传播的往返的时间t(s)，可求得传感器与障碍物的距离l 为：

l=1/2（331.4+0.6T ）t （2-4）

2.3本章小结

本章首先介绍了超声波的基本的特性和特点，而后利用超声波的这些基本的特性为我们所用，如超声波的直线传播方式以及超声波在特定环境温度下有恒定的速度可以用来距离。接下来介绍了超声波的形成的方式和传播的特点，超声波在传播过程中的会发生反射、折射规律等特点；通过超声波的内部结构和影响超声波传播的几个重要参数给出本系统设计中所用超声波传感器的该如何选择。通过以上的这些特性，给出了超声波测距的原理以及公式表达式，这为超声波测距的软件系统的实现，提供了保障；在硬件电路的实践上提供了根据。而本章研究的重点是超声波的一些重要特性和超声波测距的基本原理，为后面章节系统的设计提供了有利的途径。

3 系统硬件设计

3.1硬件的选择

3.1.1 主控制器模块

采用单片机作为整个系统控制的中心，用来控制超声波传感器的收发模块，以实现特定的性能。充分了解我们的系统后，重点在于实现超声波测距功能，而在这一点上。单片机就显现并发挥出来它特别而又独特的好处，不仅体现在控制上的稳定，而且操作方便和快捷[11]。从这方面来看，单片机就可以充分发挥其丰富的资源，并且具有价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。单片机各管脚图如图3-1：

图3-1 AT89C51管脚图

对于本系统实物设计而言，若选用一片CPLD作为系统数据处理的核心，也能实现全局的掌控，处理的速度快、程序语言采用VHDL也比较容易编写，而且开发的周期也不会太长，虽然它的优点很明显，但是仅本系统采用单片机作为数据的核心则是更为合理，首先超声波测距对数据的处理速度要求不是很高，因此对系统信息的处理的要求自然没有太高的要求，仅这一点而言单片机就可以胜任，

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同时单片机更为廉价，更符合商业的发展。综合各种考虑，我们决定采用AT89C51单片机作为系统的主控制器。

3.1.2 电源模块

对于电源模块经过综合的考虑将采用3节1.5v干电池共4.5v做电源，干电池输出的电压稳定，并且经过试验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足本系统的要求，最重要的是干电池更换方面，与5v蓄电池相比较体积小，节约空间。综合考虑选择干电池供电是更加可行的方式。

3.1.3 显示模块

用数码管进行显示，数码管的显示速度快，使用起来简单，显示画面简洁明了。所以得到非常广泛的应用。在这里我们需要显示的数据仅是长度单位即距离值，用数码管作为显示模块足以满足要求。倘若用LCD液晶屏显示，虽然也满足此系统的各项要求，但是显然浪费了资源，仅从这点，选择数码管是更为合理的方案。

3.1.4 温度补偿模块

采用DS18B20器件作为温度补偿电路的温度传感器。DS18B20的数字温度输出是通过“一线”总线的方式，这是它独特的数字信号总线协议，和其它的传感器不同的是，它是将信号线和电源线结合在一起的方式，仅是使用一条口线，因此使用起来特别的简单；另外它每个芯片有特定的唯一编码，能够实现联网寻址等[12]。也可以使用多个这样的传感器组件成传感器网络，这能够实现更大测量系统的可能性。最重要的是，它在测温精度高，容易实现时间的转换，分辨率的精度等方面和其它温度传感器相比较，已经有了很大的进步，同时它体积微小，形状如三极管，具有三个管脚；其特点是独特的单线接口，也就是说只需一个接口引脚即可以通信，无需外部元件，并且可用数据线供电，又不需要备份电源；测量温度的范围是从-55℃到+125℃，分辨值为0.5℃。也可以等效成为华氏温度。它是通过九位的数字值来读取温度的，能够在一秒内把把数字信号转化为温度。对于用户而言，带来了诸多的方面和满意的效果。DS18B20实物图如图3-2:

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图3-2 DS18B20实物图

左边管脚为GND与地相连、DQ为中间管脚，为数字输入输出管脚、最右为VDD 与电源相连。

3.1.5 报警模块

采用蜂鸣器提示，优点是实现的电路简单而实用，且性能稳定同时可靠性高。报警电路的作用是与单片机的p2.3管脚相连，当测距的距离值小于特定值时，p2.3的电平值会从低电平变为高电平，这时蜂鸣器便会发出报警，当数码管所显示的数值大于所设定的值，蜂鸣器则保持不工作的状态[13]。报警电路的作用就是提醒用户的目的。

图3-3 蜂鸣器实物

3.2 最终方案

经过反复论证，我们最终确定了如下方案：

1、主控芯片采用AT89C51单片机作为主控制器；

2、用3节干电池供电；

3、用数码管显示；

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4、采用DS18B20传感器做温度补偿；

5、用蜂鸣器做提示。

3.3本章小结

本章主要是通过对比各硬件器件的优缺点，来找到合适本系统所需要的最佳器件；如供电模块是选用干电池或是蓄电池、显示模块是用液晶显示还是用数码管显示、报警模块用蜂鸣器还是语音芯片、温度补偿传感器是用DS18B20传感器还是用TP100器件；通过对不同器件的特性、参数做比较，选择出设计本系统所需要的最合适的器件，这样做既节约了资源，也节约了设计系统所需要的成本；通过这样的对比，能够使我们更加了解不同器件的各个性能指标和参数，也培养了我们良好的学习的习惯，既找到了实现目标的最佳途径，有利于对专业知识的深度认知，对以后的学习和职业的发展有巨大的好处。

