基于单片机的超声波测距系统的设计与实现.docx
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基于单片机的超声波测距系统的设计与实现
本科毕业设计（论文）
基于单片机的超声波测距系统的设计与实现
段炼
燕山大学
2012年6月
本科毕业设计（论文）
基于单片机的超声波测距系统的设计与实现
学院（系）：
里仁学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
段炼
学号：
0813********
指导教师：
练秋生教授
答辩日期：
2012-6
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
里仁学院系级教学单位：
电子与通信工程系
学
号
0813********
学生
姓名
段炼
专业
班级
电子信息工程08-3班
题
目
题目名称
基于单片机的超声测距系统设计与实现
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（√）自选题目（）
主
要
内
容
在深入学习单片机的基础上，利用声波传播的延时设计无线测距系统。
系统由单片机、超声波发射电路、超声波接收模块、显示电路组成。
为提高精度，应考虑温度补偿问题。
要求设计系统电路图及系统软件。
基
本
要
求
1.CPU采用与51兼容的STC系列单片机
2要求设计硬件电路图及系统软件
3测距范围5m,误差<10cm
参
考
资
料
《单片机原理》
《数字信号处理》
基于AT89S51单片机的超声测距系统设计，北京电力高等专科学校学报，2011.9
中国期刊全文数据库及相关电子资源
周次
1—4周
5—7周
7—12周
13—14周
15—17周
应
完
成
的
内
容
查阅资料
熟悉内容
方案设计
硬件调试
软件编程
软件调试
系统联调
撰写论文
指导教师：
练秋生
职称：
教授2012年3月1日
系级教学单位审批：
顾广华
2012年3月10日
摘要
超声波测距是无线测距的一种，由于其可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。
本次课题的主要内容是在深入学习单片机的基础上，设计并实现利用超声波进行距离测量的系统。
系统主要原理是系统控制超声波发射器发生超声波的同时开始计时，之后超声波接收器接到超声波到达被测物体的反射信号后产生外部中断停止计时，在已知超声波的速度的情况下通过测量超声波的运动时间来进行计算从而测量出测距系统与被测物之间的距离。
整个系统硬件电路采用模块化设计，包括单片机核心板，超声波测距模块，液晶显示模块和温度测量模块四部分。
软件部分包括温度测量程序、液晶显示程序、超声波发送和接收程序以及主程序。
经过系统联调，本系统成功实现了在一定距离范围内的准确距离测量，具有迅速、方便、易于操作等特点，可应用于移动机器人避障和汽车倒车雷达等领域中。
关键词 超声波；测距；单片机；温度补偿
Abstract
Ultrasonicrangingisakindofwirelessranging.Becauseofultrasonicrangingcanmeasurenearobjectivedirectly,haveahighlengthwaysresolutionratio,it'swiderangeofapplication,havestrongdirection,andhavenotaffectedbylight,smog,electromagneticinterferenceandsomeotherfactor,andthecoverageofultrasonicrangingisbiggerthanotherwirelessranging.
MaincontentofthistopicisonthebasisofdeeplearningSingleChipMicrocomputer,usedacousticwavepropagationtodesignawirelessrangingsystem.Theprincipleofthissystemisusethetimermeasurementofultrasonicemissiontoreachtheobstaclereflectionbacktothetimeoftheultrasonicreceivertomeasurethedata.ThehardwareofwholesystemisformedbySingleChipMicrocomputer,ultrasonicrangingmeasuringmodular,displaymodularandtemperaturemeasurementmodular.Thesoftwareisformedbydisplayprogram,temperaturemeasurementprogram,ultrasonictransmitterandreceiverprogramandmainprogram.Fromtheassociativedebugging,thesystemachievestheultrasonicranginginaneardistancesuccessfully,it’ssoquick,convenientandeasytooperate,canbeappliedtothefieldofmobilerobotsandcarreversingradar.
