基于单片机的超声波测距系统实验报告

基于单片机的超声波测距系统实验报告一、实验目的1.了解超声波测距的原理；2.根据超声波测距的原理，设计了超声波测距仪的硬件结构电路。3.分析所设计的电路可以产生超声波，实现超声波的发射和接收，从而实现用超声波方法测量物体之间的距离；4.以数字形式显示测量的距离；5.使用蜂鸣器和发光二极管实现报警功能。二、实验内容1.认真学习相关理论知识，查阅大量相关数据，确定系统总体设计方案，设计系统框图；2.确定各种参数所需的硬件设施，完成电路的理论分析和电路模型构建。3.调试和验证各单元模块；4.单元模块的集成和整体调试；5.完整的原理图设计和硬件制造；6.整体编写程序和调试电路；7.写实验报告并提交给老师进行验收。三、实验原理超声波测距是通过连续检测超声波发射后遇到的障碍物反射的回波来测量发射回波和接收回波之间的时间差t，然后计算距离S=Ct/2，其中c是超声波速度。由于超声波也是一种声波，它的声速与温度有关。使用时，如果温度变化很小，声速可以认为基本不变。如果测距精度很高，应该通过温度补偿来校正。声速确定后，只要测量超声波的往返时间，就可以得到距离。这是超声波测距仪的原理。单片机(AT89C51)发出40千赫的短信号，经放大后通过超声波换能器输出。反射的超声波通过超声波换能器作为系统的输入，锁相环锁定信号，产生锁定信号，启动单片机中断程序，得到时间t，由系统软件计算判别时间t，并将相应的计算结果发送给发光二极管显示电路显示。(一)超声波模块原理：超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，可提供2厘米至400厘米的非接触式距离传感功能，测距精度可达3毫米。基本工作原理：输入输出端口触发用于触发测距，给出至少10微秒的高电平信号；该模块自动发送8个40khz的方波，并自动检测是否有信号返回。当信号返回时，通过输入输出端口ECHO输出一个高电平，高电平的持续时间是从超声波发射到返回的时间。测试距离=(高级时间*声速(340米/秒)/2。物理对象如下图1所示。VCC提供5V电源，GND接地，TRIG触发控制信号输入，回声回声回声信号输出和其他四个分支。图4超声波模块的物理示意图程序中的测试功能主要由两个功能完成。在实现中，定时器0用于定时测量，分频为8，TCNTT0的默认值为0XCE，定时器0溢出中断发生2500次时为125毫秒，计算公式为(单位：毫秒):T=(定时器0溢出* (0XFF-0XCE)/1000定时器0的初始值的计算根据分频而变化。(2)超声波换能器的工作原理：执行产生和接收超声波功能的设备是超声波传感器，通常称为超声波换能器或超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，它既能发射超声波又能接收超声波。低功率超声波探头主要用于检测。它有许多不同的结构，可分为直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一探头反射，一探头接收)等。超声波探头的核心是塑料外壳或金属外壳中的压电芯片。晶片由多种材料组成。由于晶片的尺寸(如直径和厚度)也不同，每个探针的性能也不同。在此之前，我们必须提前知道探头的性能参数(2)工作温度。由于压电材料的居里点一般较高，特别是当用于诊断的超声波探头使用较少的功率时，工作温度相对较低，并且可以长时间工作而不会出现故障。医疗中使用的超声波探头的温度相对较高，需要单独的制冷设备。(3)敏感性。这主要取决于晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高。人类能听到的声音的频率范围是：20Hz 20kHz，即可听声波。超过这个频率范围的声音，即低于20千赫的声音称为低频声波，高于20千赫的声音称为超声波。超声波以直线传播。频率越高，衍射能力越弱，但反射能力越强。为此，可以利用超声波的这一特性制造超声波传感器。此外，超声波在空气中的传播速度相对较慢，为340米/秒，这使得超声波传感器的使用非常简单。我们选择压电超声波传感器。其探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它们是利用压电材料的压电效应工作的。逆压电效应将高频电振动转化为高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；正压电效应用于将超声振动波转换成电信号，该电信号可用作接收探头。为了研究和利用超声波，已经设计和制造了多种超声波发生器。一般来说，超声波发生器可以大致分为两类：一类是用电产生超声波，另一类是用机械产生超声波。电学方法包括压电、磁致伸缩和电学。机械方法包括鼓形笛、液体笛和气流旋转笛。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性不同，因此它们的应用也不同。目前，通常使用压电超声波发生器。图2超声波传感器结构压电超声波发生器实际上是利用压电晶体的共振来工作的。超声波发生器的内部结构如图所示。它有两个压电晶片和一个共振板。当在其两极施加频率等于压电晶片的自然振荡频率的脉冲信号时，压电晶片将谐振并驱动谐振板振动，从而产生超声波。另一方面，如果在两个电极之间没有施加电压，当共振板接收超声波时，它将压迫压电晶片振动并将机械能转换成电信号，然后它将成为超声波接收器。如图2所示。(3)超声波传感器的原理：市场上大多数常见的超声波传感器都是开放式的，其内部结构如图3所示。复合振动器柔性固定在底座上。复合振子是由谐振器、金属片和压电陶瓷片组成的双压电晶片振子。谐振器具有喇叭形状，其目的是有效地辐射由振动产生的超声波，并将超声波有效地聚焦在振动器的中心。当电压作用在压电陶瓷上时，随着电压和频率的变化，会发生机械变形。另一方面，当压电陶瓷振动时，会产生电荷。