1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的超声波测距系统所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录前言 .2第 1 章 绪论 .3第 1.1 节 课题研究的背景 .3第 1.2 节 课题研究的意义 .4第 2 章 总体设计方案及论证 .5第 2.1 节 方案论证与比较 .5第 2.2 节 总体方案设计 .5第 3 章 系统的硬件设计 .7第 3.1 节 主控制模块 .7第 3.2 节 超声波测试模块 .8第 3.3 节 超声波传感器原理 .10第 3.4 节 测距分析 .14第 3.5 节 时钟电路的设计 .16
2、第 3.6 节 复位电路的设计 .16第 3.7 节 声音报警电路的设计 .17第 3.8 节 显示模块 .17第 4 章 软件设计 .18第 4.1 节 主程序工作流程图 .18第 5 章 系统测试与分析 .20第 5.1 节 测试方法 .20第 5.2 节 测试结果与分析 .20第 6 章 结论 .24参考文献 .24致谢 .25附录 .26附录 1：原理图 .26附录 2：程序 .27附件 3：元件清单 .37附件 4：实物图 .38苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页基于单片机的超声波测距系统【摘要】：本课题主要利用 STC89C52 单片机、超声波传感器完成测距系统的设计，另外还
3、增加了报警功能。STC89C52 是 STC 系列单片机中运用较为广泛的一款，在自动控制领域也有很高的价值。该设计的基本原理：以 STC89C52 为主控芯片，利用超声波对前方物体的距离进行探测，再由单片机处理运算，与设定的报警距离进行比较判断，当测得的距离小于设定值，单片机发出指令控制蜂鸣报警。【关键词】：STC89C52；超声波传感器；测距Abstract: This topic mainly using STC89C52 single-chip, ultrasonic sensor to complete the design of the ranging system, it also
4、 increases the alarm function .STC89C52 is on STC series single-chip microcomputer in a widely use, also has high value in the field of automatic control. The basic principle of the design: STC89C52 as main control chip, the front object distance to make use of ultrasonic detection, again by single
5、chip microcomputer processing operations, compared with setting the alarm distance judgment, when measured distance is less than the set value, SCM command control buzzer alarm.Key words: STC89C52；ultrasonic sensor； distance measurement 苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法
6、。由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。超声波是一种特殊的声波，它的频率可达到 20khz 以上，并且也具备了声波传输的基本物理特性：衍射、散射、干涉、反射和折射，与物理联系十分紧密，应用也比较灵活。并且更适合于强电磁干扰、高湿度、高粉尘和高温等恶劣环境下工作。无论从精度还是可靠性方面，超声波测距都做得比较好。利用超声波测距通常都比较迅速、计算简单、方便、易于做到实时控制。应用前景广泛。超声波测距在各种工业领域中也发挥了其作用，如建筑工程测量，工业自动
7、控制和机器人视觉识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且测量精度高、操作简单等优点而被广泛应用。超声波测距系统可使测量仪器不受被测介质的影响，利用这些特点大大解决了传统测量仪器存在的问题，例如，在腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，触电接触不良造成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器使用寿命加长，牢固耐用，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用超声波检测既方便、迅速、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。但是超声波测距在实际应用也有很多局限
8、性。由于超声波在传播过程中，声压会随距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪比低，用固定阀值的比较器检测回波，可能导致越过门槛的时间前后移动，从而影响计时的准确性，这必然会影响到测距的准确度。另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，存在惯性、滞后等现象，以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，均导致回波信号被展宽，也使测量产生较大的误差，影响了测距的分辨率。其他如温度，风速等也会对测量造成一定的影响。计量学在制造业中越来越重要。直接在机器上测量尤其能推动制造业的发展。目前为止大部分还是采用视觉的或触觉的测量方法。但是墙的厚度就不能用这些来测量，因此德
9、国人把超声系统结合到机器设计出了测距方法。随着超声波的发展，早在 2000 年时英国人就设计出了可观察、识别并测距的超声波集成系统。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 1 章 绪论第 1.1 节 课题研究的背景早在在 1876 年，F.Galton 进行了气哨实验，代表着人类第一次产生的高频声波。直到 1956 年，我国才开始对超声的大规模的研究。迄今，我国对超声已经广泛地在的各个领域得到发展和应用，特别要提出的是，其中一些项目能够与国际水平相接近。超声波测距与定位技术是关于声学以及仪器科学的综合性大学科，由超声波换能器、超声波发射和接收电路、控制电路等组成了利用超声波来测量距离值。目
10、前在各个领域中都得到了使用，并取得了很好的成果。 R.Kuc.提出了三维的仿生声纳系统，系统可以利用超声波自动的寻找被测目标物体。它共有五个超声传感器构成这个系统最主要的感知装置。发射超声波的换能器安装在十字架交叉点，有四个换能器用来接收超声波共分别安装在十字架的边缘位置上。这样，被测目标的距离与方位能够依据空间几何关系就能算出。G.Bucci 和 C.Landi 提出了一种对于输入超声波信号的功率谱算法，该算法利用了信号进行傅里叶变换后功率谱密度中所包含的信号特征确定回波的前沿，更加精确的确定渡越时间。F.Devand，G.Hayward和 J.Soraghan 受蝙蝠在夜空中捕食启发，提出