KeyWords Ultrasonic;Ranging;MCU;TemperatureCompensation
第1章绪论
1.1课题背景
1.1.1超声波测距技术的国内外现状
无线测距指用无线电测量载机与某个目标或反射面之间的信号传播延迟、频率、相位差来测定两点之间直线距离的方法。
目前，测量距离的方法主要采用测量波在介质中传播速度与时间的关系。
随着传感器和单片机控制技术的不断发展，无线检测技术已被广泛应用于多个领域。
目前，典型的无线测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等。
其中，CCD探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销。
雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。
激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。
与前几种测距方式相比，超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点
。
目前，超声波测距已普遍应用在液位测量、移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔。
超声波是指频率在20kHz以上的声波。
当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声，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。
超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。
其中，相位检测法精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射介质的影响。
因此，当前超声波测距一般使用渡越时间法
。
超声波测距的工作原理是发射换能器向外发射超声波，超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收换能器接收回波。
渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差求出目标障碍物距信号发射源的距离。
从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化从上个世纪70年代末期已经广泛应用于各个领域。
近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。
1.1.2超声波测距技术研究的主要成果
超声波测距凭借其原理简单、易于实现以及成本低等优点，在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞、曲面仿形检测和导盲系统等领域得到了广泛的应用。
接触式液位测量存在易渗漏、易腐蚀、不便于检修和维护等问题，利用超声波测距可以实现液位的非接触式测量，解决上述问题。
与其他测位方法相比，超声波液位测量具有结构简单、非接触、安装和维护方便、性能稳定可靠等优势。
移动机器人需要装备多种传感器来获取环境信息以确定自身的位置和绕开障碍物，其中比较常用的传感系统是视觉系统和超声波测距系统。
超声波传感器已经被广泛用作测距传感器，并应用于机器人的定位和避障。
随着汽车拥有量的增长，汽车的安全和使用便捷性能受到了空前的关注。
由于存在视觉盲区，人们在倒车时无法看清楚车子后面的障碍物，很容易刮伤汽车或发生事故。
通过在车身前后安装超声测距传感器可以有效测量车身距障碍物间距离，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
大多数曲面外形尺寸很难通过传统测量方式获得，而超声波测距可以通过采用多传感器多角度测距，确定其外形特征，以实现对曲面的检测。
目前市场上有多种导盲设备,但大多原理简单、功能单一、较机械化,出现的问题也较多,给经常出门的盲人使用者带来不便。
而利用超声波测距系统制作的导盲系统操作简单方便;超声测距、无线传输让整个导盲设备更轻便;具有语音告知功能,兼带振动功能,更加人性化、智能化。
1.1.3超声波测距技术的主要发展趋势
超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣，直接关系到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度，进而决定着超声波探测定位系统的精度和反应速度。
因而今后超声波测距信号处理方法的改进是超声波测距的主要研究方向之一。
目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。
随着超声波回波信号处理方法的不断完善，如何研发新型、高性能超声波换能器以进一步拓宽超声波测距的应用空间，作为解决超声波测距系统不足的根本手段，越来越受到国内学者关注。
现阶段，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。
目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。
但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。
因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽。
近年来，如何合理选择超声发射脉冲，可以使超声波测距系统在提高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力，成为超声波测距技术的又一个重要研究方向。
1.1.4超声波测距技术存在的问题
超声波传播波速不恒定，超声波在介质中的传播速度随周围环境（温度、压力等）的变化而变化，其中温度的影响最为明显。
常温下，超声波的传播速度为340m/s，温度每升高1℃，声速增加约为0.6m/s，因此超声波测距中一般采用温度补偿的方法，即在数据处理中对超声波传播速度进行实时温度补偿
。
