【基于单片机的超声波测距系统设计5400字（论文）】

第一章绪论1.1课题背景及研究意义超声波的测距在很多的方面有应用，例如在汽车的，机器人的。超声波的传感器简单实用，便宜。超声波的速度传播慢，计算的比较方便。不受各种的因素影响。超声波的简单易用，是一种很好的测量的方法。与激光，涡旋和无线的通信的距离的测量方法相比，具有不受外界的光和磁场的伤害的优点。在恶劣的环境中它也具有一些的优势。具有适应性的强，结构的简单，成本的低廉的特点。它已广泛的用于工业的控制的系统，精确的测量外壳的结构和精确定位智能的机器人。此系统要设计一个专用的实验的教学的设备，让学生对理论理解更加扎实，此实验达到了很多的教学目的，涵盖单片机，电路，pcb设计，编程，传感器等知识。同时此选题加强了自我的能力，有助于将大学的四年的知识的综检查。本设计采用ST89C15系列芯片为主控制器，速度快，性能好；采用HC-SR04超声波模块，一方面超声波传感器的结构简单，成本低廉，另一方面，波以声速传播，便于检测与计算，此模块在避障、汽车倒车、测距等许多方面应用广泛；采用OLED显示屏作为显示部分，OLED易编程，操作性强，移植性好，可显示内容丰富。总之，本设计是通过得到超声波模块波的发射到接收的时间计算出到障碍物的距离，并显示出来，设置最小报警距，并能够声光报警，温度补偿修正精度。1.2超声波测距国内外研究现状现代的技术快速的发展，科技不断的进步，自动化，电子电路，信号与系统以及传感器的技术与之相关的测距的技术在各个领域发挥各种的各样的作用。超声波可以在对称的材料中直线的传播，光的波长越小，其衍射的能力越显着。当声音在空中直线的传播时，这会导致空气中的粒子在对粒子进行操作时来回的振动。声波的频率的抗压的强度表示声波频率的速度水平。在同种测距中频率高，输出的功率高。冲击的作用很强，从而产生的数千的到数万的大气的压力。用在倒车的提醒，工业的现场等测距。尽管当前的距离的测量的范围可以是100米，但测量的精度只能达到厘米级。国内，各种的科研工作人员在各个方面取得了进展。例如信号的测试、研发、选取脉冲。同样，在国外，超声波的测距技术同样得到了长足的发展。在伦敦帝国理工学院，超声波应用在探伤、机器人。在纽约大学，互相关和余弦波的理论应用在超声波的系统中，精度进一步的提高。在苏黎世理工学院，超声波的干涉和检测的系统利用复杂的算法，实现了系统的超高精度的测量仪器。1.3主要研究内容本文的结构：一是绪论的部分，介绍研究背景、课题意义即基于单片机的超声波测距的系统设计。二是理论和原理以及总体方案设计，介绍超声波测距。三为系统硬件的设计。在该部分，详细论述单片机、hc-sr04模块、显示的模块的特性、电路。四为系统的软件的设计，包括流程图，main程序，子程序即按键、测温、超声波的模块各自的子程序。五为系统的测试，提供测试的图。最后是结论，对基于单片机的超声波的测距系统设计进行总结与展望，说明问题第二章总体方案设计2.1超声波测距原理超声的技术是基于物理学的，电子学的，力学的和材料科学的技术之一。超声波的技术的生成，传输的和接收的物理的过程。超声波具有聚焦，定向，反射和透射的特性。超声波是实用的远程的控制的方法，频率为20hz到20khz，人们是听不到的。超过两千赫兹的声音人们接收不到。到速度为340m/s，与光波的和电磁波的相比非常的慢。超音波它是定向的，这意味着能量的相对于其他的波聚焦，这与可听的声波不同。另外，大部分的精力当超声波在其路径上遇到不同的介质时，会反映出这一点。原则上，超声的范围可以分为很多的种。在传输的那一刻，时间开始同时的计数。超声输入它在根据的渡越时间法的测量。2.2超声波传感器它是超声波能量或相同频率下的其他动能的设备。在此阶段，常见的超声波传感器是电声和流体动力学的。声频传感器具有多种结构形式，它是最普通的传感器，可以完成超声波测试中电磁能和声音的相互转换。当将超声波施加到集成IC，超声波传感器可以将其他方式更改为所需频率的超声波能量或将超声波能量更改为相同频率下的其他能量的组件。传感器其必须与其原始串联谐振相同。在这种情况下，超声波传感器将显得更加敏感。当常用的压电材料保持不变时，可以根据压电陶瓷芯片的几何规格轻松改变原始的串联谐振。可以使用此功能制作各种频率的超声波传感器。2.3总体方案设计2.3.1超声波测距系统超声波测距系统由三部分组成，包括发射电路，接收电路，测温电路，指示灯电路等。超声波测距系统采用超声波传感器，是由压电晶片形成的。超声波可以在对称的原材料中以平行线传播。