基于单片机的超声波测距系统的设计与实现毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的超声波测距系统的设计与实现毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

滨州学院本科毕业设计（论文） 5 第二章 超声波测距的原理 超声波介绍 所谓超声波就是频率超过 20KHz 人耳不能辨识的音波。 如今超声波被应用到诸如工业、医疗、军事等各种行业当中。 超声波的特点： （ 1）超声波传播过程中，方向性很强，能量集中。 （ 2）超声波的传播适应于各种不同媒质，传播距离够远。 （ 3）超声波载体性很强，可作为载体进行治疗操作。 （ 4）超声波能够在固、液、气、固熔等介质中传播。 （ 5）超声波传递的能量可以很强。 （ 6）超声波具有反射的现象。 这是其之所以能够成为测量距离的重要方法之一的原因之一。 （ 7）超声波不但是一种波动形式，可作为媒介如 B 超等进行医疗诊断；同时也是一种能量形式，可对患者进行治疗。 超声波传感器的介绍 超声波发生器可分为两大类： 一是电气方式产生超声波； 二是机械方式产生超声波。 而压电式超声波发生器是目前常用的。 超 声波传感器结构如下图 和图。 滨州学院本科毕业设计（论文） 6 图 超声波传感器外部结构 图 超声波传感器内部结构 传感器的选择 本课题设计选用的是 HCSR04 超声波模块。 HCRS04 模块不但性能比较稳定、测度距离精确，而且该模块的测量精度高，盲区小。 可用于机器人避障，物体测距，液位检测，公共安全，停车场检测。 电气参数如下表。 表 超声波模块 HCSR04 的电气参数 电气参数 超声波模块 HCSR04 工作电压 DC5V 工作电流 15mA 工作频率 40KHz 最远射程 4m 最近射程 2cm 测量角度 15 度 输入触发信号 10uS 的 TTL 脉冲 输出回响信号 输出 TTL 电平信号，与射程成比例 规格尺寸 45*20*15mm 基本工作原理： 采用 I/O 口 TRIG 触发测距。 能够给出至少 10us 的高电平信号。 该模块将会自动向外界发送 8 个 40KHz 的方波。 并且还能够自动检测是否有信号返回。 当信号返回时， I/O 口对此作出响应而输出一个高电平。 这个高电平所持续存在的时间就是超声波往返的时间。 本模块的使用方法非常简单。 通过控制口发一个 10181。 s 以上的高电平 ,然后在接滨州学院本科毕业设计（论文） 7 收端等候高电平输出。 当高电平输出时， 定时器 开始计时。 这个端口的高电平经过一段时间后会变为低电平。 变为低电平的一瞬间我们所读取定时器的值，就是这次测量距离的时间。 这样就可以算出距离。 通过不断的进行周期测量，就可以得出移动测量的值。 超声波测距的原理 超声波测距方法主要有三种： （ 1） 声波幅值检测法： 该方法虽然最廉价最简单但容易受反射波的影响，精确度却是最低，在此就不详细介绍了。 （ 2）相位检测法： 相位检测法是利用发射波与反射波之间的相位差来实现超声波测距。 设起始时刻为 1t ，则发射波的强度为 ）（ 0111 UXts inAI  （实际测量时的发射波是方波，为了 方 便 计 算 说 明 所 以 在 此 用 正 弦 波 举 例 )。 接 收 调 制 波 的 强 度 为）（ 0D2122 UXtXts inAI  ，则接收与发射时刻的相位差为 39。 DD2 Pft2XtU  ，时间差为 39。 D 2/Ut Pf。 根据时间和相位的关系，待测距离 2/ctD D 可以转换为)2/$K / 2 ( ND PU。 其中 K 为波长， N 为整周期数， U$ 为非整周期的相位差值。 N 可用计数器测出。 该方法虽然测量精确度高精度高，但是检测范围有限。 （ 3） 渡越时间法： 首先通过检测计数从超声波传感器的发射端发出声波的时刻记为 t1，超声波返回到传感器接收端的时刻 t2，两者的时间差 t=t2t1，这个时间差就是渡越时间。 设L 为测量距离， t 为往返时间差，超声波的传播速度为 c，求距离 L。 则有 L=ct/2。 该方法简单而直接，极易实现。 虽然精度相对于相位检测法差点，但好在测 量距离足够远。 综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。 超声波测距原理如图 所示。 滨州学院本科毕业设计（论文） 8 定 时 器控 制计 算传 输调 制超 声 波发 射4 0 K振 荡计 时超 声 波接 收增 益放 大障碍物 图 超声波测距原理图 温度补偿 超声波也是声波，所以其声速 c 仍然与空气温度有关。 一般来说， c 随着温度每升高 1℃ ，就增加。 表 列出了几种温度下的声速。 