基于单片机的超声波测距仪本科生毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的超声波测距仪本科生毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

多种 材料构成。 晶片的 尺寸 ， 可根 据实际需要有不同的规格 ， 所以 每个探头的性能 也 是 有所 不同， 在 使用前 首先看说明书，了解性能。 超声波传感器的性能指标 主要 包括： （ 1）工作频率 【 9】 ： 工作频率 是指 压电晶片的共振频率。 即若所加 两端的交流电压的频率 与 晶片的共振频率相 同 ， 此时 输出的能量最大，灵敏度也最高。 （ 2）工作温度 ：在使用中， 一般压电材料的 居里点 比较高， 尤其是在 诊断用的 超声波探头 中，因为 使用功率较小，所以工作温度 也 比较低， 从而 可以长时间地工作而不 会 失效。 而在 医疗用的超声探头 ，其 温度 则 比较高， 所以 需要单独的制冷设备。 （ 3）灵敏度 ：主要受晶 片本身的影响。 机电耦合系数 越 大， 则 灵敏度 比较 高；反之，灵敏度 将会越 低。 如果有 电压作用 在 压电陶瓷 上 ，压电陶瓷 将 随电压和频率的变化 而发生 机械变形。 另一方面， 若 压电陶瓷 发生震动 ，则 将 产生一个电荷。 根据 这一原理， 如果给 两片压电陶瓷或 一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器， 即所谓的 双压电晶片元件，施加一个电信 脉冲 号时，就会 引起 弯曲振动 而 发射出超声波。 反 之 ， 若给 双压电晶片元件施加超声振动 时， 将会 产生一个电信 脉冲 号。 根据以上原理 ， 即可将 压电陶瓷用作超声波传感器。 根据 常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于 70kHz 的情况下，是不 能够实现 此目的。 因此 ，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的 压 图 4 超声波模块 实物图 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 7 电陶瓷。 在 此种 情况下，压电陶瓷的声阻抗 和 空气的匹配就 显得非常 重要。 压电陶瓷的声阻抗为 107kg/m2s ，而空气的声阻抗为 102kg/m2s。 5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。 采用 一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻 抗相匹配。 这种结构可以使超声波传感器在高达数百 kHz 频率的情况下，仍然 可以 正常工作。 市场上开放型超声波传感器较为常见 ，它的内部结构如图 5所示， 复 合式振动器被固定在底座。 该复合式振动器由谐振器和双压电晶片元件振动器组成，而双压电晶片元件振动器由一个金属片和一个压电陶瓷片组成。 如图，呈喇叭形的为谐振器，其作用是可以有效地将振动产生的超声波辐射出，并使超声波聚集于振动器的中央位置。 压电陶瓷上有电压作用时，其将随电压和频率的变化而发生机械变形。 此外，当压电陶瓷受振动时，将产生一个电荷。 根据此原理，若给压电陶瓷和双压电晶片元件一个电信号时，由于弯曲振动而将发射出超声波。 反则，若给双压电晶片元件施加超声波振动时，其将产生一个电信号。 根据以上原理，超声波传感器 可用压电陶瓷制作。 图 5 超声波内部结构 测距原理 计时器与超声波发射器射出超声波同时 开始计时， 发射的 超声波在空气中传播， 若遇到 障碍物就 会立刻折 返， 当被 超声波接收器收到 ，计时器 立即停止。 已知超声 波在空气中的传播速度 为当地声速（约 为 340m/s） ，根据计聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 8 时器 显示 的时间 （ t） ， 即可近似 计算出发射点 与 障碍物的距离 (s)， 用公式表示为 ： s=340t/2 已知超声波是一种声波，其速度 V 与温度有关。 工作中，若传播介质的温度近似不变，则可认为传播速度基本不变。 若测距精度要求较高，可通过温度 补偿来校正数值。 一般近似计算中，速度值采用 340m/s。 再由所测往返的时间，即可求得所测距离。 此即为超声波测距仪的基本原理。 如图 6所示： t 超声波发射 障碍物 S H θ 超声波接收 图 6 超声波的测距原理 cosSH （ 31） )(HLarctg （ 32） 式中 :L两探头中心距离的 1/2. 已知超声波传播的距离为 : vtS2 ( 33) 式中 :v— 超声波在介质中传播的速度。 t— 超声波往返所需的时间 . 将（ 3— 2）、（ 3— 3）代入（ 31）中得： ]c o s [21 HLarctgvtH  ( 34) 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 9 已知在一定的温度下，超声波的传播速度 v是一个常数 (如以海平面为参考平面，温度 T=30 度时 ,V=349m/s)。 当所测距离 H远大于 L 时 ,则 (3— 4)变为 : vtH 21 ( 35) 由式可知，若知 t即可求得 H。 时钟电路的设计 时钟电路如图 7所示，由图可知， 反向放大器的输入和输出 分别为 XTAL1 和XTAL2。 当 配置为片内振荡器 时， 可采用石晶振荡 或 陶瓷振荡 【 10】。 当 采用外部时钟源驱动器件 时 ， XTAL2 应不接。 已知 一个机器周期 包含 6个状态周期，而 一 个状态周期 又包含 2个振荡周期，故 一个机器周期 总包含 12 个振荡周期。 