脉冲反射式超声波测距系统设计.docx

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脉冲反射式超声波测距系统设计

学号：

1108441063

本科毕业论文（设计）

（2014届）

脉冲反射式超声波测距系统设计

院系电子信息工程学院

专业电气工程及其自动化

姓名刘影

指导教师王俊杰助教

摘要

本次设计的主要内容是介绍一种基于超声波自身的特点对实际生活中一些距离测量的设计。

本系统利用超声波传感器作为检测器件，其中主要是利用超声波反射特点和声波在空气中传播的速度对一些特殊的场合进行短距离的测量。

本次系统硬件功能主要是用STC89C52单片机控制各个电路实现的，主要电路有超声波测距电路、声音报警电路、数码管显示电路。

在软件设计中绘制出各电路的原理图、仿真图、以及PCB图、并且说明各个部分的工作原理和设计过程，最后进行Proteus仿真和实物的焊接并且测试其功能。

关键词：

单片机控制；超声波测距；数码管显示；

Abstract

Themaincontentofthisdesignistointroduceakindofbasedonultrasoniccharacteristicofreallifesomeofthedesignofthedistancemeasurement.ThissystemUSESultrasonicsensorsasdetectingdevice,mainlyusingtheultrasonicreflectioncharacteristicsandthespeedofsoundwavesinairforsomespecialoccasionsforshortdistancemeasurement.ThefunctionofthesystemhardwareismainlyimplementedusingallcircuitSTC89C52single-chipmicrocomputercontrol,maincircuitofultrasonicdistancemeasurementcircuit,voicealarmcircuit,digitaltubedisplaycircuit.Drawinthesoftwaredesignprincipleofthecircuitdiagram,simulationdiagramandPCBdiagram,andillustratetheworkingprincipleanddesignprocessofallparts,finallyProteussimulationandrealweldingandtestitsfunctionality.

Keywords:

Singlechipmicrocomputercontrol;Ultrasonicranging;Digitaltubedisplay;

1绪论

1.1研究背景

自然界中人们听到的声音是通过物体产生机械振动来产生，但是超声的频率大约在20000Hz不在人的听觉范围，但它和声音在本质上是相同的。

超声波和其他的一些声波一样都具有一些性质如：

折射、反射、衍射、干涉等。

另外，它还具有束射特性、能量传递特性、吸收特性等。

超声波在面对不一样的介质时，它发出的能量会相应被反射出一大部分。

超声波、无线电波、光线等其他一些波相比，超声波传播的速度要小很多。

所以它的时间更容易获得，故测量的精度和准确度也远远大于其他的声波系统。

与其他声波测量距离相比超声波系统的电路更容易实现一些、结构比较简单所以造价成本相对也比较低。

最重要的是利用声速传播，仪器更容易获取一些数据和图像。

在传统的距离测量方法中，尺子用于短距离测量，激光用于远距离测量等。

随着科技不断的进步，生活中使用仪器测量距离的领域也越来越多，传统的测距方式已经不能满足日益发展的社会对于距离测量的进一步的要求。

在军事方面运用的比较多的就要数利用激光进行测距。

超声波测距是更加适合在空气中进行测距，由于在空气中波传播的速度相对是比较慢的，遇到测量物体它反射回来的信号波中在传播方向结构信息检测出来还是比较容易的，而且分辨力很高，因而测距的精准度与其它方法相比较高。