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4 硬件实现与电路设计

4.1 主控制模块

主控制最小系统电路如图4-1所示。

图4-1 单片机主控电路

4.2 单片机的时钟电路与复位电路设计

单片机使用串口对单片机进行程序的烧写，下载程序简单且迅速；而且AT89C51单片机内部集成的电路结构，具有十分强大的抗干扰能力[14]。

本系统采用内部方式的时钟电路和复位电路，如下图：

图4-2 时钟电路

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图4-3 复位电路

4.3超声波测距模块

超声波模块使用的是现成的HC-SR04超声波的发射和接受模块，该模块功能能够实现 2cm-400cm 的非接触式距离的测量，测距误差能够达到 3mm。其中此模块包括控制电路、超声波发射器与接收器三个部分组成[15]。

此模块的基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发的方式来实现的，其中模块自动发送40KHz左右的方波信号，能够实现自动检测是否有方波信号折回；倘若有方波信号的折回，可以通过 IO 口 ECHO 输出一个持续的高电平信号，因此高电平持续的时间就是超声波在整个传播过程中所用的时间。测试距离=(高电平时

4-4:

间*声速(340M/S))/2。实物如下图

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此超声波测距模块正常工作时的电气参数如下表：

表4-1 超声波传感器模块工作特性参数

电气参数 HC-SRO4超声波模块

工作电压 5v 工作电流

15mA 工作频率 40kHz 测量角度 15度 最远射程 4m 最近射程 2cm

触发信号 持续10us 的TTL 脉冲 回响信号 输出TTL 电平信号 规格尺寸

45*20*15mm

此模块要注意的是：此模块不可以带电连接，倘若必须要带电连接，就必须

先让此模块的GND 管脚首先连接，否则会影响模块的稳定性，导致模块错误的数据传输。测距的时候，被测物体的面积不能太小，否则发射出去的超声波难以反射回来，同时要求平面要求尽可能的平整，否则也会影响测量的结果的准确度。

4.4 声音报警电路的设计

如下图所示，用一个蜂鸣器和三极管、电阻组成的并与单片机的P2.3引脚连接，通过软件程序控制管脚高低电平的输出，从而控制蜂鸣器的工作与否；这样就组成声音报警电路。如图4-5：

图4-5 声音报警电路图

4.5 显示模块

显示模块采用数码管显示接口电路如图4-6所示。

图4-6 数码管电路

4.6温度补偿电路

温度补偿电路采用DS18B20传感器进行测量环境中的温度，P2.4引脚接DS18B20数据总线，并且控制DS18B20传感器进行温度的转换和传输的数据。本系统对温度传感器DS18B20选用的是外部供电的方式。并且总线控制器也不需要在温度转换的阶段连续的保持高的电平信号。因此在转换的过程中，也可以在单线总线上完成其他数据传输，如图4-7：

图4-7 温度传感器接口电路图

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4.7元件清单

综上分析,系统所需的元件清单如下表:

表4-2 系统设计所需原件清单

参数名称种类数量

10k 电阻R14 1

10uF 电容C1 1

12M 晶振Y1 1

指示灯发光二极管D1 1

SW-灰色电源开关SW1 1

DS04 数码管DS1 1

U1 单片机U1 1

蜂鸣器蜂鸣器B1 1

S9012 三极管Q1.Q2.Q3.Q4.Q5 5

20uF 电容C2.C3 2

Header4 超声波接口P1 1

SW—PB 独立按键S1.S2.S3.S4 4

2k 电阻R4.R5.R6.R13.R15

1k 电阻R1.R2.R3.R8.R9.R10.R11.R12

DS18B20 温度传感器U2 1

4.8本章总结

本章通过各个模块电路图的设计和硬件功能的实现来完成实际的操作，首先是对单片机的时钟电路和复位电路进行了设计，其次是结合超声波的特性对超声波测距传感器做了详细的介绍，说明了各个引脚的功能及如何结合单片机构成一个简单的系统，再者就是如何设计声音报警电路以及显示模块电路的设计，最后最重要的就是如何利用温度传感器DS18B20来设计温度补偿电路来提高超声波测距的精度。总的来说本章就是通过各个模块的设计，然后结合在一起实现其功能。在这实现的过程中不仅要求我们掌握一些计算机仿真软件的使用，

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如keil uVision软件来完成程序的编写，并且生成可执行的.hex文件植入到单片机中[16]。其次就是电路仿真软件，如Proteus软件进行仿真；最终便是硬件电路的焊接与调试[17]。本章需要我们较强的专业知识体系和较强的实践动手能力。

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5系统软件设计方案

5.1主程序流程图

如图5-1所示为超声波测距主程序流程图。

图5-1 系统软件的整体流程图

系统初始化

报警结束

测得距离小于设定值比较

距离比较，报警是否持续

开始

启动报警电路，开启报警

再次检测等待下次

报警

结束

Y

N

N

Y

Y

N