超声波测距仪说明书

自动测量及控制综合课程设计说明书

题目超声波测距仪

学院机械工程学院

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2015年1月18日

目录

1绪论 (3)

1.1课题设计及意义 (3)

1.2设计内容 (3)

2超声波测距设计原理及方案选择 (3)

2.1超声波测距原理 (3)

2.2设计方案 (4)

3硬件选择与设计 (5)

3.1单片机的选择 (6)

3.2超声波模块的选择 (6)

3.2.1 HC-SR04超声波模块时序图 (7)

3.2.2 HC-SR04模块的使用 (8)

3.3数码管的选择 (8)

3.4硬件电路的设计 (9)

4软件部分设计 (9)

5数据处理及误差分析 (11)

6设计体会与总结 (11)

附录 (13)

附录Ⅰ：超声波测距仪系统实物图................ 错误!未定义书签。

附录Ⅱ：程序代码 (13)

附录Ⅲ：参考文献 (15)

1绪论

1.1课题设计及意义

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。但就目前水平说，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，超声波测距仪作为种新型的非常重要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；降低潜艇噪声，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。

1.2设计内容

超声波测距仪的设计,由单片机控制超声发射装置发射超声波，当超声波遇到障碍物时，发生反射，再由接受装置接受超声波，由单片机计算从发射到接受的时间并计算出障碍到超声波发射器的距离。

在理解超声波测距原理的基础上，设计出基于51单片机为核心的超声波测距仪。该超声波测距仪，要求测量距离≤6m，测量精度要求优于1%,显示方式为数码管显示，具有RS-232通信能力，具有较强的抗干扰能力。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。

2超声波测距设计原理及方案选择

2.1超声波测距原理

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一，超声波对色彩，光照度，外界光线和电磁场不敏感，因此超声波测距对于被测物处于黑暗，有灰尘或烟雾，强电磁干挠，有毒等恶劣的环境下有一定的适用能力，在液体测位，机器人避障和定位，倒车雷达、物体识别等方面有广泛应用。而且超声波传播不易受干挠，因而经常用于距离的测量。

在某一时刻给超声波发生器施加40 khz方波信号，发生器发出超声波，遇到被测物体后反射回来，被超声波接受器接受到。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就可以计算出被测物体的距离d=s/2=(vt)/2。其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用时间。这就是所谓的时间差测距法。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。

2.2设计方案

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。

超声波测距仪利用超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远的特点测量两点之间的距离的仪器。这个设计就是利用超声波传输中的距离与时间的关系，采用了S T C89C52单片机对超声波仪进行控制及数据处理，设计出了能够精确测量两点间距离的超声波测距仪。

该测距仪主要是由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块所构成。其中采用S T C89C52单片机作为主控模块，用来控制超声波的发出和接收，并且计算距离。用超声波模块HC-SR04发出和接受超声波，用3位数码管作为显示模块。本次设计的超声波测距仪，具有迅速、操作方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高的特点。测量范围可达到25cm～350cm，其误差

1cm 左右。在理论分析上达到了本次课设的要求。

超声波测距仪原理框图如下图：

图1 超声波测距仪原理框图

3硬件选择与设计 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STC89C52RC 系列。采用11.0594MHz 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P3.2端口监测超声波接收电路输出的返回信号，使用T0定时器来发射方波脉冲。显示电路采用简单实用的4位共阴LED 数码管，用0.5k 排阻驱动。

图2 超声波测距仪系统电路原理图

超声波发射器 放大电路 超声波接收器 放大电路

锁相环

检波电路

定时器 单片机

控制 显示器