可见光的波长越小，其透射能力越显着。当声音在空中以平行线传播时，这将这导致空气中的颗粒在对颗粒的实际操作过程中来回振动。声波频率的频率的抗压强度抗压强度表示声频的速度水平。在同一测试中到中频的距离高，输出功率高。冲击效果非常强，这反过来会导致数千到数十万空气的工作压力。用于工业生产现场的转向技巧等距激光测距。尽管精确测量当前螺距的范围可以达到100米，但是仅可以在度量等级中实现精确测量的精度。2.4影响超声波测距的主要因素2.4.1温度影响横向和纵向波有影响。因为蒸气体具有抵抗收缩和膨胀的弹性模子，所以蒸气体的收缩和转变力的阻力可以完成超声波在空气中的传播。因此，超声分散的速度受气体密度和温度以及蒸汽分子结构的影响。这是：在B为蒸气的弹性模具中，r为蒸气的相对密度。C是蒸气弹性模具。已知能够获得理想气体的收缩特性：B＝g·r，其中g定义为均匀热容与恒定体积热容的比，气体为1.41，P为气压。蒸气的气压为：其中，R为通用常数8.314kg/mol，T为蒸气温度K（绝对温度），M为蒸气含量，气体为28.8×10-3kg/mol。所以从公式可以知道，超声波速度与气体温度密切相关。示例：20℃时，T=293.15，CS2.4.2回波检测影响超声波传感器发射超声波，到达障碍物表面，然后返回超声波传感器。超声波的整个过程具有非常大的衰减系数水平。方程如下：A=A（x）cos（axkt）A是超声传感器的接收幅度，A0是超声传感器的原始幅度；α是透射系数；X是超声波分散的距离距离w是角频率；k是峰值位置。透射系数α＝b。其中b是气体物质参数，f是超声频率。结果表明超声音频率越高，衰减系数越快。另外，如果超声波频率太高，会引起很多旁瓣，导致近场效应。但超声波频率越高，特异性越大，而变化太弱了在设计超声波接收电源电路时，请注意放大倍率（10,000倍）和良好滤波特性的设计方案。2.5本章小结对超声波测距的原理和影响精度的主要因素做了介绍。超声波的原理和应用是分不开的，本章是基于单片机的超声波测距系统的理论基础。第三章系统硬件3.1STC89C51芯片stc89c51具有很多好的优点，比如说是8位控制器，其机器和设备的使用Atmel的高密度，高非易失性存储的技术，并且兼容标准的mcs-51计算机的指令，集成的ic和通用的8位cpu和闪存芯片的模块，是内置多功能的小规模的测量机器stc89c51显示了经济发展的合理解决的方案。stc89c51是40引脚的和32引脚的，具有出色的功耗和性能的。是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。主要特性：(STC)8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带4K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载；可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。STC89c52单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8~12倍，带ADC,4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。外部双输入/输出（i/o）端口号，包括两个外部的可编程的控制器的可编程的控制器端口号的，两个16位的电子计数器和两个双工通信端口号的stc89c51可以编写一些符合的国际惯例的串行的通信程序，以及可视化的程序。其通用的微控制器和闪存芯片的集成，特别是反复的擦除闪存芯片，合理地节省了工程的成本。外部双输入/输出（i/o）端口号，包括2个外部可编程控制面板可编程控制面板端口号，2个16位计数器和2个双工通信端口号stc89c51可以编写一些常规的串行通信通信程序和数据可视化程序。其通用微处理器和闪存芯片的集成，尤其是闪存芯片的连续擦除，有效地节省了工程项目的成本。I/O端口号的编程实际上是基于电源的电路的功能的使用的和I/O程序的流程的存储器。实际的过程如下所示：（1）根据它特定的电源电路规定，选择要使用的I/O端口号，并使用equ伪指令的定义相应的存储器；[3]（2）端口号的数据信息输出的存储器的复位应防止将端口号用作输出的时间。3.2超声波模块HC-SR04超声波传感器是通过超声波单脉冲雷达回波传播时间方法完成的。发现此个传感器的非常容易安装并用于一个测距项目。