利用这一原理，当电信号被施加到由两个压电陶瓷或一个压电陶瓷和一个金属片组成的振动器(称为双压电晶片元件)时，由于弯曲振动而发射超声波。相反，当超声振动施加到双压电晶片元件时，产生电信号。基于上述作用，压电陶瓷可以用作超声波传感器。图3超声波的内部结构超声波是弹性介质中的一种机械振动，其频率超过20千赫，可分为横向振动和纵向振动。超声波可以以不同的传播速度在气体、液体和固体中传播。它在传播过程中有折射和反射现象及衰减。(4)超声波测距原理：超声波发射器向特定方向发射超声波，并在发射时间的同时开始计时。超声波在空气中传播，在途中遇到障碍物时立即返回，超声波接收器在接收到反射波时立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340米/秒，根据计时器记录的时间t，可以计算出发射点与障碍物之间的距离，即s=340t吨/秒由于超声波也是一种声波，它的声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质的温度变化很小，超声波速度可以近似地认为在传播过程中基本上是恒定的。如果距离测量的精度很高，测量结果应该通过温度补偿进行数值校正。声速确定后，只要测量超声波的往返时间，就可以得到距离。这是超声波测距仪的基本原理。四.方案设计硬件部分(一)总体规划设计该设计包括硬件和软件设计。该模块分为数据采集、按键控制、四位数码管显示和报警等子模块。电路结构可分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。至于本设计的核心模块，单片机是设计的核心单元，所以本系统也是单片机应用系统的一个应用。单片机应用系统也由硬件和软件组成。硬件包括由单片机、输入输出设备、外围应用电路等组成的系统。软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的开发过程包括总体设计、硬件设计和软件设计几个阶段。该系统采用单片机作为核心控制单元。当测量距离小于设定距离时，主控芯片将测量值与设定值进行比较。然后控制蜂鸣器发出警报。系统的总体设计框图如图4所示。电源STC89C51主控制器模块超声波传感器模块按键控制4位数码管显示模块蜂鸣器警报组件图4系统框图(2)主要模块设计主控制最小系统电路如图5所示。图5最小系统硬件电路的总体设计如图6所示。从以上分析可以看出，本设计采用了以下器件：STC89C51、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等单片机外围应用电路。其中D1是电源运行指示器。电路中使用了三个键，一个是设置键，一个是加键，一个是减键。图6总体设计电路图(3)时钟电路的设计XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入和输出。反相放大器可以配置为片内振荡器。石晶体振荡和陶瓷振荡都可以使用。如果使用外部时钟源驱动器件，则不应连接XTAL2。由于一个机器周期包含6个状态周期，每个状态周期是2个振荡周期，因此一个机器周期有12个振荡周期。如果外部石英晶体振荡器的振荡频率为12兆赫兹，一个振荡周期为1/12微秒，则一个机器周期为1微秒。时钟电路如图7所示。图7时钟电路图(4)复位电路的设计复位方法通常包括自动上电复位和通过外部按键手动复位。时钟电路工作后，当复位端连续给出2个机器周期的高电平时，单片机可以完成复位操作。例如，如果晶振频率为12兆赫，复位信号持续时间应不小于2us。该设计使用自动复位电路。图8示出了复位电路。图8复位电路图(5)声音报警电路的设计如下图所示，一个扬声器、一个三极管和一个电阻连接到单片机的引脚P13，形成一个声音报警电路，如图9所示。图9声音报警电路图(6)显示模块显示模块使用数码管显示接口电路，如图10所示图10数字管电路(7)电源设计电源部分设计使用3节5号干电池和4.5V电源。软件部分(一)主要程序工作流程图根据以上工作原理和硬件结构分析，可以看出主程序的工作流程图图11主程序工作流程图(2)超声波检测程序流程图：图12超声波检测程序流程图V.实验代码#包括#包括#包括“eepom52.h”#定义uchar无符号字符#定义uint无符号整数/数字管段选择定义0 1 2 3 4 56 7 8 9uchar代码smg_du=0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90，0x88，0x83，0xc6，0xa1，0x86，0x8e，0xff。/损坏的代码/数字管位置选择定义uchar代码smg_we=0xe0，0xd0，0xb0，0x 70 ；uchar dis_smg8=0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8。sbit SMG _ we1=p34；/数字管位置选择定义sbit SMG _ we2=p35；sbit SMG _ we3=p36；sbit SMG _ we4=p37；p32；/超声波发射p33；/超声波接收uchar标志_ hc _ value/超声波中间变量sbit beep=p23；/蜂鸣器输入输出端口的定义位flag_key_b_en，flag _ key _ set _ en/按键蜂鸣器启用uchar SMG _ I=3；/显示数码管的位数位标志_ 300msbit key _ 500ms长距离；/距离uint set _ d；/距离位标志_ csb _ juli/超声波超出范围uint flag _ time0/用于保存计时器0/键的输入输出变量的定义uchar key _ can/键值的变量uchar zd_break_en，zd _ break _ value/自动退出设置界面uchar menu _ shudu=10/用于控制连续加法的速度。位标志_ lj _ en/按键并启用它位标志_ lj _ 3 _ en/连续3次击键