1、 本 科 毕 业 论 文（20XX 届）题 目 基于单片机的超声测距仪设计学 院 理学院专 业 光信息科学与技术班 级 学 号 学生姓名任课教师 完成日期 杭州电子科技大学本科毕业论文摘 要基于传统的测距方法在很多特殊场合存在不可克服的缺陷：比如在带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下进行测量距离，超声波测距可以很好的解决像这类的问题。本论文主要对单片机超声波测距系统的原理，单片机的应用等进行了分析；对超声波的发射电路和接收电路，LCD 显示电路，硬件制作和软件设计进行分析；对系统进行误差分析。经过实验的证明，本论文设计的系统软件和硬件设计的很合理、实时性很好，抗干扰的能力强。实验误差的显
2、示表明，本设计在进行短距离的测量时误差比较小，所以可以应用在建筑施工工地、汽车倒车以及一些工业现场的位置监控等方面。关键词：AT89S52；超声波；测距；LCD 显示杭州电子科技大学单片机课程设计ABSTRACTIn many special occasions,traditional methods based on the existence of insurmountable distance measuring defects,such as toxic and other adverse conditions,the measurement of corrosion in the l
3、iquid with strong electromagnetic interference,the ultrasonic range can be a very good solution to such problem.In this paper,focused on single-chip microcomputer-based ultrasonic ranging system,namely the principle of ultrasonic distance measurement,the occurrence of ultrasonic circuit,echo receive
4、r, data acquisition,LCD data show the principle of single-chip applications,system hardware,software design and production were discussed.The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified,the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capabili
5、ty is satis- factory.Experiments show that this error display design in short distance measurement error is less,so it can be used in building construction site,automobile reverse and some industrial field location monitoring,etc.Keywords: AT89S52; Silent Wave; Measure Distance; LCD display杭州电子科技大学单
6、片机课程设计目 录2超声波测距的原理.12.1 超声波的基本理论 .12.2 超声波测距系统原理 .13硬件设计.23.1 总体设计 .33.2 单片机及外围电路 .54软件设计.64.1 总体方案 .74.2 程序流程图 .9参考文献.10杭州电子科技大学单片机课程设计11引言1.1 单片机应用系统概述单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的 I
7、T 应用之一。嵌入式系统的应用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命”的现代化智能系统。嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的设备中，单片机作为嵌入式系统的核心部件，其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果，常常无需对硬件资源做任何改动，只需更新系统软件就能使系统功能升级。现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域，主要可以归纳为以下几个方面 1。(1)军事装备：各种武器控制(火炮控制、弹道控制、炮弹引信等)，坦克、舰船、轰炸等各种电子装备，雷达、电子对抗、军事通讯装备等。(2)家用电器：各种家电产品，如数字电视、机顶盒
8、、数码相机、VCD、DVD、可视电话、洗衣机、电冰箱、手机、智能玩具等。(3)工业控制：各种智能仪器仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统、工业机器人、机电一体化设备、汽车电子设备等。(4)商用设备：各种收款机、POS 系统、电子秤、条形码阅读器、商务终端、 IC 卡输入设备、自动柜员机、防盗系统等。(5)办公用品：复印机、打印机、传真机、扫描仪、手机、个人数字助理(PDA)、变频空调设备、通信终端、程控变换机、网络设备等。单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如图 1.1
9、 所示：总体方案设计 设计单元电路 制作PCB板安装调试编写应用程序 在线调试软硬件脱机运行图 1.1 设计步骤杭州电子科技大学单片机课程设计21.2 超声波测距系统概述 这些年来，随着人们生活水平的不断提高和汽车产业的迅猛发展，我国的汽车数量正在逐年的增加。但是同时在汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年的增加。在街道、车库、停车场等拥挤和狭窄的场所停车和倒车的时候，驾驶员既要向前看，也要向后看，稍微不小心就可能发生碰撞事故。根据有关调查的统计显示，15%的汽车碰撞事故是由于倒车时汽车司机的后视能力不足造成的。所以，在增加汽车的后视能力方面有很高的需求，以至于研制汽车后部探测障碍物的倒
10、车雷达系统就成为这些年来的研究热点 2。安全避免障碍物的前提是准确、快速地测量障碍物与汽车之间的距离。超声波一般指的是频率在 20 kHz 以上的机械波，超声波具有穿透性强，反射能力强，衰减小等很多特点。当超声波测距系统工作的时候，超声波发射器会发射出一系列的连续脉冲信号，然后超声波接收器等待超声波的回波信号返回，当回波信号返回时会由信号处理单元对接收的信号根据时间差进行处理，在计算出车和障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低廉，制作也比较方便，但它的传输速度还是受天气的影响比较大，在高精度测距方面还有缺陷；另外，超声波能量与距离的平方成正比率衰减的关系，所以，测量的距离越远，它的灵敏度
