1、Q260046902 专业做论文西南科技大学毕业设计（论文）题目名称：基于 51 单片机的超声波测距模块设计年 级：2003 级 本科 专科学生学号：20035095学生姓名：时余春 指导教师：何宏森 胡天链学生单位：信息工程学院 技术职称：讲师学生专业：生物医学工程 教师单位：信息工程学院西 南 科 技 大 学 教 务 处 制西南科技大学本科生毕业论文 I基于 51 单片机的超声波测距模块设计摘要：本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声波测距模块。该模块以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。论文概述了超声检测的发展及基本原理，介绍超声波传感器的原理及特性。对于测距
2、系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。进一步介绍了单片机 AT89C51 在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。最后利用测距系统进行验证。实验表明，各主要波形及技术指标均达到设计要求。该系统对室内有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分析了误差产生的原因及如何对系统进行完善。关键词：51 单片机；超声波；测距西南科技大学本科生毕业论文 IIDesign of Ultrasonic Distance Measurement Based on AT89C51 M
3、CUAbstract: The thesis introduces a kind of single-pulse-refection ultrasonic distance meter system module in detail based on Microcontroller. The system could measure certain distance with the reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave is fixed. This paper summarizes the de
4、velopment and foundational principle of ultrasonic detections. Then it presents the theory and characters of ultrasonic sensor. At the same time, it discusses a number of main technical parameters. Moreover, it proposes the whole structure of the system by introducing the function of ultrasonic dist
5、ance meter. And then the transmission receiver, detection, display scheme of this distance meter system is demonstrated. Specially, after the application of AT89C51 microcontroller, it analyzes the hardware and soft ware realization of each part in this system. At last the result and error analysis
6、of the experiments is presented. It is proved by experiments that the design of the system is provided with high accuracy and reliability. In the end, the further measures of modification are presented.Keywords: AT89C51 MCU, ultrasonic, distance measurer 西南科技大学本科生毕业论文 III目 录第 1 章 绪论 11.1 课题背景 11.1.1
7、 机器人感知系统研究现况 11.1.2 传感器技术概况 11.2 课题目的及意义 21.3 课题设计研究范围及成果 2第 2 章 超声波传感器模块测距方案分析 32.1 超声波与超声波的应用 32.2 超声波传感器 42.2.1 超声波传感器的原理及结构 42.2.2 超声波传感器的分类 62.2.3 超声波发射器 72.2.4 超声波接收器 82.3 系统主要参数考虑 102.3.1 传感器的指向角 102.3.2 声速 102.3.3 测量盲区 102.4 超声波传感器模块设计原理 112.5 典型的超声波传感器测距模块 11第 3 章 超声波传感器测距模块的硬件设计 133.1 超声波传
8、感器测距模块的总体 133.2 超声波传感器测距模块的设计难点及解决方法 143.2.1 提高测距精度的依据 153.2.2 系统设计干扰问题及其解决方法 153.3 硬件电路设计说明 153.3.1 发射部分 16西南科技大学本科生毕业论文 IV3.3.2 接收部分 163.3.3 测温部分 163.3.4 超声波测距模块 163.4 主要器件选择及其简介 163.4.1 LM358 运放简介 163.4.2 温度传感器 DS18B20173.4.3 AT89C51 单片机简介 193.5 硬件电路的具体设计 203.5.1 电源的设计 203.5.2 超声波发生电路 213.5.3 超声波
