1、 毕 业 设 计 毕业设计题目：超声波测距仪的设计 学生姓名： 学 号： 系 别： 专业班级： 指导教师姓名及职称： 起止时间： 摘 要 现代的社会已经进入了飞速发展的阶段，人们在各个领域对测距仪的应用，有越来越广泛的需求。针对愈发广泛的应用需求，设计一种经济实用准确度高响应灵敏的测距仪很有必要，而本文设计的超声波测距仪恰好满足以上要求。 由于超声波具有指向性强和传送距离远等优点，人们很容易利用超声波制成测距仪。为了实现测距功能，本设计以 AT89S51 芯片为核心，再结合 4 位一体共阴 LED数码管、超声波传感器模块和 12.0M 晶振等器件。系统里包括了单片机系统， LED 显示电路，复
2、位电路以及超声波发射接收电路。 关键词 超声波 测距仪 AT89S51芯片 Abstract Modern society, has entered a stage of rapid development. Application of range finder in many fields , has a growing demand. In order to meet the increasing demands , it is necessary to design an economical range finder, which has a high accuracy and a
3、sensitive response. The ultrasonic range finder designed in this thesis just satisfies the above requirements. Because of good directivity and long transmission of ultrasonic, it is easy to fabricate an range finder by ultrasonic. In order to achieve the function of measuring distance , ultrasonic r
4、ange finder is designed with AT89S51 chip as the core. It also contains four in one common cathode LED digital tube, ultrasonic sensor module, and 12.0M crystal . The ultrasonic range finder is made up ofa single-chip system, LED display circuit, reset circuit, and an ultrasonic transmitting and rec
5、eiving circuits. Key words： Ultrasonic Range finder AT89S51 chip 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 设计的背景 . 1 1.2 设计的意义 . 1 第 2 章 超声波测距原理 . 2 2.1 超声波简介 . 2 2.2 超声波测距原理 . 2 2.3 超声波传感器 . 3 第 3 章 方案论证 . 4 3.1 设计思路 . 4 3.2 系统结构设计 . 5 第 4 章 主要元件介绍 . 6 4.1 单片机 AT89S51 . 6 4.1.1 AT89S51 简介 . 6 4.1.2 AT89S51 的主要性能特点 . 6
6、4.1.3 管脚说明 . 7 4.2 超声波传感器 HC-SR04 . 8 4.2.1 端口介绍 . 8 4.2.2 主要技术参数 . 8 4.2.3 基本工作原理 . 8 4.2.4 超声波时序图 . 9 4.2.5 模块线路图 . 10 4.2.6 最远探测距离调节 . 11 4.3 74HC573 器件 . 11 4.3.1 定义 . 11 4.3.2 原理说明： . 12 第 5 章 硬件电路设计 . 13 5.1 电源电路： . 13 5.2 复位电路： . 13 5.3 显示电路： . 14 5.4 超声波传感器电路 . 14 第 6 章 系统误差分析 . 15 6.1 误 差分析
7、的先决条件 . 15 6.2 误差分析表 . 15 6.3 误差分析 . 16 6.4 误差分析总结 . 17 第 7 章 总结 . 18 参考文献 . 18 致谢 . 20 附录 1 整体电路图 . 20 附录 2 测量现场图 . 21 附录 3 程序清单 . 22 1 第 1 章 绪论 1.1 设计的背景 如今，社会的发展不断带动了人们对测量长度或距离需求的提高。以前传统的测距方法在许多场合已不能满足人们愈发广泛的应用需求，比如是在管道长度井深液位等场合的测量。特别是在要求实时测距的情况下，传统的测距方法不能完成测量任务。在此背景下便产生了非接触式的测量需求。 采取非接触式对距离进行测量的
8、工具，最可靠便捷的是无线测距 仪。目前，超声波测距，微波雷达测距和激光测距三种测距方式是现在通过波的形式进行测距的主要技术。其中，雷达测距仪和激光测距仪的制作难度较高，造价高昂，很难普及到普通人们的日常应用，并且在使用过程中有其局限性，如激光易受外界光影响，微波雷达易受电磁场影响。而超声波测距仪具因其受外界影响较小，测量速度快，制作简单，造价低廉，准确可靠等优点，被越来越多的人使用。 目前，国内外超声波测距方面的研究水平和方向各有不同，某些方面已取得一定应用，能精确地测量距离，如管道长度井深液位等场合。但超声波测距仪有与其它 系统工具组合应用的发展方向，比如现在已被广泛使用的可语音播报的汽车倒
9、车雷达，有自动避障行走功能的机器人等。所以超声波测距仪未来在各个领域的发展空间很大，发挥越来越重要的作用，满足愈发广泛的应用需求。 1.2 设计的意义 目前，随着我国城市化进程不断加快，城市规模扩大，城市人口数量激增，城市给排水系统压力越来越大。更加上历史原因以及种种不可忽视的原因，比如拆迁问题，排水系统建设往往跟不上城市建设的脚步。每当暴雨来袭，新闻里总会看到街道积水，给市民的生活带来极大的不便。因此，对排水系统中重要一环的箱涵进 行排污疏通治理必不可少。 由于人们的环保意识不足，随地乱扔垃圾的现象经常出现，所以容易导致排水系统箱涵内积累大量杂物，在加上箱涵的容积较小，人们不能亲自清理。所以