超声波以其具有的独特优点，在测距系统中有了更为广阔的发展前景。

目前人们掌握的技术水平还是有限的，人们利用的测距技术在实际应用中还是有很大的局限性。

毋庸置疑，这一局限性影响了超声测距的精准度给测量带来了误差。

如：

测量范围的不同时所产生的误差原因也不同，当测量较近的物体时，测量的准确性会大大降低，这是因为超声波接收的过程中间回波的脉冲展宽。

当测量较远的物体时，超声波在传播的过程会衰减，距离越长衰减的越多越厉害。

对于精度要求比较高的一些场合如医学检测，工业质检中物体的探伤等场合，环境温度、风速等因素会对测量造成一定的影响。

因此提高超声测距技术,具有很重要的意义。

相信，超声测距在不同领域会有无限的发展前景和空间。

1.2国内外研究现状

在科学研究史上，关于声波的研究有着一定的历史地位，同时关于超声波的研究也一直备受各国研究人员青睐。

伴随着工业化的到来，超声波检测技术也在不断的向前发展，其中在无损检测诊断、医学检测方面的讨论研究的最为激烈。

五十年代初期，国内开始引进了关于超声波的电子管仪器。

这是我国关于超声波研究的始端。

这些仪器的体积比较大而且重不宜移动。

在五十年代末时，我国从波兰等地引进了一批在部分的科研单位进行研究其原理构造，并通过对它们的研究自己动手制作出类似的仪器。

随着半导体时代的到来，电子管器件被逐渐的淡出研究人员的视线。

半导体的运用推动了无损检测技术的研究与普及领域。

1978年，中国建筑科学院经过不断的研究探索研究出了JC-2超声波检测器。

它采用的是数码显示，总重约5千克。

从此以后，国内拥有了第一批自己制造生产的检测超声波仪器。

随后超声波仪器不断的换代更新，其中Z000A超声检测分析仪是煤炭科学研究院研究出的一种带有微处理器的测量仪器，所有的状态信息，处理数据都可以通过显像管显示，其数字，测量值稳定清晰。

与其他相同的产品相比较，功能齐全，设计合理新颖，与传统的相比有较大的突破，已经可以于世界国际先进的水平相比。

近几年来，在工业生产、医疗检测和医疗诊断中超声全息影像技术有了一定的发展。

国外关于超声波检测技术的研究有很多，而且已经非常的成熟。

例如，利用超声波进行分析频谱和超声波显像的应用；超高频率的超声检测法以及对新型声源的深入研究。

例如研究激光接收超声和多种检测仪器等，都是比较集中和典型研究的方向。

就目前而言，对超声波测距的研究，国内的超声波检测技术在测量的精度方面不如国外的超声波检测技术，研究发现，造成在测量精准度方面的差异的原因是因为制造结构和工艺的不同，还有就是不同的模块之间时间序列彼此相互之间的不协调。