9、回波接收检测 223.5.4 温度补偿电路 233.5.5 LED 动态扫描显示电路 233.6 系统抗干扰措施 24第 4 章 系统软件结构设计 264.1 主程序结构 264.2 中断程序 274.3 回波接收程序 29第 5 章 系统实验结果分析 30结论与展望 32致谢 33参考文献 34附录 1：超声波测距模块设计原理图 35附录 2：超声波测距模块设计 PCB 图 36附录 3：超声波测距模块设计 PCB3D 效果图 37附录 4：DS18B20 温度采集补偿程序 38西南科技大学本科生毕业论文1第 1 章 绪 论1.1 课题背景本设计依托电子技术、嵌入式处理计算技术、机器人技术、
10、传感器技术，并根据当前科学技术发展潮流，引出对用于机器人中的超声波传感器测距模块的研究与设计。1.1.1 机 器 人 感 知 系 统 研 究 现 况近年来，机器人的研究与发展倍受世人关注。机器人系统广泛融合了机器人学、机电一体化、通讯与计算机技术、图像处理、传感器数据融合、决策与对策、模糊神经网络与智能控制等诸多学科内容，是研究多智能系统理论的良好实验平台。从某种程度上说，机器人技术是反映国家高科技综合实力的一场“技术战争” 。在简单的自主行走机器人系统中, 机器人要实现在未知和不确定环境下行走, 必需实时采集环境信息, 以实现避障和导航。这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成。
11、视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到应用。其中超声波传感器以其信息处理简单、速度快、性价比高和硬件实现方便等优势, 被广泛地应用到行走机器人感知系统中 1。1.1.2 传 感 器 技 术 概 况人类为了从外界环境中获取有用信息，必须借助于自身的感觉器官。但是，人的感觉器官并不是万能的。与其它动物一样，为了把生命维持下去，人类只是有选择地捕捉一些重要信息。为了进一步研究自然现象、制造劳动工具，改善生存环境，只靠这些感觉器官就显得很不够用了。于是，作为一种替代和延伸工具，采用了能代替或者补充感觉器官功能的各种传感器，传感器是人类五官的延长，所以也被称作“电五官”。现代计算机的产生和
12、发展，给人类文明带来了巨大的影响。特别是大规模和超大规模集成电路出现之后，计算机的核心部件有了惊人的发展，同时也要求外部设备与之相配合。计算机输入的外部硬件主要就是传感器，传感器的发展将使计算机的功能得到充分的利用，同时也将促进计算机的进一步发展，传感器发展不足会极大地限制计算机功能的发挥，就如同一个人具有发达的大脑而欠灵活的五官一样。西南科技大学本科生毕业论文2有人说，计算机与传感器的协调发展，才能决定技术的将来，这句话是有一定道理的 2。1.2 课题目的及意义学习使用单片机的控制功能和用超声波传感器实现测量距离，并且掌握使用Protel99进行电路设计和制图的方法步骤，能将设计出的电路原理
13、图下载到PCB板进行仿真。理解超声波传感器的超声波发生机制及发射、接受，放大装置和以单片机AT89C51为中心控制单元，实现超声波发射及其遇到障碍物发生反射形成回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，以完成设计目标，熟悉51单片机软件编程及调试环境KeilC51软件。通过对本课题的研究学习，还将会有以下作用：1、理解超声波技术、机器人技术的一些基本规律和必要的基本概念。2、了解超声技术与其他学科的关系与应用，扩大知识面。3、了解当前科技发展前沿方向，做到个人在时代发展中良好测距。4、培养抽象思维能力，分析问题和解决问题的能力。5、掌
14、握做人处事的方法技巧，成为真正的应用性、综合性人才。1.3 课题设计研究范围及成果本课题研究的超声波传感器模块测距技术是一种非接触式的测量物体间距离的方法，它是基于无目视能力的生物( 如蝙蝠等) 防御及捕捉猎物生存的原理, 利用超声波在空气等媒质中传播, 通过遇到障碍物反射回来的时间间隔长短及被反射超声波的强弱判断障碍物性质和位置的方法，它在现在机器人中有着举足轻重的作用。本课题完成设计了一种以 AT89C51 单片机为核心的低成本、高精度、小型化数字显示超声波传感器测距模块，其硬件电路和软件程序设计思路清晰，方案简单可行。西南科技大学本科生毕业论文3第 2 章 超声波传感器模块测距方案分析2
15、.1 超声波与超声波的应用声学作为物理学的一个分支，它是研究声波的发生、传播、接收、效应的一门科学，声学全部频率为 10 Hz10 Hz , 通常把频率为 2 10 Hz10 Hz 的声414 49波称为超声波。表 2-1 是各种频段的声波及其特点。人们习惯上常以工程应用为目的, 而不是以听觉为目的, 把某些可听声的应用亦列入超声技术的研究范围。因此, 在实际应用中, 有些超声技术使用的频率可能在 16kHz 以下, 而超声波频率的上限是 10 Hz , 整个频率范围相当宽, 占据声学全部频率范围的 1/2 以上。9表2-1 声波的种类及特点声波种类 频率/赫兹 特点次声波 20 人耳听不到船