10、人们选择了机器人这科技产物，对箱涵进行疏通清理。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分，控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制 1。 从上面的例子可看出，超声波测距仪的设计意义在与结合生活实际设计出简便实用超声波测距仪，为人类服务。 2 第 2 章 超声波测距原理 2.1 超声波简介 （ 1）定义 物体振动，就会发出声音。这么简单的道理我们都知道。我们把物体振动发出的机械波称之为声波。但是在正常的情况下，超声波是不能被人们听见的。因为超声波的频率超过了人们听觉的极限。科学研究表明，人耳听到的的声波频率范围为 202
11、0000 赫兹。而超声波的频率正好超过 20000 赫兹。 （ 2）产生方式 产生超声波的方式与我们平时听到的声波的产生方式没什么区别。都是物体振动的机械波以纵波的形式在空气介质中传播。但不同的是可闻声的频率较低，波长较长，所 以在一定范围内以直线传播的方向性较差。然而超声波的频率较高，波长叫短，所以在一定范围内以直线传播的方向性较好。在本设计的超声波传感器中，当传感器模块收到高电平 TTL 信号后，压电晶片就会振动，发出超声波。 （ 3）波型 超声波的应用波型有许多种，有横波、纵波、兰姆波和表面波 (瑞利波 )，可通过声波的传播方向与物体振动方向的关系来辨别。超声纵波是本设计应用的波型。 2
12、.2 超声波测距原理 超声波测距仪测量距离利用的就是波的反射特性。测量前，要将超声波测距仪水平对准被测物体，被 测物体附近无其他干扰物。开始测量时，测距仪就会发射出超声波，等待超声波返回，并同时计时。当接收到反射超声波时，就会立即停止计时，将获得的时间通过公式来计算测距仪与被测物体的距离。 测量距离 S 为 vtS 21 式中 v 传播速度； t21 单向传播时间。 由上式可知，影响测量距离精度的主要因素是计时精度和传播速度。所以如果要提 高测量距离的精度，就要提高计时精度，和尽量选择正常的传播速度（传播速度易受温度等影响）。 3 2.3 超声波传感器 定义：能发射和接收超声波的传感器叫超声波
13、传感器。目前电声型传感器与流体动力型传感器是常用的超声传感器。 超声波传感器探头的结构形式有许多种，如果接收表面波的是表面波探头，只接收纵波的是直探头，只接收横波的是斜探头。当然还有收发一体式探头和收发分体式双探头。由于设计的需要，所以本次选用的是收发分体式双探头传感器，即一个探头发送超声波，另一个探头接收超声波。 超声波传感器的选择对超声波的测 量起关键作用。如果超声波频率取得较低，虽探测距离较大，但容易收到外界杂音的影响。如果超声波频率取得较高，就会在传播的过程中衰减严重，探测距离较短，分辨能力变强。所以针对本设计的要求，本设计采用的是 HC-SR04 超声波传感器。 HC-SR04 超声
14、波传感器是压电传感器。探头的组成部分有压电晶片、接头、楔块等。这种探头有一个主要作用是发出超声波和接收反射波。 4 第 3 章 方案论证 3.1 设计思路 本次毕业设计的主要技术指标有两个，一个是测量范围为 0.405.00m，另一 个是测量精度为 0.01m。要完成这两个指标虽有点压力，并不困难。 首先，我认识到超声波的优势特点就是指向性强，传送距离远，方向性好等，对于距离的测量非常适合。同时，因其超声波测距原理通俗易懂，计算处理数据简单，设计的结构简单，并且在测量精度上能达到各种场合的要求。完全能设计出一个成本低廉，工作稳定可靠的超声波测距仪。 目前，市面上已经有了专用的超声波集成电路。但
15、是专用的集成电路测量精度并不是很高，只能达到厘米级，只能满足一般的测距要求。如果要制成更高精度毫米级别的超声波测距仪，就要对其产生的 误差进行分析，并进行相应的补偿，比如用温度传感器对超声波的传播速度进行温度补偿。由于本设计要求的测量精度为 0.01m，不需要太高的测距要求。所以要满足其要求选用 12.0M 晶振和 HC SR04 的超声波传感器就行了。 设计出超声波测距仪的方式有许多种。一种就是使用专用集成电路设计的测距仪，使用专用集成电路的最大优点是使用简单方便，但是它的缺点也很明显，就是只有单一的测距功能，并且制作成本高，不利于推广使用。另一种就是基于CPLD 的超声波测距仪。它的优点是
16、集成度高，开发周期短，利于开发多功能的超声波测距设 备。但是它的编程语言是硬件描述语言，我不太擅长，所以最后不选择这种设计方式。还有一种是以单片机为核心的超声波测距仪。使用大学期间主要学习的是单片机系统，再加上使用单片机对控制传感器方面容易和计算简单，能很好地操控整个设计。所以本设计的超声波测距仪采用的是这种设计方式。 大学期间，我们学生课程所学的主要是 AT89C51 的单片机，但由于现代技术的发展， AT89S51/52 单片机几乎取代了 AT89C51/52 单片机。所以本设计采用的是 AT89S51 单片机。采用 AT89S51 单片机有极大的优势，首先它性能强 大，性能主要有完善的输入输出端口内部程序存储器，以及强大的控制端口。其次它也非常方便使用，单片机编写程序与常用的计算机 C语言基本相同。最后是 AT89S51芯片价格便宜，适合推广应用。 5 3.2 系统结构设计 超声波测距仪系统结构如图 3.1 所示。它主要由 AT89S51 单片机、 HC SR04超声波传感器、电源电路、 LED 显示电路及复位电路组成。系统主要功能包括： 超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离； （ 1） LED 数码管显示器显示距离； （ 2）当系统运行不正常时，用复位电路 进行复位。 图 3.1 超声波测距仪系统结构框图
