超声波测距带有实物

单片机课程设计课题：超声波测距离系别：电气与信息工程学院专业：电子信息工程姓名：管俊豪学号：093411121河南城建学院2014年01月01日成绩评定·一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分课程设计成绩评定目录1 绪论 (1)1.1摘要 (1)1.2 课题的提出及研究意义 (1)1.2.1 课题的提出 (1)1.2.2 课题的研究意义 (1)2 超声波的介绍 (2)2.1超声波测距的原理 (2)2.2单片机实现测距的原理 (3)2.3超声波测距误差分析 (3)3 系统硬件设计 (4)3.1总体方案设计介绍 (4)3.2硬件电路设计 (5)3.3 STC89C52单片机主要特性 (5)3.4AT89C51管脚说明 (7)3.5超声波发射和接收模组 (8)3.6数据显示模块 (9)3.7 STC89C52复位电路 (10)4.系统程序的设计 (10)4.1超声波测距器的算法设计 (10)4.2 主程序 (12)4.3 超声波发生子程序和超声波接收及显示程序 (13)4.4调试及性能分析 (16)4.5性能指示 (17)5课程设计体会 (18)6.附件 (19)6.1控制源程序 (19)6.2电路图 (23)6.3实物整体图 (23)7参考文献 (24)1 绪论1.1摘要随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。

但就目前技术水平来说，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，超声波测距仪作为一种新型的非常重要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，如声纳的发展趋势基本为：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；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，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。

在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

本设计采用以STC89C52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、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。

1.2 课题的提出及研究意义1.2.1 课题的提出测距的原理和方法有很多，根据其信息载体的不同可归纳为光学方法、无线电方法和超声波方法。

前两者在某些地方有局限性，相比之下，超声波方法具有突出的优点，首先，超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体);其次，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;最后，超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

因此超声波作为非接触测量手段，己越来越引起人们的重视。

本课题设计为基于超声波的测距。

1.2.2 课题的研究意义超声波测距是一种极有潜力的方法，近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。

超声测量另一个突出优点是:环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛。

更重要的是超声波检测降低了劳动强度，避免工人在恶劣工作环境下(高、低温，高、低压，强辐射，有毒气、液体环境等)受到伤害，还大大提高了测量精度，可靠性高;另外，超声波测距还可以应用到其他的功能系统中，例如在机器人避障系统、移动机器人避障的超声测距系统、智能机器人管家和简易智能电动车自动避障系统、车载系统、自动泊车系统、自动刹车系统和倒车雷达系统中，超声波测距也有其重要的应用。

目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。

而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。

以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。

尤其值得一提的是，出8位CPU 外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。

所以，8051是双CPU的单片机。

位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。

2 超声波的介绍2.1超声波测距的原理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，测量声波在发射后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。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；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为发射到接收时间数值的一半)。

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，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

2.2超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

1）时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

2）超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。

已知超声波速度与温度的关系如下：式中：r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，T —绝对温度，273K+T℃。

近似公式为：C=C0+0.607×T℃式中：C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度(℃)。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s，30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

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。

电气方式包括压电型、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。

目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。

2.3单片机实现测距的原理单片机发出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tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C 为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。

由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

3 系统硬件设计3.1总体方案设计介绍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、传播距离较远等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，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时，停止计时。

设超声波在空气中的传播速度为V，在空气中的传播时间为T，汽车与障碍物的距离为S，S=VT/2，这样可以测出汽车与障碍物之间的距离，然后在液晶显示屏1602上显示出来。

其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波，即逆压电效应是在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生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。

本文所设计的超声波测距仪主要由STC89C52单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路、复位电路。

首先由单片机驱动产生12MHZ晶振，由超声波发射探头发送出去，在遇到障碍物反射回来时由超声波接收探头检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入单片机进行计算，把计算结果输出到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。

目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。

根据设计要求并综合各方面因素，超声波测距器系统设计如图3.1所示。

图3.1 超声波测距器系统设计框图3.2硬件电路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端口输出及输入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。