1、 毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目： 基于 51单片机的超声波测距 系统设计 中北大学 毕业设计（论文）任务书 姓 名： XX 专 业： XXX 班 级： XXX 学号： XXXXXXXX 指导教师： XXX 职 称： XXXX 完成时间： XXXX 年 X 月 X 日 毕业设计（论文）题目： 基于 51 单片机的超声波测距系统设计 设计目标： 利用超声波的指向性强、能量消耗慢、传播距离远等特点， 设计实现生活中很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需 要自动进行非接触测距 的工作。 技术要求： 1、 熟练使用 AT89C51 单片机、超声波发射器、超声波接收换能器各种
2、仪器。掌握其原理，学以致用。设计出超声波测距仪的硬件结构电路 。 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、 对设计的电路进行分析 。 所需仪器设备： AT89C51 单片机、超声波发射器、超声波接收换能器 成果验收形式： 原理图、仿 真结果 参考文献： 单片机原理与接口技术、传感器应用 A、电子测量技术 时间 安排 1 5 周 -6 周 立题论证 3 9 周 -13 周 仿真调试 2 7 周 -8 周 方案设计 4 14 周 -16 周 成果验收 指导教师 ： 教研室主任 ： 系主任 ： 中北大学 毕业论文 1 摘 要
3、超声波是指频率在 20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为 具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。 系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路，另外还有复位电路和 LED控制电路等。我采用 以 AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路。 整个电路采用模块化设计，由信号发射和接
4、收、供电、温度测量、显示等模块组成。发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计时器开始计时，超声波被发射 后按原路返回 ,在经过放大带通滤波整形等环节 ,然后被单片机接收 ,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机 ,通过程序对速度进行校正 , 结合两者实现 超声波测距 的功能。软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在 LED上。另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。 实际的环境对超声波有很大的影响，如外部
5、电磁干扰电源干扰信道干扰等等，空气的温度 对超声波的速度影响也很大。此外供电电源也会使测量差生很大的误差。再设计的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。 关键词 AT89C51 超声波 测距 中北大学 毕业论文 1 目 录 摘 要 . 1 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景及重要意义 . 1 1.2 国内超声检测发展综述 . 1 1.3 超声波测距存在的问题与课题的意义 . 2 1.4 本文主要研究内容 . 3 第 2 章 超声波测距原理与方法 . 5 2.1 超声波简介 . 5 2.1.1 超声波的三种形式 . 5 2.1.2 超声波的物理性质 . 5 2.1.3 超声波对声场
6、产生的作用 . 5 2.2 超声波传感器介绍 . 6 2.2.1 超声波测距原理及结构 . 6 2.2.2 超声波传感器选择 . 9 2.2.3 超声波测距的原理 . 9 2.2.4 发射脉冲宽度 . 10 2.2.5 测量盲区 . 11 2.3 本章小结 . 12 第 3 章 系统硬件设计 . 13 3.1 发射电路设计 . 13 3.1.1 发射电路设计方案 . 14 3.1.2 发射电路常用方案 . 14 3.1.3 超声波发射器的注意事项 . 15 3.2 接收电路设计 . 16 3.3 单片机显示电路设计 . 17 3.3.1 LCD 显示部分 . 21 3.3.2 报警部分 . 2
7、2 3.4 本章小结 . 22 第 4 章 软件设计和测量结果分析 . 23 中北大学 毕业论文 2 4.1 系统软件设计 . 23 4.2 外部中断子程序 . 27 4.3 定时器中断子程序 . 27 4.4 实现重要功能的程序分析 . 28 4.4.1 实现温度读取功能 . 28 4.4.2 实现根据温度转化声速 . 29 4.4.3 实现距离计算 . 29 4.5 本章小结 . 30 第 5 章 结论 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 附录 1 . 34 附录 2 . 35 中北大学 毕业论文 1 基于单片机的超声测距系统设计 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及重要意义
8、近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在 20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技 术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象
9、颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用 于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能
10、够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。 1.2 国内超声检测 发展综述 在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等
11、领域得到了广泛的应用。 中北大学 毕业论文 2 超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统 被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 1.3 超声波测距存在的问题与课题的意义 我就影响超声测距误差的几个因素做了分析，并为本系统选择了比较适合的传感器，即由一支发射探头 UCM-T40KI 和一支接收探头 UCM-R40KI 的收发分体式传感器。本节在
12、此基础上就如何具体设计本系统进行详细分析。系统计划在实验室内实现小范围测距，测试距离约为 0.2m 3m米，系统整体结 构如图所示。 图 1-1 系统设计方案图 发射电路采用单片机 0.1P 端口编程输出 40kHz左右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器 TO。由于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求，驱动超声传感器UCM-40T 发射超声波距离足够远，故在此电路上加功率放大电路。 从接收传感器探头 UCM-40T 传来的超声回波很微弱 (几十个 mV 级 )，又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的。本系统设计此部分电路时采用一级放大和带通滤波电路，中心频率 4
13、OKHz 左右，放大 滤波电路均采用了高速精密运算放大器 TL082，输出信号大约在 5V 左右。 由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应信号常为下降沿脉冲信号，故信号在放大电路后通过 LM393 构成的比较电路，将正弦信号转换成方波信号，用方波的负跳变作单片机的中断输入，使得单片机知道已接收到超声信号，内部计数器停止计时。 显示电路采用动态扫描显示，主要是处于节省硬件的考虑。通过单片机编程将内部中北大学 毕业论文 3 计数得到的时间数据转换为距离信息，通过 3 位 LED 数码管显示，数据 XXX，单位 cm。 语音播报部分就是将所测得的 距离实时地，以模拟
14、真人发音的形式报出来，例如“现在距离目标物还有 XXXcm”或“现在所测得距离为 XXXcm”。这样可以在视觉有限或不宜用眼观察的情况下发挥更大的用处，或近距离配合视觉系统会此测距仪的优点或方便之处得到最大程度的发挥，使用起来非常的灵活方便。本系统采用一种长时间非易失性语音芯片 ISD2560,它采用模拟存储技术，音质好，录放音方便，且可以方便地进行任意语音元素的组合。 1.4 本文主要研究内容 本系统硬件部分由 AT89C51 控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、声音报警电路和 LCD 显示 电路组成。汽车行进时 LCD 显示环境温度，当倒车时，发射和接收电路工作，经过 AT89
15、C51 数据处理将距离也显示到 LCD 上，如果距离小于设定值时，报警电路会鸣叫，提醒司机注意车距。超声波测距器的系统框图如下图所示： 图 1-2 系统设计总框图 由单片机 AT89C51 编程产生 10us 以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指 定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。 由时序图可以看出，
16、超声波测距模块的发射端在 T0 时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。 发射电路 接收电路 AT89C51 LCD DS18B20 报警电路 中北大学 毕业论文 4 图 1-3 时序图 中北大学 毕业论文 5 第 2 章 超声波测距原理与方法 2.1 超 声波简介 超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。超声波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。该技术在国民经济中，对提高产品质量，
17、保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。 2.1.1 超声波的三种形式 超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：横波，质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波，质点振动方向与传播方向一致的波；表面波，质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在 固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。 2.1.2 超声波的物理性质 (1) 超声波的反射和折射 当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播。这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。 (2)超声波的衰减 超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。 (3)超声波的干涉 如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。 2.1.3 超声波对声场产生的作用 (1) 机械作用 超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大，有时足以达到破坏介质的程度。 (2) 空化作用