16、舶衰减很小，传播距离很远可闻波 202 410人耳可以听到超声波 2 1 9传播频率较高，传播方向性较强，介质振动强度大，在流体中传播可产生空化现象特声波 1 1902传播衰减很大波长短，频率大致与微波相对应1893 年 Golton 发现了超声哨子，此时建立了超声波领域。超声波具有如下特性：1、超声波的频率很高,传播的方向性较强；2、超声波传播过程中,介质质点振动的加速度非常大；3、在液体介质中, 当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象；超声波的作用机制 3-5, 目前人们认为超声波有 4 个基本作用: 线性的交变振动作用, 就是说超声波在媒质中传播时, 必然使媒质粒子作交变振动, 并引起
17、媒质中的应力或声压的周期性变化, 从而引起一系列次级效应； 大振幅振动在媒质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波, 在波面处造成很大的压强梯度, 因而能产生局部高温高压等一系列特殊效应；振动的非线性会引起相互靠近的柏努利力和由黏度的周期性变化而引起的直流平均黏滞力, 这些直流力可以说明一些定向作用、凝聚作用等力学效应；空化作用 , 这是只能在流体媒质中出现的一种重要的基本作西南科技大学本科生毕业论文4用。在声场中,液体中的气泡可能逐步生成和扩大, 然后突然破灭,在这急速的气泡崩溃过程中, 气泡内出现高压高温,气泡附近的流体中也形成局部强烈的激波。因此就可以产生一系列次级效应, 如化学效应、声致
18、发光、分散作用和乳化作用等。在流体中进行的超声处理技术, 几乎大多数都与空化作用有关。这些作用导致 5 种效应见表 2-2。表2-2 超声波的五种效应效应 作用力学效应搅拌作用，分散作用，去气作用，成雾作用，凝聚作用，定向作用，冲击破碎作用，疲劳破坏作用等热学效应吸收引起的整体加热，边界面处的局部加热，形成激波时波前处的局部加热等光学效应 引起光衍射、折射、双折射、声致发光等电学效应在亚电、压磁材料中产生电场和磁场，引起电子逸出和电化学效应等化学效应促进化学反应，促进氧化还原，促进高分子物质的聚合或解聚，引起照相底片的感光，引起生化学发光等总之超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料科学为基础
19、的、各行各业都要使用的通用技术之一。但在1940 年以前, 只有单晶压电材料, 这种超声波技术存在许多缺点, 使得超声波未能得到广泛应用。20 世纪40 年代，人们发现了压电多晶材料钛酸钡压电陶瓷。50 年代，美国贾菲等发现了PbZrO3 - PbTiO3 (PZT) 固溶体系统。70年代，人们又研制出PLZT 透明压电陶瓷。压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。80 年代中期, 由于功率超声波设备的普及与应用, 超声波的研究应用才迅速展开。目前超声波已广泛应用于化学、医学、食品工业、工业焊接、废水处理、机器人学和材料的改性等方面 6。2.2 超声波传感器本设计用超声波作为检测距离的手段
20、，必须要发射超声波信号和接收超声波回波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上也称为超声波传感器，或者超声波探头，本文一致称为超声波传感器。西南科技大学本科生毕业论文52.2.1 超 声 波 传 感 器 的 原 理 及 结 构超声波传感器是一种将其他形式交变的电信号，转变为所需超声频率范围内的超声波信号或者是把外界声场中的超声波信号，转变为同频率的其他形式的电信号的能量转换器件。超声波传感器的种类很多，按照实现超声波传感器机电转换的物理效应的不同，可将传感器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。另外由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式也是多种多样的，并且名称也有不
21、同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型超声波传感器称为“哨” 或“ 笛” 。目前压电式超声波传感器的理论研究和实际应用最为广泛，本文的超声波传感器测距模块选用的也是压电式超声波传感器。压电传感器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料发展为前提条件的，1880年居里兄弟发现了晶体的压电效应，但是直到电子管放大器的发明，压电材料的压电效应才真正用于电声转换上来。在第一次世界大战期间，法国物理学家朗之万于1916年研制成功了第一个实用的压电传感器，并将其应用于潜艇的探测中。在朗之万发明的传感器中，压电石英晶片被夹在两块厚钢板中，后来这种传感器被广泛应用于
22、超声探测仪中。直到现在，朗之万型传感器仍在得到广泛的应用，如功率超声和水声中。同时，由于压电超声波传感器作为高频声源的出现，使得高频声的研究成为现实，而声学的应用也被迅速的扩展，一个重要的声学分支超声学也迅速发展起来，并得到了越来越多的重视。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等。压电效应原理：1、 逆压电效应将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦反向。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，晶体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体耦合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到该弹性介质中。