若 振荡频率为 12MHZ，一个振荡周期为1/12us， 则 一个机器周期 应 为 1us。 如图 7 所示 ： CCX12MHZXTAL1XTAL2 图 7 时钟电路图 复位电路的设计 复位常用上电自动复位和外部按键手动复位。 STC89C52在时钟电路工作之后 ,要完成复位操作，需在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平信号。 例如，当采用晶振频率为 12MHz 时，则对应的复位信号持续时间应≥ 2us。 本此 设计使用的是自动复位电路。 如图 8所示为复位电路图： 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 10 图 8 复位电路图 声音报警电路的设计 如图 9 所示， 将 一个 Speaker 和三极管、电阻接到 STC89C52 的 P13 引脚上，则 构成声音报警电路，如图 9所 示为声音报警电路 图： B1蜂鸣器Q58550VCCGND+R132KP23 图 9 声音报警电路图 显示模块 本设计中显示模块采用数码管显示接口电路，如图 10 所示， 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 11 E1D2DP3C4G54H62H9F10A111H12B73H8DS1ABCDE FGDP 1H2H3H4HQ18550Q38550Q48550Q28550VCC1H3H2H4HR4 1KR5 1KR7 1KR6 1KP34P35 P36P37 图 10 数码管电路 主程序工作流程图 由以上对 工作原理和硬件结构 的 分析 ， 系统主程序工作流程图 可由 如下图 11所 表 示 ； 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 12 图 11 主程序工作流程图 系统初始化 报警结束 测得距离与设定值比较，小于 距离比较，报警是否持续 开始 启动报警电路开始报警 再次检测等待下次报警 结束 Y N N Y Y N 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 13 超声波测距程序流程图： 图 12 超声波测距程序流程图 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 14 单片机引脚 本论文采用的为 STC89C52单片机，如图 13： 图 13 STC89C52 本次设计中单片机主要使用了以下引脚： : 用于显示输出，控制 LED 段码显示。 : 用于显示输出，控制 LED 段码显示。 : 用于显示输出，控制 LED 段码显示。 : 用于显示输出，控制 LED 段码显示。 : 用于显示输出，控制 LED 段码显示。 : 用于显示输出，控制 LED 段码显示。 : 用于显示输出，控制 LED 段码显示。 : 用于显示输出，控制 LED 段码显示。 ：用于显示输出，控制 LED 位码。 ：用于显示输出，控制 LED 位码。 ：用于显示输出，控制 LED 位码。 ：用于显示输出，控制 LED 位码。 ：产生输出一个 40KHZ 的脉冲信号。 INT0: 产生中断请求，接超声波接收电路。 T0：用于按键控制，发送超声波。 T1：用于按键控 制，停止发送超声波 (即停止测距 ) 焊接和检查 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 15 从网上购买焊接所需元件。 焊接过程中，首先将焊锡点在焊盘上，然后在焊盘与焊盘之间补上焊锡。 焊接时，注意焊接速度尽量快，以避免电烙铁氧化形成黑色的氧化物。 焊接完，仔细检查所焊接的电路，与焊接用的成品图和安装图、原理图（见附录）相对比。 认真检查几次，然后才可通电试验。 如果发现试验失败，则认真仔细的检测电路。 一、是否有虚焊；二、是否漏焊；三、是否焊接连接错误。 图 14 焊接图 实物图 实物如下图 15： 15 实物图 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 16 结 论 本设计探究了一种以单片机为基础的超声波测距仪的设计制作原理。 该 设计围绕 以 STC89C52单片机为核心处理器。 本设计采用的是 被动式 超声波 探测器件（ HCSR04）， 它不需要 接触 即可 测出 前方物体距离 ，并转化为相应的电信号输出 .该 测距仪报警系统 的最大 优点 是 可满足用户自行设定的报警距离，并在超过设定值时可实现连续报警，且易于 操作、灵活 、 安装 简洁 、智能 化 高、报 错 率低。 随着科学现代化的发展，人们对于安全有了更高的追求，基于科学技术的快速发展 ，测距仪报警系统将会有更为广阔的应用前景。 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 17 参考文献 [1] 吴政江 . 单片机控制红外线防盗报警器 [J]. 锦州师范学院学报 , 20xx. [2] 宋文绪 . 传感器与检测技术 [M]. 北京 : 高等教育出版社 , 20xx. [3] 余锡存 . 单片机原理及接口技术 [M]. 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 20xx. [4] 唐桃波 , 陈玉林 . 基于 AT89C51 的智能无线安防报警器 [J]. 电子设计应用 , 20xx, 5(6): 49～ 51. [5] 李全利 . 单片机原理及接口技术 [M]. 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 20xx. [6] 薛均 义 , 张彦斌 . MCS51 系列单片微型计算机及其应用 [M]. 西安 : 西安交通大学出版社 , 20xx. [7] 徐爱钧 , 彭秀华 . 单片机高级语言 C51 应。