1、- i -本科毕业论文（20 届）基于单片机的超声波测距系统的设计与实现所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期- ii -基于单片机的超声波测距系统目 录前言 .2第 1 章 总体方案 .3第 1.1节 本设计的研究方法 .3第 1.2节 系统整体方案的设计 .3第 1.3节 系统整体方案的论证 .3第 2 章 系统设计 .4第 2.1节 超声波测距的原理 .4第 2.2节 硬件设计 .5第 2.3节 软件设计 .10第 3 章 系统测试 .15第 3.1节 调试步骤 .15第 3.2节 错误与纠正 .15第 3.3节 调试 .16第 3.4节 测试结果分析 .17第 3.5节
2、 误差分析 .18结论 .20参考文献 .21致谢 .22附录 .23附录一：实物照片 .23附录二：原理图 .24附录三：源程序 .25第 1 页基于单片机的超声波测距系统【摘要】：本文的内容是基于超声波测距系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和 AT89S51 单片机结合于一体，设计出一种基于 AT89S51 单片机的超声波测距系统。本系统采用软硬结合的方法，具有模块化和多用化的特点。论文概述了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设
3、计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。【关键词】：超声波；测距；传感器；Abstract : The paper is based on the ultrasonic distance reversing collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integrati
4、on with the integration AT89S51 monolithic integrated circuit, AT89S51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of modular and multi-use characteristics.The paper outlines the develop
5、ment and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basic, the overall composition of the system. Through multiple launch receptio
6、n circuit design comparison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achiev
7、e system function.Key words: ultrasonic；distance；sensors第 2 页前言由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单。所以超声波测距法是一种非常简单常见的方法，应用在汽车停车的前后左右防撞的近距离测量，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用
8、LED 显示出来，当到达一定距离时，系统能发出报警声。通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。该设计可广泛应用在生活、军事、工业等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在 LED 数码管上。近年来，由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。与同类测距方法相比，超声波测距法具有以下优势：（1）相对于声波，超声波有定向性较好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力强等优势。（2）和光学方法相
9、比，超声波的波速较小，可以直接测量较近的目标，纵向分辨率高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境有一定的适应能力。特别是在海洋勘测具有独特的优点。（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又有无限前景的技术。超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，目前对超声波的精度要求越来越大。超声波作为一种新型的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益
10、发展的社会需求。未来超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展。第 3 页第 1章 总体方案第 1.1节 本设计的研究方法根据超声波测距原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送和接收，从而实现利用超声波测距的方法测量物体之间的距离。具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，LED 显示电路，报警电路。第 1.2节 系统整体方案的设计由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到
11、农业生产等自动化的使用要求。 超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。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常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用 AT89S51 单片机作为控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。第 1.3节 系统整体方案的论证超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端
12、，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。第 4 页第 2章 系统设计第 2.1节 超声波测距的原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超
13、声波在空气中的传播速度为 ，根据计时器记录的时间 ，发射点距障碍物的距离 ，如vt H图 2-1 所示图 2-1 超声波测距原理图中被测距离为 H，两探头中心距离的一半用 M 表示，超声波单程所走过的距离用表示，由图可得：L(1)cosL(2)artn将式(2)带入式 (1)得：(3)HHrctos在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：(4)vtL2式中： 为超声波的传播速度， 为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将vt式(4) 带入式(3)可得：(5)HMvtHarctnos5.0当被测距离 H 远远大于 M 时，式(5)变为：(6)t.这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射
14、到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。第 5 页由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为 40 左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理KHz方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。第 2.2节 硬件设计按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成，如图 2-
15、2 所示。显示模块供电单元超声波发射模块超声波接收模块单片机控制系统（AT89S51）图 2-2单片机控制系统框图单片机主控芯片使用 51 系列 AT89S51 单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作量较小。基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为 40kHz 的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。这种以单片机为核心的超声波测距
16、系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给 LED 显示。利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。第 6 页2.2.1. AT89S51的主要特性AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存
17、储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，ATMEL 公司的功能强大，低价位 AT89S51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统完全兼容4k 字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器1000 次擦写周期4.05.5V 的工作电压范围全静态工作模式：0Hz 33MHz三级程序加密锁1288 字节内部 RAM32 个可编程 IO 口线2 个 16 位定时计数器6 个中断源全双工串行 UART 通道低功耗空
18、闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（ISP 字节或页写模式）除此以外 AT89S51 还提供一个 5 向量两级中断结构，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。2.2.2. 超声波测距系统及其组成本系统由单片机 AT89S51 控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部
19、分组成。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接收电路三部分。单片机采用 AT89S51。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳第 7 页定时钟频率，减小测量误差。单片机用 P2.7 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，P3.5 端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 3 位共阳 LED 数码管，段码输出端口为单片机的 P2 口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3 口,数码管位驱运用 PNP 三极管 S9012 三极管驱动。超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机 P3.5 输入一个低
20、电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器 T0计时，当检测到 P3.5 由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以 2 即可得到测量值，最后经 3 位数码管将测得的结果显示出来。2.2.3. 超声波测距单片机系统超声波测距单片机系统主要由：AT89S51 单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成，如图 2-3 所示。C522PC622PY1 12MK2K1P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.5 MOSI6P1.6 MISO7 P1.7 SCK8RST9 P3.010P3.111 P3.212P3.3
21、13 P3.414P3.515 P3.616P3.717 XTAL218XTAL119 GND20 P2.0 21P2.1 22P2.223P2.3 24P2.4 25P2.526P2.6 27P2.7 28PSEN29ALE 30EA 31P0.732P0.6 33P0.5 34P0.435P0.3 36P0.2 37P0.138P0.0 39Vcc 40IC1 AT89S51/AT89S52R810KC910u2VCC 4GND6GND 8GND10GND1 MOSI3 CN5 RST7 SCK9 MISOJP2P0.2P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0VCC
22、P3.1P3.2P3.3P3.5P3.4图 2-3 单片机系统原理图2.2.4. 超声波发射，接收电路如图 2-4 所示，超声波发射电路由电阻 R1、三极管 BG1、超声波脉冲变压器 B 及超声波发送头 T40 构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由 BG2、BG3 组成的两组三级管放大电路构成； 40kHz 的方波由 AT89S51 单片机的 P2.7 输出，经 BG1 推动超声波脉冲变压器，在第 8 页脉冲变压器次级形成 60VPP 的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声
23、波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的 P3 脚。BG1 9012R14.7KT40VCCP2.7B图 2-4 发射电路该电路的 40kHz 方波信号由单片机 AT89S51 的 P2.7 发出。方波的周期为 1/40ms，即 25s，半周期为 12.5s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生 40kHz方波。由于单片机系统的晶振为 12M 晶振，因而单片机的时间分辨率是 1s，所以只能产生半周期为 12s 或 13s 的方波信号，频率分别为 41.67kHz 和 38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约 38.46kHz 的方波。BG2 9013BG4 9013R3150kR44.7KC7104BG3 9013R5 150kR24.7KC8104 D6 IN4148D5 1N4148R40VCCP2.3P2.2P2.1P2.0P3.5图 2-5 接收电路由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图 2-5 所示。接收到的信号加到 BG2、BG3 组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为 70 倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解