随着人们对测量精度的要求不断的提高，智能控制以及电子技术的发展，需要超声测距系统对时序和时钟频率的控制能力。

1.3研究目的与意义

超声波测量距离的技术是一种利用仪器发出超声波并利用它具有的特性在空气中或者其他介质中进行非接触式的检测技术。

不受一些外部环境的影响，例如光线（适于黑暗）、被测对象固有的颜色、外部存在的电磁场等。

耐高温、粉尘、潮湿、腐蚀气体等比较特殊环境也能适用，这些是有别于其他测距仪。

在工业上用于造纸业、化工厂、煤矿、食品方面（饮料，奶制品，添加剂）等污水处理液位的测定。

在农业上防汛时进行的水位的测定、空间的定位、道路的车辆限高等。

在军事上超声波的应用也是无处不在的。

例如声纳在军事方面的应用，被动测距声纳具有更精准的定位，使水中武器能够完全隐蔽进行攻击，研制利用低频率线谱检测的潜艇声纳，进一步改善潜艇声纳所处的工作环境。

另外超声在恶劣环境测距下可以发挥自身的优点因此也有较广泛的应用。

使用超声波检测物体往往速度相比较其他方式快、计算简单、方便于在不同场合的实时监控，更为重要的是在把握精准度的方面能够实现工业实用的预期指标的结果。

例如在制造机器人时，测量距离的系统是必不可少的，这样有助于机器人在移动时不受外界障碍物的影响，准确定位的方向距离角度等具体的信息，使机器人有效的完成。

无法否认的是，在未来使用超声波测量距离将会有更为广阔的发展空间。

如：

研制出具有许多种功能的超声波测距仪，使测距仪朝着智能化和自动化方向发展，更好的服务与人类。

在新的科学技术发展下发展创新的测距仪将会在更广泛的领域发挥其更大的作用。

2系统总体设计

2.1设计要求

（1）了解STC89C52单片机，在对各个管脚的功能掌握的基础上，进行系统电路的搭建；

（2）熟悉其工作的原理，并在此基础上绘制出每一部分的硬件电路图； 

（3）要求测量范围在1cm-500cm，测量精度1cm；

（4）使用四位数码管进行测量数据的显示，根据与设定的距离进行报警提醒；

（5）使用软件对电路图进行软件的仿真，在电路图的基础上对系统进行实物的制作；

（6）对设计的电路进行分析；

2.2系统设计方案

对于本次系统电路的总体设计可以分为硬件设计和软件设计两个部分。

硬件电路根据模块来进行划分可以分为超声波电路模块、四位数码管显示、按键的控制、蜂鸣器报警等模块。

单片机是本次设计的核心和主要的控制芯片，本次设计把STC89C52单片机作为主要的控制单元,通过单片机程序的设计得出测量距离的数值并通过四位数码管的显示电路显示具体的数值，同时与设定报警值之间进行比较处理，来控制蜂鸣器的工作状态也即是否进行报警处理。

软件部分的设计就是根据系统所要实现的功能如：

超声波模块的运行、数码管显示功能、蜂鸣器报警等C语言程序的编写和运用仿真软件对编写的程序进行测试仿真。

本次系统设计总体方框图如图2-1所示。

图2-1系统设计框图

3系统硬件设计

3.1主控制模块

3.1.1STC89C52单片机的简介

STC89C52是一种小型单片机由宏晶公司生产推出，兼容MCS-51，是一些电子工程师常用的原器件。

其主要特点为存贮器是采用Flash技术，且采用制造技术为高密度非易失存储器。

将闪烁存储器和8位多功能CPU组合在一起构成一个芯片，可以很快被中国广大用户接受。

其程序具有的特性为电可擦写，这样会使得试验和开发相比较而言会容易一些，另外它的制造成本很低，灵活性很高，成为很多嵌入式控制系统首选的原件。

图3-1STC89C52单片机

3.1.2STC89C52管脚说明

STC89C52单片机的管脚包括电源、时钟、I/O口、控制线。

其中电源包括接+5V的VCC和接地端GND；接时钟电路的管脚XTAL1、XTAL2为输入和输出端；I/O口包括：

P0、P1、P2、P3共四个八位口，其中P0口是三态双向口，P1、P2口是准双向口,其中P1是专供用户的，P2可以供用户使用的I/O口，当拓展时当高8位地址线使用，P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。

作为第一功能使用时和P1口相同；控制线共有4根分别为RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp。

其中每个功能分别为复位信号端和在掉电时的备用电源；P0低8位地址锁存和片内EPROM编程脉冲；ROM读选通信号；内外ROM选择端和内部EPROM编程时的电源。

3.1.3STC89C52单片机主要特性

以下是介绍的是STC89C52单片机的特性：

STC89C52和MCS-51系列的单片机系统在引脚和指令上都兼容；全静态工作,工作范围:

0Hz～24MHz；片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；十六位定时器/计数器两个，内部RAM8×128位；32位双向输入输出线；五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；超强抗干扰；宽电压,不怕电源抖动；宽温度范围,-40℃~85℃；禁止ALE输出;具有超低功耗，正常工作模式功耗4mA-7mA，掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池供电系统。

