1、编号 毕 业 设 计（论文）题目 超声测距系统设计与应用二级学院 计算机科学与工程学院 专 业 计算机科学与技术 班 级 学生姓名 学号 指导教师 职称 时 间 重庆理工大学毕业论文 超声测距系统设计与应用a目录摘要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 本设计的前景 .21.3 本设计完成的工作 .32 需求分析 .42.1 系统描述 .42.2 功能需求 .42.3 性能分析 .53 总体方案设计 .63.1 硬件设计 .63.1.1 主控制器模块方案 .63.1.2 电源模块 .73.1.3 显示模块 .83.1.4 温度补偿模块 .83.1.5 报
2、警模块 .93.2 最终方案 .104 硬件实现及单元电路设计 .114.1 主控制模块 .11重庆理工大学毕业论文 超声测距系统设计与应用b4.2 单片机的时钟电路与复位电路设计 .114.3 超声波测距模块 .124.3.1 超声波的基本特性 .124.3.2 超声波的电器特性 .154.3.3 超声波的工作原理 .174.4 声音报警电路的设计 .194.5 显示模块 .204.6 温度补偿电路 .215 系统软件设计方案 .235.1 DS18B20 初始化程序流程图 .245.2 超声波传播速度和温度的关系 .256 系统的安装与调试 .276.1 安装步骤 .277 总结 .298
3、 致谢 .309 参考文献 .3110 附录 .3211 文献综述.38重庆理工大学毕业论文 超声测距系统设计与应用I摘要超声波测距因其性能可靠，成本低廉，使用方便，抗干扰能力强，能量在传播中的损耗低，传播距离合适。超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。STC89C52 是 STC 系列单片机里应用最广泛的一款之一，在自动化控制、微控制领域据有很高的价值，以其易用性和多功能性受到了广大电子设计爱好者的好评。本次设计主要是利用 STC89C52 单片机、超声波传感器完成超声波测距系统的制作
4、，以STC89C52 为主控芯片，利用超声波对距离的检测，将人与前方待测物体的距离探测出来，然后单片机处理运算，与设定的报警距离值进行比较判断，当测得距离小于设定值时，STC89C52 发出指令控制蜂鸣器报警。同时，本系统还通过 DS18B20 模块进行温度补偿，减少由温度不同而造成声速不同带来的误差，提高测量距离的精度。此系统可广泛应用于小距离测距、机器人检测、车辆倒车雷达以及智能家居安防系统等多个领域，未来还可以用在无人汽车的蔽障功能上。关键词：超声波传感器、STC89C52、DS18B20 重庆理工大学毕业论文 超声测距系统设计与应用IIAbstractBased on non-cont
5、act ultrasonic distance measurement module because of its high accuracy, reasonable price, widely used, has a strong anti-jamming capability, the energy loss in the dissemination of low range acoustic propagation distance appropriate. Ultrasonic transmission sensor and ultrasonic receiving sensor pr
6、inciple is not complicated, does not occupy space, cheap, easy to master technology, signal reception and transmission is simple and reliable, suitable for miniaturization and easy integration. For these reasons, ultrasound can be used as a means of non-contact distance measurement, and related indu
7、stries have also been attention. STC89C52 STC Series MCU is in very basic, but also the use of one of one of the most common, especially in the field of micro-control industrial automation, motor control, etc. It has a very high market share, with its ease of use and versatility by the majority of e
8、lectronic design enthusiasts. This design is mainly based on STC89C52 through the main chip, HC-SR04 as an ultrasonic sensor, DS18B20 temperature module to complete the production of ultrasonic ranging system to STC89C52 as the main chip, the reflection characteristic ultrasonic distance calculation
9、s, if the distance between the target and less than the set value, the microcontroller will issue instructions control the buzzer alarm. Meanwhile, in order to improve the accuracy also increases the speed of sound module DS18B20 temperature correction to reduce errors caused by the different temper
10、ature caused by different speed of sound, so that the accuracy of the measured system greatly improved. This system can be applied in many fields, including short distance from a number of areas measuring measurement, automation, detection, vehicle reversing radar and intelligent home security syste
11、ms.Keywords: ultrasonic sensors, STC89C52, DS18B20重庆理工大学毕业论文 超声测距系统设计与应用11 绪论1.1 课题背景及意义测量距离，在我们日常生活中是会经常用到的，各行各业都会用到不同的方法来测量距离。最常用来测量距离的工具就是用卷尺，但是这种方法有很大的局限性，没有很好的准确性和便捷性，且效率很低，在很多情况下不能得到很精确的结果，而且使用也有很多的限制。而非接触式测距的出现就很好地解决了这些问题。目前市面上常见的非接触式测距工具中，常用的有的红外测距、激光测距和超声波测距。红外测距具有便宜，结构简单等优点，但是测量距离近，精度低，方向性