回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减，使得接收传感器接收到的回波信号随着测量距离的增大而大幅减小，给回波前沿的准确定位带来困难，造成测量精度降低。
在回路上串入自动增益调节环节（AGV），使得电路放大倍数随着测量距离的增大而相应规律地增加，可有效解决该问题。
发射超声波时，超声波换能器在驱动脉冲结束后，会由于惯性继续振动，产生余振。
余振期间，由于无法区分回波信号与余振信号，因此必须等余振停止或衰减到足够小后，才能允许接收传感器接受信号。
这段时间由于无法检测超声波传播距离，从而出现盲区。
接收传感器在超声波发射结束后接收到的第一个波一般是串扰直通波。
它是超声波信号由近源的波束旁瓣或通过换能器绕射，直接到达接收传感器造成的。
因此，安装传感器过程中，两个探头之间距离应大于3cm，从而降低超声波旁瓣对测距系统精度的影响。
混响信号是由于水中介质及界面等非目标物对发射信号的反向散射波在接收点叠加而产生的。
其本身是一种回波，且包含的信号频率与发射信号相近，不能被一般滤波电路或算法消除。
特别在近距离探测中，它是主要背景干扰。
测距时，可以根据时间变化，控制接收放大电路的增益，以实现对混响信号幅值的抑制。
1.2本文的结构和主要内容
本文研究的主要内容是利用51单片机设计一种超声波测距的设备。
基本内容如下：
系统由单片机核心系统、超声波发送和接收部分、显示部分和温度部分模块四部分组成。
超声波发送和接收部分就是超声波传感器。
当系统运行时，超声波发送部分发出超声波传至被测物后经反射由接收器接收，通过控制单片机的外部中断来实现计时。
论文共分为五章，章节主要内容如下：
第2章主要说明超声波测距系统的硬件构成，包括超声波测距的原理，单片机核心与各部分电路的芯片介绍与方案设计以及各部分电路与单片机核心之间的连接方式。
第3章主要说明超声波测距软件的设计方法和过程，包括编程软件的使用方法，系统整体的工作流程以及各个模块软件的主要内容及其注释。
第4章主要说明超声波测距系统的调试过程，包括测量方法的介绍，测量数据的整理和总结，从测量数据中发现的问题以及修正手段。
第2章超声波测距硬件设计
2.1超声波测距基本原理
超声波测距的主要方法有脉冲回波法、共振法和频差法等。
其中脉冲回波法最为常用，它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现。
其原理如右图所示，发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，可得其往返时间t即可算出被测物体与超声波发射器的距离
（2-1）
设超声波发射器与接收器之间角度为θ，则如下图所示，被测物体实际距离
（2-2）
其中对于θ，有
将（2-1）、（2-2）、（2-3）三式整理合并得
（2-3）
（2-4）
当需要测量的距离H远远大于L时，近似认为H与S相等，可得
（2-5）
由式（2-5）可知，只要测得超声波从发射到接受所需时间，即可测出所需距离H。
测距原理如图2-1所示。
按照系统设计的功能要求，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。
在常温下,超声波的传播速度为340m/s,但其传播速度v易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中温度的影响最大。
一般温度每升高1℃,声速增加约为0.6m/s。
由此可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。
为了得到较为精确的测量结果,必须对波速进行温度补偿。
表2-1波速与温度关系表
波速与温度之间的关系如表2-1所示。
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
波速（m/s）
313
319
325
323
338
344
349
386
由表2-1可得温度与波速得经验模型如下：
（2-6）
式中T——现场温度；
v——实际波速，
从上式可以看出，要获得准确的波速,必须首先获取现场温度T的大小。
一般采用DS18B20温度传感器测量现场温度。
2.2单片机核心部分
单片机也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。
它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个微型计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。
它体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。
近年来，微处理器已广泛应用于多种领域，尤其是在智能仪器仪表中的应用更是如此，这不仅引起了产品本身的变革，也深深地影响设计的理念的变革。
智能仪器仪表作为一种智能系统，其核心在于微处理器。
基于微处理器的智能系统设计，已成为目前电子设计领域的一个热点。
智能系统是一个复杂的系统，一般包含微处理器、按键与显示人机界面、A/D转换、D/A转换等基本功能部件，同时也包含与应用领域相关的其他特殊部件。
智能系统一般需要在恶劣的环境下
长期连续地工作，因此在满足功能的基础上，其可靠性也是设计时需要考虑的一个方面，目前已经普遍应用于通信、雷达、遥控和自动控制等各个领域中。
在本次毕业设计中我选用的是AT89C51单片机，是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能的CMOS微处理器。
单片机核心板电路原理图如图2-2所示。
本次毕业设计中单片机核心板的主要实现芯片为STC12C5A60S2，该系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。
该系列单片机的主要特点有以下几个方面：