3.2超声波传感器检测ＨＣ－ＳＲ０４模块

3.2.1超声波传感器的介绍

超声波传感器又称为超声探头或者超声波换能器。

当前市场上能买到主要的超声波传感器类型大致分为有磁致伸缩式，压电式，电磁式三大类。

其中最为常见的是压电式，它的工作是利用压电材料产生压电效应。

分别将机械的振动波转换成为电信号，高频的电振动转换成机械振动，分别为正和逆压电效应。

3.2.2超声波传感器的工作原理

超声波传感器是利用声波在空气中传播的这一阶段时间和声波传递的速度就可以计算出与被测物体之间的距离。

在实际应用中使用超声波测距主要的方式两种：

一种是接收器接受的是超声波遇到被测物反射回来的声波，此时所测得的时间是超声波在与被测物体的往返时间也即计算出的距离是原来实际的两倍；另一种就是接收器和发射器不是在一端而是分别固定在被测距离的两端，其中一端发射一端接收，这样测得的距离就是实际中要测量的距离而不是距离的两倍。

本次的设计则是采用反射接收回波的方式。

本次的设计超声波传感器部分采用的是ＨＣ－ＳＲ０４模块。

其中该模块是由三个部分集成而来的，其中包含有接收器、发射器以及集成的控制电路。

它具有非接触式距离检测的特点，并且它的最小测量精度为3mm，测量的距离一般在2cm-400cm范围之间。

如图3-2是ＨＣ－ＳＲ０４模块；

图3-2ＨＣ－ＳＲ０４模块

ＨＣ－ＳＲ０４模块的工作原理：

该模块有四个引脚，这四个引脚分别为TRIG触发控制信号输入，ECHO返回信号输出，GND为接地线，VCC提供+5V电源。

采用的是单片机I/O口触发，使用程序给TRIG口不少于10us的高电平触发，然后模块开始进行测量；与此同时模块也将会自主的发送40Khz8个方波，并且会自动检测是否有方波信号返回；若接收器接收到返回的信号，单片机则通过I/O口ECHO输出一个高电平，过一段时间后电平将会由高电平变成低电平，其中这段高电平持续时间也即是超声波从发射到遇到障碍物被反射回来接收器接收的这段时间，由于测量的时间是超声波在被测量距离往返的时间，故测量距离的时间只是高电平持续时间的一半也即测量时间的二分之一。

因此测量的距离可以用如下的公式进行计算（单位：

m）：

需要测量的距离=（高电平持续的时间*340）/2，

340m/s是空气中超声波传播的速度

在编写程序中测试功能主要由函数完成，本次设计使用了两个函数进行实现，采用定时器T0进行时间的定时测量，8分频，0XCE设为TCNTT0的预设值，当timer0中断发生2500次时为125ms。

下面是计算时间的主要公式（单位：

ms）：

T=（定时器T0溢出次数*（0XFF-0XCE））/1000

3.2.3超声波传感器的应用

由于超声波自身的一些固有性质如：

折射，反射等性质。

在遇到阻碍超声波传播的物体时会产生明显的反射回波，遇到正在移动中的物体时会出现多普勒效应。

就目前来说，超声测距主要应用于农业生产、工业现场、建筑工地、医疗设备等不同领域的距离测量，虽然现在在测量距离的量程上已经能够达到百米的测量范围，但是测量的精准度方面还有待进一步的提高。