12、差；激光测距的优点是精度高，距离远，但是成本较高，制作难度大，而且仪器需经常保养，在复杂环境下稳定性不高；而超声波测距，具有成本低，精度较高，测量距离合适等优点，而且能在复杂环境下正常使用，不受空气洁净度的影响，所以本设计选择了超声波测距。声音每秒钟震动的次数称为频率，我们人能听到的声波频率范围为 20HZ 到 20KHZ 之间，频率低于 20HZ 的声音称为次声波，而频率高于 20KHZ 的声波称为超声波，这两种声音人都是听不到的。19 世纪末到 20 世纪初，在物理学上发现了压电效应和反压电效应，人们解决了利用电子学技术产生超声波的问题，从此超声波的运用和推广有了巨大的发展。近些年来，随着
13、超声技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空航天、宇航、石油化工、交通信息等工业和日常领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。随着社会的发展，各个行业对测距问题也显得越来越重要，对非接触式测距的要求也越来越迫切，计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，非接触式测距也跟着产生了质的改变。由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、空气、被测对象状态等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有易维护、无污染、高可靠、长寿命等特点。因此可
14、广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位等行业中。可在不同环境中进行距离准确重庆理工大学毕业论文 文献综述2度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液体罐的液位、物料等的高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有非常广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超
15、声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点： (1) 超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；(2) 超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；(3) 超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。1.2 本设计的前景随着科学技术的快速发展，超声波传感器在日常生活中的应用越来
16、越广泛。但就目前技术水平来说，超声波测距可以运用的领域与目前实际运用的领域还有很大差距，因此，超声波测距将来在更多的领域将有很大的作用，而且比现在的更加可靠。目前，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具，主要在测距方面运用的领域是倒车雷达等短距离测量、对精度要求不是非常高的领域，但是根据超声波的精确特性，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。如超声波在声纳的运用中的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解
17、决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。重庆理工大学毕业论文 文献综述3可以肯定，以后超声波传感器的利用将不再是以一个单一超声波的模块，而是与自动化、智能化融合，与其他各种传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断、信息采集和信号处理功能向具有自我学习的能力发展，实现人工智能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，功能全面、准确、稳定的传感器将发挥更大的作用。目前正在发展的无人汽车，超声波测距也可以作为一种辅助的近距离蔽障手段，而且结构简单可靠。1.3 本设计完成的工作(1)熟悉掌握单片机的集成开发环境，运用 C 语言编写完成项目工程
18、；(2)熟练应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法；(3)自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；(4)了解超声波测距原理，温度补偿实现方法。重庆理工大学毕业论文 文献综述42 需求分析2.1 系统描述本测距系统由软件部分和硬件部分组成，硬件部分包括硬件部分主要包括单片机出来单元，超声波单元，超声波单元包括有超声波发射和超声波接收模块。电气方式包括压电型、电动型等；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较为常用的是压电式超声波换能器。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检
19、测接收电路三部分。单片机采用的是 STC89C51 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。而且该单片机性能稳定，容易与其他模块搭建系统，功能满足系统要求。单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。超声波模块采用的是 HC-SR04，是一款高集成度的芯片，能够进行包括发射超声波、接收超声波以及超声波信号的放大并将信号反馈给单片机。显示电路采用 LCD 液晶屏。同时加入温度补偿模块，减小由温度带来的误差。显示电路采用 LCD 液晶屏显示。2.2 功能需求系统在空气中测量范围
20、为 0-4 米，对固体、液体表面可测量，并且能将距离实时显示到 LCD 显示屏上，还能设置一个距离，当测得的距离小于设定的值时，系统将发出报警提示。设计单片机的最小电路以及单片机与各个模块的电路图，超声波模块能对接收单片机的信号发射超声波，并且在接收超声波的时候能将超声波信息发送到单片机。增加温度模块实时测量环境温度，并通过温度修正超声波的速度，增加精确度。采用非接触式测量方式,不影响被测表面。重庆理工大学毕业论文 文献综述52.3 性能分析由于超声波传播速度较光波来说要慢很多，而且超声波的传播过程受空气、色彩和光照度的影响较少，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体等)。由于超声波
21、对外界光线和电磁场不敏感，因此还可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。超声波传感器结构简单、体积小，信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，本设计可用于多种复杂的情况下，并且能够保证较高的准确度。超声波模块在处理超声波信号的时候容易控制。超声波在收到来自单片机发射超声波的信号后，就立即发射超声波。在超声波模块接收到超声波的时候，会反馈给单片机一个信号，不需要单片机额外的控制，所以对单片机的处理速度要求不是很高。而且超声波的发射与接收都是用的单独的集成模块，只需要单片机控制该模块，不需要单片机来控制超声波的发射接收原理，所以单片机的性能不需要很好，只需要进行基本的数据处理与控制。根据超声波的特性与相关模块的实际情况，可以测量的距离在 0-4 米左右，分辨率在 0.05米左右。温度测量模块能实时测量温度，输出的结果为 16 进制的温度值，不需要进行其他运算处理，可以直接转换为 10 进制的温度值使用。当收到超声波信号的时候单片机会从温度模块读取当前温度，然后根据温度来修正超声波的速度，减小由温度带来的误差，提高了系统的准确性，保证在不同环境下都能测得精确的距离。
