毕业设计（论文）-基于单片机的超声波测距系统的设计.doc

淮北师范大学 2012 届学士学位论文 超声波测距系统的设计 学院 、专业 物理与电子信息学院 电子信息工程 研 究 方 向 学 生 姓 名 学 号 指导教师姓名 指导教师职称 2012 年 4 月 26 日 超声波测距系统的设计 淮北师范大学物理与电子信息学院 235000 摘要 超声波测距法迅速，方便，计算简单，易于做到实时控制，提过基于单片 机的超声测距系统的设计能更加深入地了解单片机的实际应用。本课题完成整个 超声波测距系统设计，包括单片机控制电路，超声波模块，1602 显示数据。 本课题硬件部分设计采用 51 单片机开发板和所需的超声波收发电路。程序 由计算机仿真并烧入单片机实际调试，最终实物是一个能在 2 至 400cm 范围内准 确测量距离的系统，经实际测量误差控制在 5%以内。基于单片机的超声波测距系 统易实现，成本低，精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性，该 系统的设计过程加深了对单片机的理解。本设计的产品也能在实际生活中有很广 泛的应用。 关键词 单片机；超声波模块；测距；1602 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 ii design of ultrasonic ranging based on singlechip yang lei school of physics and electronic information, huai bei normal university, anhui huaibei, 235000 abstract ultrasonic ranging is so quick and useful,it can be easy to translationed and be controled on time. the ultrasonic ranging system based on single chip design can to understand the practical application of single chip microcomputer this distance measurement include single-chip microcomputer，ultrasonic module and data presentation by 1602. the system is made up by singlechip part,send and receive part,lcd part and temperature detective part.with the helping of smallest system and computer,the product which can detective the distance from 2cm to 400cm comes out.the error is only 0.5%. based on scm ultrasonic ranging system easy to realize, low cost, high precision, and easy to do real-time control, has strong practicability, the design of the system process deepened to the understanding of the single chip microcomputer this design products can also in real life have a wide range of applications . keywords single-chip microcomputer; ultrasonic module; 1602 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 iii 目 次 i 绪论1 i.1 课程设计目的及意义.1 i.2 课题设计的任务、要求及思路.2 1 系统的硬件结构设计 .4 1.1 系统整体方案的设计 4 1.2 系统整体方案的论证 4 2 系统的硬件结构设计5 2.1 单片机的功能特点及测距原理 5 2.2 超声波模块的原理 6 2.3 超声波测距系统的硬件设计 7 3 系统的设计9 3.1 超声波测距的程序设计 9 3.2 系统软硬件调试 10 3.3 系统测试实物图 10 结论 14 参考文献 15 附录 a 程序附录 a 程序16 致谢 21 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 1 绪论绪论 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎 物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20khz 以上的机械波)， 借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射 的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速 要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好 控制，因而人类采用仿真技术利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、 电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测 应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位，以及 流体液面高度测量等。 i.1 课程设计目的及意义 i.1.1 课程设计目的 随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给 我们的生活带来了诸多方便。本课题就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性 来为我们服务。由于超声波指向性强,因而常于距离的测量。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1。超声波在 空气中的传播速度为 v，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物 的距离 s，即：s=vt/2 。这就是所谓的时间差测距法。 利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在 测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人,汽车安全,海洋测量等上 得到了广泛的应用。 i.1.2 课程设计研究的意义 通过本课题可以帮助学习理解单片机和超声波这两种时下发展最快的技术。 