表 超声波声速随温度的变化 温度（ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 100 声速（ m/s） 313 319 325 323 338 334 349 386 测量时，若温度变化不大，则声速取值 c=340m/s。 若要求高精度，则可通过温度补偿或者软件改进提高精度。 在本设计中用 STC89C51 中的定时器来测量超声波传播时间，用 DS18B20 测量环境温度，达到提高测距精度的目的。 空气中声速与温度的关系可表示为： ）（ m/ 73 31c  公式 2（ 1） 声速确定后，只要得到超声波往返的时间，就 可以求得距离： 0 . 6 T ) t+1 /2 ( 3 3 1 . 4=L 公式 2（ 2） 增加角度补偿可使得测量数值更加的精确。 222 hls  公式 2（ 3） 滨州学院本科毕业设计（论文） 9 测量盲区 我们都知道，超声波模块发射探头和接收探头是并排放置到铜板上的。 而为了方便测量，再 加上测量会有一个夹角，夹角越小越精确，因此他们离着很近。 显而易见，发射探头所发出的超声波必然会先传播到接收探头。 但该声波信号并不是反射回来的信号，只要检测到该信号，接收电路就会对其进行处理而产生中断信号，单片机也会跟着做出响应。 但所测得值并不是我们要测的，是错误的操作。 因此要等发送脉冲一段时间后才能让单片机接收中断信号。 然而，该短时间内所走过的长度我们是不能检测到的，即为测量盲区。 可用下图 表示。 图 超声波回波测距原理分析图 本章小结 本章主要是介绍设计相关理论，对超声波和 设计所用单片机作了简要概述，并对 STC89C51 的性能特点、外部结构和内部组成做了相关阐述。 超声波传感器的选择也很重要。 最重要的是超声波测距的原理方法，这是根本，因此本章对此进行了相关介绍，并为对测量时产生的误差进行减免措施。 滨州学院本科毕业设计（论文） 10 第三章 系统硬件设计 系统硬件设计 系统硬件主要由以下六部分组成： （ 1）单片机系统。 （ 2）超声波发射电路。 （ 3）超声波检测接收电路。 （ 4）温度补偿电路。 （ 5）显示电路。 （ 6）报警电路。 其结构框图如图 所示。 系 统 硬 件 设 计单 片 机D S 1 8 B 2 0 温 度 补偿 电 路发 射 电 路接 收 电 路报 警 电 路L C D 显 示 电 路 图 系统硬件设计结构框图 社会在发展，科技在提高，超声波测距 技术 也随之更进一步。 但超声波的发射滨州学院本科毕业设计（论文） 11 和接收仍然是我们要研究的重要问题。 超声波传感器的工作原理都是一样的。 无论其大小、形状、灵敏度有什么不同。 而要提高超声波测量的精度，则必须要从设计要求的关键和难点出发，即对超声波的发射处理和超声波的接收处理这两个重要方面。 单片机概述 单片机就是一块由诸多功能模块构成的 集成电路 芯片。 所以单片机会拥有一些特殊功能。 然而这些功能的实现需要人为控制，即通过编程来控制，进而实现各种不同的功能。 目前单片机应用领域很广泛： ① 工业自动化。 如数据采集、测控技术。 ② 智能仪器仪表。 如数字示波器、数字信号源、数字万用表、感应电流表等。 ③ 消费类电子产品。 如洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、微波炉、 IC 卡、 汽车电子设备等。 ④ 通信方面。 如调制解调器、程控交换技术、手机等。 ⑤ 武器装备。 如战斗机、坦克和智能导弹等。 STC89C51 主要性能特点 STC89C51 简单介绍： （ 1） STC — 前缀，表示 STC 公司生产的产品。 （ 2） 8— 表示该芯片为 8051 内核芯片。 （ 3） 9— 表示内部含 Flash E178。 PROM 存储器。 （ 4） C— 表示该器件为 CMOS 产品。 （ 5） 5— 固定不变。 （ 6） 1— 表示该芯片内部程序存储空间的大小为 4KB。 算法其实就是 5 后面的这个数乘上 4KB。 主要性能： （ 1） STC89C51 系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准 8051 的单片机。 （ 2） STC89C51 系列单片机是新一代的 8051 单片机。 它具有高速 /低功耗的优滨州学院本科毕业设计（论文） 12 点，工作频率最高可达到 25MHz～ 50MHz。 （ 3） STC89C51 系列单片机有较宽的工作电压。 ① 5V 型号的可工作于 ～。 ② 型号的可工作于 ～。 STC89C51 单片机还具有以下特点： （ 1） ISP 与 IAP 编程方式。 （ 2） 6 时钟，机器周期模式。 （ 3）降低簟片机对外部电磁辐射。 （ 4）内部扩展 RAM。 （ 5）双 DPTR 数据指针。 （ 6）扩晨 P4 口。 （ 7）内置看门狗电路。 （ 8）软复位功能。