该传感器具有附加的控制电路，可以根据应用程序防止不一致的“弹性”数据。它是超声波能量或相同频率下的其他动能的设备。在此阶段，常见的超声波传感器是电声和流体动力学的。声频传感器具有多种结构形式，它是最普通的传感器，可以完成超声波测试中电磁能和声音的相互转换。当将超声波施加到集成IC，超声波传感器可以将其他方式更改为所需频率的超声波能量或将超声波能量更改为相同频率下的其他能量的组件。它是超声波能量或相同频率下的其他动能的设备。超声波传感器是流体动力学的。声频传感器具有多种结构形式，它是最普通的传感器，可以完成超声波测试中电磁能和声音的相互转换。当将超声波IC，超声波传感器可以将其他方式更改为所需频率的超声波能量或将超声波能量更改为相同频率下的其他能量的组件。3.3电路设计3.3.1复位电路延迟电路的基本组成的部分是：在打开的系统软件的电源时显示校准数据信号，直到系统的软件的开关的电源稳定为止，然后取消校准的数据，应在开关的电源稳定后一定的延迟时间后取消校准，以防止主电源的开关或电源线的插头引起的振动打开和关闭整个过程，并损害校准，单片机的设计将执行实际的校准操作。如果RST一直是上拉电阻的，则微控制器的设计处于循环系统的校准状态。因此，如果校准的引脚的电容较大，则校准的时间会更长一些；但是，如果电容器太小而上拉电阻的延迟时间太短，则微控制器设计将无法正常校准所有器件，并且将无法正常工作。电容器是正常的。单片机设计的延时电路只接电源，电容器刚开始不充电，电容器中的电阻很低。插入后，9V开关电源根据电阻器为电解。因此，校准引脚从低电位差上升到高电位，从而对内部电源电路进行了校准。按下复位开关后，电容器的两面都会充放电，电容器会返回0V，因此正在执行另一次校准。延迟时间电源电路是在系统电源打开时指示，直到系统软件的手机软件的电源顺利切断为止，然后将数据信息取消校准，并保持开关电源的稳定。经过一定时间延迟后，取消校准，以避免主电源开关或电源线的电源插头打开和关闭而引起的振动。整个过程，并损害校准。由单片机执行实际的校准操作。单片机的延迟电路仅连接到电源，一开始电容器没有从电池中充电，电容器关电源是基于电阻的电解方法。因此，校准引脚从低电势差上升到高电势，并且对内部电源电路进行了校准。按下校准开关后，电容器的两侧将为电池充电，并且电容器将返回至0V，因此已执行了另一次校准。3.3.2时钟电路它高压陶瓷电容器组成。晶体振荡器电路和高压陶瓷电容器没有正极和负极。两个高压陶瓷电容器的末端必须接地。3.3.3按键设置电路用i/o端口入口的脉冲信号高度，区分端口。第四章系统软件主要流程：startstart初始等待反射超声波发射超声波脉冲计算距离显示结果图4.1系统软件流程图 程序有main程序、显示子程序、报警子程序和按键子程序等。4.1主程序 主程序流程图如图4.2所示。YNYN初始化调用显示子程序物体存在读出距离处理startend图4.2主流程图4.2显示子程序 显示流程图如图4.3所示。end赋型位startend赋型位start图4.3显示数据子流程图4.3报警子程序报警流程图如图4.4所示。YYstartoutnumbernumberY发声end图4.4报警4.4按键子程序 按键流程图如图4.5所示。 图4.5按键子流程图4.5本章小结软件设计在硬件设计完成之后进行，程序设计，编程模块化，有main程序和其它一些子程序组成，有超声波测距、测温、显示程序。温度补偿设计在最后完成。第五章系统测试测距显示结果距离过近时报警第六章结论为了实现单片机的超声波测距系统设计，查阅资料，做了很多的准备工作。了解国内外的研究现状。研究的功能，框架的调整，方案的总结。用AD画原理图，将每个的模块都呈现出来，最后腐蚀板子，购买各种器件，焊接。硬件的完成后，烧入程序，调试完成的功能。完成的设计后，发现功能的效果和预想符合，不过问题在过程中发现还是有很多，需要不断地改进。参考文献[1]胡汉才．单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社，2012.[2]王守中.51单片机开发入门与典型实例[M].北京:人民邮电出版社，2007.[3]陈雪丽.单片机原理及接口技术[M].北京:化学工业出版社,2005.[4]薛均义，张彦斌.MCS-51系列单片微型计算机及其应用.西安：西安交通大学出版社，2008.[5]唐颖，程菊花，任条娟.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：北京大学出版社，20