在农业方面，超声波可以应用在农作物种子的发芽和农作物的增产，还可以对农作物有机细胞进行杀菌消毒。

在工业方面，利用超声波传感器制成的探伤仪进行检测金属工件内部的质量。

超声波探伤仪还主要应用于如检测金属材料焊接中是否有焊接的缺陷，是否存在气泡。

对气体，固体硬度、厚度，液体的单位流量、高度测量测量。

在机器人防撞、防盗报警制作中超声波传感器也有着不可替代的作用。

在医学方面，超声波可以帮助医生诊断病情如：

肿瘤、结石、B超等，这样能够比较快速准确的判断，减少不必要的错误。

同时超声波在大气除尘、水处理、燃油乳化等环境问题上进行处理，这对于环境的保护有着一定的贡献。

3.3单片机的最小系统

本次设计采用的单片机为STC89C52，它的最小系统如图3-3；其中包括了时钟电路与复位电路。

复位，就是不论单片机在运行程序，我们强制使它回到最开始的状态，并且也能从最开始的状态下进行工作。

我们一般常见的复位方法主要有上电自动复位和按键手动复位两种方式。

其中STC89C52复位是对单片机的外部引脚RESET进行操作，就能实现复位，即给它2个机器周期的高电平。

由于自动复位简单，所以本次采用的是自动复位电路。

时钟电路的设计使反向放大器的输入端XTAL1和输出端XTAL2与晶振的两端相接。

本次设计所使用晶振的大小为12MHz。

图3-3单片机的最小系统

3.4超声测距显示电路

超声波测距显示电路的设计是由四位数码管组成的动态扫描电路，STC89C52的P0口接上拉电阻构成。

单片机控制进行动态扫描时，由三极管对四个数码管进行驱动控制，确定数码管是否选通并进行不同的数据的显示。

进行测量距离结束并调用显示程序时，四位数码管就会显示距离大小和测量距离数值的两位有效的小数。

图3-4显示电路

3.5超声测距报警电路

超声波测距报警电路设计是由一个Buzzer和一个PNP三极管、通过电阻连接到单片机P2.3的引脚上构成的声音报警电路。

如图就是所设计的声音报警电路。

当单片机通过计算测得距离数值不在事先设定的范围内时，单片机会控制电路产生报警。

图3-5报警电路

3.6超声波测距按键电路

如图所示，是本次设计的按键电路，共有三个按键，分别是设置键，数值加减键。

图3-6按键电路

3.7本章小结

本章主要介绍了电路中各个部分的设计，如单片机的最小系统，报警电路，显示电路以及按键电路等的设计。

通过对软件protus的学习，画出各个部分的电路图，根据查找的资料和经验，选择每个元件的大小及按照各个元器件实际的尺寸进行封装。

4系统软件设计

超声波测距系统的软件设计由主程序、数码管显示子程序、超声波测距子程序及蜂鸣器报警子程序等构成。

程序的编译采用keilc51。

4.1主程序流程

首先要对系统整体进行初始化设置，本次系统设置的定时器T0工作模式是8位的定时计数模式，调用超声波程序，对距离进行检测，测得距离与事先设定的距离相比较，若小于设定距离，蜂鸣器会进行报警，否则将会进入显示子程序由数码管显示出当前的距离也就是要测量的距离。