11、就越低，以至于使超声波测距的方式只适用于比较短的距离 3。目前，国内外一般的超声波测距仪，它的理想的测量距离为 45 m，因此大都数超声波测距仪用于汽车倒车雷达等近距离测距中。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达超声波测距系统。1.3 课题设计的任务和要求任务：(1)了解超声波测距原理。(2)根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件电路和单片机控制程序。要求：(1)设计出超声波测距仪的硬件电路和单片机运行程序。(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)对设计的单片机程序进行分析。(4)以数字的形式
12、显示测量距离。(5)进行实验分析。杭州电子科技大学单片机课程设计32超声波测距的原理2.1 超声波的基本理论人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在 20Hz-20KHz 范围内，超过20KHz 称为超声波，低于 20Hz 的称为次声波。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它有两种形式：横向振荡和纵向振荡。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，在不同的介质中它的传播速度也不同。另外，它也有折射和反射的现象，并且超声波在传播的过程中会有一定的衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十 KHz，而在固体、液体中传播时则会要求采用较高的频率。在空气中传播时衰
13、减的较快，而在液体及固体中传播时衰减较小，且传播较远 4。超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声 5。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。和人耳可以听到的声波比较，超声波有许多奇特的性质：(1)传播特性超声波的波长很短，超声波的波长比通常的障碍物的尺寸要小很多，所以超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播
14、，超声波的波长越短，这一特性就越显著。(2) 空化作用 当超声波在液体中传播的时候，因为液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速的胀大和闭合，这会使得液体微粒之间长生剧烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强，微粒之间的这种剧烈的相互作用，会使液体的温度积聚升高，这起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体发生乳化作用，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用 6。2.2 超声波测距系统原理超声波测距是一种非接触性质的测量方法，在比较恶劣的环境中也具有比较好的适应能力，而且超声波测距仪的结构比较简单，成本比较低廉，
15、所以超声波测距在建杭州电子科技大学单片机课程设计4筑测量、工业控制、机器人定位方面得到了广泛的应用 9。但是由于超声波在传播时还是比较难精确的捕捉，温度等因素对声速的影响等原因，使得超声波测距的在比较高的精度情况下受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求比较高的场合下的广泛应用。超声测距大致有以下方法：(1) 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；(2) 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 T，故被测距为：(2.1)12LVT本测量电路采用第二种方案。由于超声波的传播速度和温度有关，如果温度变化不大，则可以认为传播速
16、度基本不变 。如果测距精度要求很高的话，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量 10。因为超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波测距的算法设计为: 超声波在空气中的传播速度为每秒钟 340 米(15 时)。T2 是声波返回的时刻，T1 是声波发声的时刻，T2-T1 得出的是一个时间差的绝对值，假定 T2-T1=0.03s，则有 340m/s0.03s=10.2m。由于在这 10.2m 的时间里，超声波发出到遇到障碍物返回的距离如式(2.2)所示：(2.2
17、) 340(/)21)(msTsL反射物图 2.1 测距原理杭州电子科技大学单片机课程设计53硬件设计3.1 总体设计超声波测距系统是一个典型的应用型控制系统。它的工作原理是：首先，单片机的一个引脚发出一个超声波脉冲信号，然后单片机开始等待超声波遇到障碍物使的返回信号，当单片机接收到返回信号时单片机打开计时器测量返回信号高电平持续的时间，这段时间即为超声波在空气中传播的时间，单片机再由传播的时间算出它的传播距离再将它显示出来。超声波测距系统的组成框图如图 3.1 所示。该系统包括单片机控制模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块四个部分。单片机控制器(Rx)超声波接收及信号调理电路部分(
18、Tx)超声波发射及驱动电路 显示部分图 3.1 系统框图3.1.1 控制器模块系统的核心部件处理器选择 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机。系统分为硬件部分和软件部分，软件部分配合硬件来实现各种功能。3.1.2 超声波发射和接收模块在由集成电路构成的收发电路中，我们在本设计中采用 HC-SR04 超声波测距模块，主要是考虑到系统的调试简单、成本低、可靠性好。3.1.3 显示模块本设计采用 LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)显示。其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用 LCM1602 液晶屏，LCM1602 显示模块用点阵图形显示字符，显示模式
19、分为两行十六个字符。杭州电子科技大学单片机课程设计64软件设计4.1 总体方案本设计的软件部分主要实现的功能是发送超声波脉冲信号，接收处理回拨信号，同时使单片机的计时器开始计时，进行距离算法计算，最后控制 LCD 将距离显示出来。对于 AT89S52 的程序设计，为了快速的开发程序，因此采用 C 语言的形式。软件开发环境采用 Keil Software 公司出品的 Keil uVision3 软件。该软件是一款功能相当强大的单片机软件开发工具，它提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案。他集成了源程序编辑和程序调试于一体，支持 C 语言、汇编语言。4.2 程序流程图(1)主程序，分为系统初始化、按键处理以及各个子程序(包括超声波发射子程序、超声波接收和处理子程序、距离计算子程序、LCD 显示程序)的调度管理等部分。(2)基于 LCM1602 的显示模块，分为初始化子程序、清屏子程序、写入命令子程序、写入字符串子程序、写入数据子程序。如图 4.1 所示描述了各个模块的关系图 4.1 系统程序流程系统初始化按键检测发送超声波接收和处理超声波计算距离LCD 显示距离