制作基于单片机的超声波测距系统，需要以超声波技术为基础的外围超声波收发 电路，以及以单片机技术为核心的主控制器。是学习电子产品设计的很好途径。 利用超声波测距，在许多方面有很多优势。因此，本课题的研究是非常有实用和 商业价值。 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 2 i.2 课题设计的任务、要求及思路课题设计的任务、要求及思路 i.2.1 课题设计任务 本设计选用 hc-sr04超声波模块。在了解超声波测距原理的基础上，完成了 基于时差测距原理的一种超声波测距系统的硬件设计，其中为了进一步提高系统 测量精度和系统稳定性，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行 修正，降低了温度变化对测距精度的影响。有利于提高超声波测距系统的测量精 度。 具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路， 接收电路，led1602显示，要求范围在2-400m，测量误差5%以内，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。 i.2.2 课题设计要求 超声波测距器可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置控 制监控，也可用于如液位、井深、管道长度、物体厚度等的测量。其测量范围为 0.204.00m，测量精度为 0.3cm。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。 本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计 时。单片机选用 8051，经济易用且片内有 4k 的 rom，便于编程。单片机通过 计时并按一定的算法运算后将所测物体的距离在八段数码管上显示出来。此外， 对于超声波传感器还需设计相应的辅助电路，将超声波调制脉冲变为电压信号， 再经运算放大等一系列行为，最终作为中断请求信号，送至单片机处理。 设计一超声波测距仪，要求： (1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。 (2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而 实现利用超声波方法测量物体间的距离。 (3).对设计的电路进行分析。 (4).以数字的形式显示测量距离。 i.2.3 课题设计思路 因为超声波指向性强，采用 51 单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 led 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 3 图一 超声波测距器系统设计框图 发射器发出的超声波以速度 在空气中传播，在到达被测物体时被反射返 回， 由接收器接收，其往返时间为 t，由 s=vt/2 测试距离=(高电平时间*声速 (340m/s)/2;即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速 v 与 温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大， 则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法 加以校正。 表 1-1 超声波波速与温度的关系表 温度 （） -30-20-100102030100 声速 （m s） 313319325323338344349386 在本次设计超声波测距系统中因考虑气温因素对测量数据的影响。 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 4 1 1 课题方案设计与论证课题方案设计与论证 1.11.1 系统整体方案的设计系统整体方案的设计 系统整体方案的设计 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播 的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较 方便，计算处理也较简单， 并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的 使用要求。 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，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。 根据设计要求并综合各方面因素，本文采用 at89c51 单片机作为控制器， 用动态扫描法实现 led 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。 1.21.2 系统整体方案的论证系统整体方案的论证 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计 算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射， 另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收 的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决 于对超声波传感器的选择。 超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于 超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频 率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应 用低频率的传感器。 lcd1602 应用很普遍，市面上字符液晶绝大多数是基于 hd44780 液晶芯片 的，控制原理是完全相同的，因此 hd44780 写的控制程序可以很方便地应用于 市面上大部分的字符型液晶。 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 5 2 系统的硬件结构设计系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波模块三部分。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 p1.2 端口输出超声波换能器所需的 40khz 的方 波信号，利用外中断 p1.0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用 简单实用的 lcd1602 显示。 2.1 单片机的功能特点及测距原理单片机的功能特点及测距原理 从制造工艺来看，mcs-51 系列中的器件基本上可分为 hmos 和 cmos 两类。 cmos 器件的特点电流小和功耗低（掉点方式下消耗 10a 电流） ，但对电平要求 高（高电平大于 4.5v，低电平小于 0.45v）,hmos 对电平要求低（高电平大于 2.0v,低电平小于 0.45v） ，但功耗大。