指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍；工作电压为5.5V-3.3V；工作频率范围为0-35MHz；用户应用程序空间为8k字节；片上集成1280字节RAM；含通用I/O口，每个I/O驱动能力均可达20mA，复位后为普通8051传统I/O口，可设置成普通、推挽、高阻、开漏4种模式；ISP/IAP，无需专用编程器，无需专用仿真器；可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成一片；有EEPROM功能；看门狗；内部集成MAX专用复位电路、2路PWM、8路高速10为A/D转换；在P4.6口有一个低压门槛比较器；时钟源为外部高精度晶体（晶振22.1184MHz），内部R/C振荡器，用户在下载程序时可选择使用类型；有两个与传统8051兼容的定时器/计数器；外部中断I/O口7路，传统的下降沿终端或低电平触发中断；工作温度范围是0～75℃。
2.2.1电源供电电路
本单片机系统采用电源供电电路，即通过变压器将单片机与220V电压直接相连，则单片机核心板的VCC端能够接收到约5V的直流稳压电源，对于本系统来说简单方便。
电源供电电路原理图如图2-3所示。
2.2.2单片机时钟电路
对于单片机时钟电路，用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号的严格控制下。
单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。
而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。
电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值的范围在5pF到30pF,典型值为30pF。
晶振的频率为22.1184MHz。
只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。
单片机时钟电路原理图如图2-4所示。
2.2.3单片机复位电路
复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作。
本单片机的复位电路有两种，即上电复位电路和按键复位电路。
上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。
按键复位电路即要实现复位的话，只要按下RESET键即可。
它主要是利用电阻的分压来实现的。
上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。
上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。
RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。
上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作。
单片机复位电路的原理图如图2-5所示。
2.3液晶显示模块
液晶显示部分主要采用LCD1602液晶显示器。
该模块具有如下特点：
可分为2行共显示32个字符，每行16个字符；其可与8位或4位微处理器
可分为2行共显示32个字符，每行16个字符；其可与8位或4位微处理器连接；内藏式字符发生器ROM，可提供160种工业标准字符，包括全部大小写字母、阿拉伯数字及片假名，以及32个特殊字符与符号的显示；内藏式ROM可根据用户的需要由用户自定义字符或符号；需+5V单电源供电；低功耗。
对于LCD1602液晶显示模块，它的指令系统包括清显示指令、光标返回指令、输入模式设置指令、显示开关控制指令、光标或字符移位指令、功能设置指令、字符发生存储器地址设置指令、数据存储器地址设置指令、读忙标志或光标地址指令、写数据指令和读数据指令。
本次毕业设计的内容主要是显示超声波测量的距离，使用LCD1602不但可以成功用数字表示距离显示，还可以显示温度以确认测距精准度。
模块功耗小、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧。
可在本系统中作为显示设备显示出准确、有序而美观的测量结果。
液晶驱动电路原理图如图2-6所示。
2.4温度测量模块
温度测量采用DS1820温度传感器，该传感器提供9位温度读数，指示器件温度。
该芯片有如下特性：
具有独特的单线接口，只需一个接口即可通信；多点能力使分布式温度检测应用得以简化；不需要外部元件；可用数据线供电；不需备份电源；测量范围为-55℃至+125℃，增量值为0.5℃；以9位数字值方式读出温度。
DS18B20温度测量模块的内部结构主要由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL以及配置寄存器四部分组成。
本次超声波测距只统计温度值即可，使用DS18B20芯片具有测温系统简单、测温精确度高、与单片机核心板连接方便、占用线口少等优点，可简单高效地达到本系统的要求。
温度测量部分电路原理图如图2-7所示。
2.5超声波测量模块
2.5.1超声波的特性
声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。
当声的频率高到超过约20kHz时，人耳听觉的频率达到极限，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。
超声波的特性有以下四个方面：
首先是束射特性。
由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。
即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。
其次是吸收特性。
声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。
对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。
对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。
再次是能量传递特性。
超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。
为什么有这么强大的功率呢?
因为
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