11、了一种具有独特优点的自适应超声成像聚焦系统，对超声成像中图象畸变的消除有重要价值，提高超声图像的分辨率通过使用重叠的频率调制信号。此使用了不同频率的超声波。基本理论基础是使用时间和频率信息并且通过改进的算法来解决频域中的合成干涉图，因此该超声成像系统在三维空间有高分辨率的特点。 国内一些学者也作了相关研究。同济大学设计了基于伪随机码的时延两步相关估计法。该方法采用 PRBS(伪随机二进制信号序列 )作为发送信号，通过求互相关函数确定传播时间，由此达到非常高的抗干扰能力。引入 PRBS 还节约了用于计算互相关函数通常所必需的乘法。此外还设想并实现了一个两步相关法以减少处理时间。借助于数学分析阐述
12、了 PRBS 的生成，特点和参数选择。这些思路在测量装置上得以实现。通过用模拟的噪声信号进行的测试结果表明，测量装置具有很强的抗干扰能力。哈尔滨工业大学分为两次进行粗测距和精测距。粗测距先大概估测测距范围，具体的操作是先发送一串超声波，回波信号在控制器计算分析处理。根据处理的结果设定尽可能合理的鉴幅阂值。精测距是在此基础之上控制器发送另一串超声波，按照在粗测距中设定的阂值，精测距中的回波前沿被捕捉，实现精确测距目的。 目前，超声技术和扩频通信技术的结合在某些方面已经得到了应用。西北工业大学应用扩频原理设计了一种液位测量系统，可控声源被使用在其中。 苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页从国内
13、外研究状况可以看出，影响超声波检测精度的因素是测量的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度。国内外的研究成果使得超声波检测的精度得到了提高，这些处理方法都得到了很好的效果。 由于超声波也是一种声波，其声速 V 与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。第 1.2 节 课题研究的意义在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。而超声波测距是一种实用的非接触测量方法，具有不受外界光及电磁场等因素
14、的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低。由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。本文结合超声波精确测距的需要，进行了系统的硬件和软件设计，分析了影响超声测距精确度的多种因素，来有效提高测距系统的精度。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页第 2 章 总体设计方案及论证第 2.1 节 方案论证与比较设计方案一：采
15、用单片机来控制的超声波测距仪。采用单片机来制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，信号通过信号线引入到与超声波发射器相连的信号脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（ s）,即：D=C*T/2。设计方案二：采用 CPLD 来控制的超声波测距仪。采用 CPLD 来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用 VHDL 编写程序使用MAX+plus II 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最
16、终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是 MAX7000s 系列中的 EPM7128SLC84-15 的 CPLD器件，其最高频率可达 175.4MHz, 可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM 等的设计。充分利用了其多达 128 个宏单元、68pin 可编程 I/O 口，使该器件可以将分频功能、技术功能、显示编码功能、震荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测距结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块 FPGA，一块双口 RAM,还需要一块用来存储波形数据的 EEPROM，那么设计的成本较高。同时在 FPGA 中还要用硬件描述语言编写程序来
17、实现硬件电路功能。由于 EPM7128SLC84-15 的算法复杂，所以在软件实现起来编写也复杂。第 2.2 节 总体方案设计本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。电路结构可划分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。系统采用 STC89C52 单片机作为核心
18、控制单元,当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理。然后控制蜂鸣器报警。系统总体的设计方框图如图 1 所示。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页图 1 系统方框图超声波传感器模块STC89C52主控制器模块电源按键控制4 位数码管显示模块蜂鸣器报警模块苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页第 3 章 系统的硬件设计第 3.1 节 主控制模块STC89C52 单片机的最小系统主要由电源、复位电路、时钟电路与超声波传感器模块构成，它们分别与单片机对应引脚相连。主控制最小系统电路如图 2 所示。 P1.04568RST9(XD)INWALGE/OVCUYMuFKJr
19、igcho图 2 最小系统苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页硬件电路总设计见图 3，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件： STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。其中 D1 为电源工作指示灯。电路中用到 3 个按键，一个是设定键 , 一个加键，一个减键。E1D2PC4G5H69F0AB7SRQVKWsw-灰N.T(X)IL/OUYMuJ蜂 鸣 器+rigcho图 3 总设计电路图第 3.2 节 超声波测试模块超声波模块采用现成的超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。实物如下图 4。其中 VCC 供 5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。