5l 系列单片机中典型芯片(at89c51)采用 40 引脚双列直插封装(dip)形式，内部由 cpu，4kb 的 rom，256 b 的 ram，2 个 16b 的定时计数器 to 和 t1，4 个 8 b 的 io 端，一个全双功串行通信口等组 成。特别是该系列单片机片内的 flash 可编程、可擦除只读存储器(eprom)，使 其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统 中更为有用,该系列单片机引脚与封装如图 2-1 所示。 图二 51 系列单片机封装图 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 6 5l 系列单片机提供以下功能：4 kb 存储器；256b ram；32 条工o 线；2 个 16b 定时计数器；5 个 2 级中断源；1 个全双向的串行口以及时钟电路。空 闲方式：cpu 停止工作，而让 ram、定时计数器、串行口和中断系统继续工 作。掉电方式：保存 ram 的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到 下一次硬件复位。5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。 充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测 距系统。 在本课题中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 sct2，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。 2.2 超声波模块的原理超声波模块的原理 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 sct2，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。 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 7 控制口发一个10us 以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就 可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距 的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到移动测量的值。 超声波模块工作原理： (1)采用 io 触发测距，给至少10us 的高电平信号; (2)模块自动发送8 个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； (3)有信号返回，通过io 输出一高电平，高电平持续的时间就是 (4)超声波从发射到返回的时间测试距离=(高电平时间*声速(340m/s)/2; 2.3 超声波测距系统的硬件设计 超声波模块 超声波测距是借助于超声脉冲回波度越时间法来实现。设超声波脉冲由传感 器发出到接收所经历的时间为 t，超声波在空气中的传播速度为 c，则从传感器到 目标物体的距离 d 可用下式求出： 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 8 超声波测距模块 hc-sr04 可提供 2400cm 的非接触式距离感测功能，测距 精度可高达 3cm，莫空包括超声波发器、接收器与控制电路，如下图示： 图三：hc-sr04 电路图 hc-sr04 有四个引脚为 vcc、trig、echo 和 gnd： vcc 是 5v 电源，gnd 接地； trig 是出发测距引脚，给至少 10us 的高电平信号； echo 是信号接收引脚，有信号返回时，通过 i/o 口 echo 输出一个高电 平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 引脚图如右： 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 9 在本次课题中用的是单片机开发板进行测试，hc-sr04 引脚 trig 接 p1.2 ech0 接 p1.1 口。本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至 接收往返时间的计时，单片机选用 at89c51，经济易用，且片内有 4k 的 rom，便 于编程。 3.3.系统程序设计系统程序设计 超声测距，最重要的就是对发射信号的控制及接收测量的时机控制。51 单片 机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、 可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等优 点。本超声测距系统就是用 51 单片机开发设计的。它采用模块化设计，由主程 序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 3.1 超声波测距的程序设计超声波测距的程序设计 主程序 主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器 t0 为方式 1，gate=00010001，置位总中断允许位并给显示端口清 0。然后调用超声波发 生子程序控制发射电路送出一组超声波脉冲，发射后等待 10ms 打开外部中断 t0。 超声波模块设计 超声波发生子程序的作用是通过 p1.2 端口发送超声波脉冲信号，脉冲宽度 至少为 12s 左右。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用 c 语言编程。超声波测距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收 到返回超声波信号（即 echo 引脚出现低电平） ，立即进入中断程序。进入中断 后就立即关闭计时器 t1 停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。t0 中断用来计 数器，当超出测量范围时，t0 中断溢出，lcd1602 显示“-” 。 被测距离 s 计算，由 echo 接收端接收的时间 time 可计算出来。如下： time = th0 * 256 + tl0; th0 = 0; tl0 = 0; 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 10 s = (time * 1.7) / 100; /算出来是 cm 3.2 系统软硬件调试系统软硬件调试 超声波测距仪的制作和调试都比较简单，程序在 uvision2 编辑器中进行编译， 硬件把超声波模块的 trig 接单片机开发板的 p1.2 口，echo 接 p1.1 口，接上 1602 芯片，将程序烧进单片机，可以进行测距。 为了验证系统的测量精度，正对光滑硬质表面进行测量，进行多次测量，并 有直尺对测量距离进行验证，最大测量误差不超过 3cm，数据比较稳定，测量范 围在 400cm。以内每次测量时，探头的位置，方向有微小变动。而且环境条件不 同也会得到不同的结果。由于反射物而引起的偶然误差，这可能是测量中最大的 误差源。反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于两探头的轴线，所以反 射回来的波测得的结果必然不相同。 3.3 系统测试实物图 图四：测试前图片 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 11 图五：测试图 图六：测试图 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 12 图七：超出量程时图片 图八 测试图片 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 13 从测试中的数据可以看出，最大测距不超过 3cm，数据比较稳定，具有一定 的可重复性。但数据可能不能完全吻合，可能的原因有： (1)每次测量时，探头的位置，方向有微小变动。而且环境条件不同也会得到 不同的结果。 (2)盲区的出现是因为发射信号必须有一个上升时间，当距离太近时计算机系 统已不能处理迅速返回的反射波信号，所以距离小于 0.20m 时测量误差明显增加。 远距离时，回波信号微弱，混有大量的噪声，对门限判定造成很大干扰，易产生 误判。 (3)由于反射物而引起的偶然误差，这可能是测量中最大的误差源。反射物表 面不是很平整，而且也并不一定垂直于两探头的轴线，所以反射回来的波也许是 从 a 点获得，也许是从 b 点获得，测得的结果必然不想同。 在应用中往往由于被测物表面材质、系统中元器件参数误差等因素的影响， 所以测距范围在 3m 内是最好的，而最小测量距离受限于回波干扰，所以最小测 距为 20cm 左右。 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 14 结 论 本文通过对超声波在媒质中的传播特性，超声换能器的工作机理和测距算法 分析，研究超声波信号的衰减以及脉冲信号的驱动特性，并据此设计脉冲信号的 发射电路，基于八 t89551 单片机作为主控芯片完成测距系统的设计，利用超声 波模块的发射及接收信号，然后通过得到的渡越时间计算距离。 本系统具有以下优点： (1 发射探头的频率信号来自单片机系统，准确、稳定、可靠，而且可以随时 通过软件改变频率，以驱动相应发射探头。 (2 采用了单片机，使系统体积小、重量轻，加强了灵活性和可靠性，修改、 调试、定标都方便。 通过实验发现本系统仍有一些需改善的方面: (1)由于探头限制，在高温、高压等恶劣环境下，测量误差较大，可以根据实际情况更 换更合适的探头。测量距离与发射功率直接相关，由于探头功率有限，只能在较小范围测 量。提高发射探头功率，测距范围将扩大。 (2)超声波在传播过程中受空气扰动以及尘埃吸收的影响，接收回波的幅值随 传播距离的增加成指数规律衰减，使得远距离回波难以检测。改进方法是提高发 射探头电压，增大发射功率。 最后，本超声测距系统的抗干扰能力和可靠性还有待提高。超声测距采用如 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 15 雷达的回波探测方式，回波信号波形就与目标特性有关。碰到与超声波长相对而 言粗糙表面的目标，就要发生漫反射;碰到平整的表面，就产生近于镜面反射，因 此，回波信号起伏很大。在一般的工业现场中，声音干扰信号或干扰信号往往很 大，这种干扰信号能够改变超声波距离测量中的接收信号，这样不仅增大了测量 误差，甚至有可能造成重大的测量错误，降低了整机的可靠性。 超声测距技术是一门交叉学科，它设计到声学、力学、材料科学等，每一门 学科的新发展都会推动超声学的发展。新型换能器以及大功率驱动电源技术的发 展必将使超声的测距范围进一步扩大，超声测距技术将广泛应用于机器人或无人 小车的定位系统、交通工具安全预警等方面。 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 16 参考文献参考文献 1 胡建，刘玉宾，朱焕立.单片机原理及接口技术 2006 年 机械工业出版 社 2 杨居义 单片机课程设计指导 2009 年 清华大学出版社 3 韩宝亮，孙伟.单片机在超声波测距中的应用l1.东北电力学院学报， 1996，16(4):50 一 53 4 赵广涛，程荫杭.基于超声波传感器的测距系统设计j.传感器与仪器仪 2006，22(1)，129 一 131 5 张健,李钢.超声波测距系统的研究与设计.合肥工业大学学报，2004,6:27 6 高飞燕.基于单片机的超声波测距系统的设计j.信息技术; 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for(;t0;t-) for(i=19;i0;i-); void write_byte(unsigned char date, bit i) rw = 0; lcden = 0; rs = i; p0 = date; delay_50us(20); lcden = 1; delay_50us(20); lcden = 0; void init_1602() delay_1ms(15); write_byte(0x38,0); delay_1ms(5); write_byte(0x38,0); delay_1ms(5); write_byte(0x38,0); write_byte(0x38,0); write_byte(0x0c,0); write_byte(0x06,0); write_byte(0x01,0); 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 20 void display_1602(unsigned char y,unsigned char x,unsigned char value) y = y x = x if ( y ) x = 0x80 + 0x40 + x; else x = 0x80 + x; write_byte(x,0); write_byte(value,1); void conut(void) time = th0 * 256 + tl0; th0 = 0; tl0 = 0; s = (time * 1.7) / 100; /算出来是 cm if(s = 400)|(flag = 1) /超出测量范围显示“-” flag = 0; disbuff0 = -; /“-” disbuff1 = -; /“-” disbuff2 = -; /“-” else disbuff0 = tables / 100; disbuff1 = tables / 10 % 10; disbuff2 = tables % 10; 淮北师范大学 2012 届学士毕业论文 超声波测距系统设计 21 void main( void ) init_1602(); display_1602(0,0,d); display_1602(0,1