等待下一次距离的检测。

主程序的流程图如下所示：

图4-1主程序结构框图

4.2子程序的设计

4.2.1超声发射和接收设计

在测量距离中，超声波发射和接收的时间由定时器来计算，通过接收端口的高电平持续的时间来计算距离。

以下是定时器的流程框图：

图4-2-1定时器结构框图

4.2.2显示子程序设计

根据测量距离的子程序计算，得到的距离通过四位数码管来显示，具体的显示方法是将测量数据分别求得百位、十位、个位，通过选段各个数码管显示出来。

具体的程序如下：

图4-2-2显示结构流程图

4.2.3报警子程序

为了更为准确的测量避免错误的产生，进行了两次的距离的测量，同时进行测定的数据与设定数据之间的比较。

这样能有效的减少错误。

报警程序的流程图如下：

图4-2-3报警结构流程图

4.3本章小结

本章通过介绍主程序，各个部分的子程序的设计流程图，其中子程序包含了超声波测距的子程序，显示子程序，报警子程序几个部分。

通过结构框图进行超声波测距离算法的设计和各个部分子程序的设计。

通过超声波发射到接收到的时间进行距离的计算，通过数码管显示，并在设定的距离内进行报警提醒。

5联调与调试

5.1软件调试

首先根据原理图在Protus中绘制电路的仿真图，由于这个软件中没有超声波的模块，因此只能对除了超声波电路模块以外的部分的程序功能进行仿真。

在仿真中用AT89C51代替STC89C52芯片，由于没有超声波HC-SR04模块，我使用了555定时器的延时功能模仿超声波发出信号到接收信号的时间。

用滑动变阻器的阻值大小模仿距离障碍物的远近。

虽然和实物有一定的差距，但基本的原理还是相同的，所以有一部分的功能还是可以实现的。

程序的编辑环境是在keilc51下，该软件适用于51系列单片机的程序编译，对程序的不断调试来完善超声波测距的功能。

将事先编写好的C语言程序生成HEX文件，并将其导入单片机的仿真图中进行仿真，实现部分的功能。

下面图5-1实现的是设定报警值为50cm功能，图5-2通过移动滑动变阻器改变阻值大小测得距离为343cm。

图5-1设定报警值

图5-2测量距离

5.2硬件调试

在硬件调试的过程中，主要的是电路的焊接，将原件的大致位置排列好，然后把主要的原件进行固定住。

按照原理图和PCB图进行布线。

在焊接的过程中由于实际情况，焊接的实物位置与原理图和PCB图有一定的差距，但是所有的接线都严格的根据原理图，所以这并不影响调试。

焊接好以后，就是对单片机烧写程序。

通过使用学习板和下载软件，将程序烧写进去。

下面是调试过程中的相关的图片。

图5-3设定报警值为50cm；图5-4超出量值显示888；图5-5和图5-6是根据障碍物测量值。

图5-3设定值图5-4超出量值显示

图5-5测量值图5-6测量值

由于焊接的过程中焊接不熟练，操作不得当和自己对元器件的引脚不熟悉，都会导致焊接出来的实物不能实现测距的功能，这就需要我们对实物进行调试，下面是在焊接过程中需要注意的几点问题：

（1）使用万用表对面包板上的各点进行逐个检查，判断各个节点没有断路，短路，虚焊等各种问题的出现。

另外，应该仔细的检查电源和地线是否都准确无误的接上减少不必要的错误；

（2）检查焊好的实物中的按键是否正常工作，各芯片管脚是否按电路原理图的走线，避免漏焊，焊错引脚。

（3）借助示波器进行波形，观察单片机晶振是否起振；测试结果的波形和正常情况下的工作波形进行比较，看是否一致；

5.3系统PCB图

在原理图的绘制基础上绘制PCB板，在元器件的布线上采用的是手动布线，使得整体的布局空间合理，一目了然。

图5-5是PCB图：

图5-5PCB图

5.4本章小结

本章通过对硬件和软件进行了调试，制作出超声波测距器，实现超声波对距离的测量。

最终将编译好的程序烧写到焊接好实物中进行多次的调试最终实现测距功能。

结论与展望

本次设计是对我大学四年学习所有课程的一次综合实践的应用，主要运用了单片机原理与设计，C语言编程，以及运用Protel和Protus软件绘制原理图、PCB图、仿真图,Keil软件进行编译处理。

在绘制原理图时，有些无法找到的器件，必须自己绘制，例如绘制的四个数码管，在自己动手的过程中，学习了很多的快捷键绘图的方法和知识，对Protel绘图软件有了更深一层的了解。

在绘制PCB图时对原件的封装尺寸的问题时，为了封装准确，进行了实际的测量在封装库里找到了它的封装。

在布线时，采用的是手动布线，是原件整体结构更清晰明了。

由于学校实验设备的有限本次设计采用的是在面包板进行焊接，没有制作印刷版。

在焊接的过程中增强了动手能力，培养了耐心细心以及不怕失败的精神。

在程序的编写过程中也有了很大的收获，为了了解本次设计的相关知识，阅读了大量的相关书籍，对于编程的算法，语言有了深刻的认识。

认识到了程序语言的严谨，在程序设计时程序设计的总体的思路编写流程图使思路更加清晰化。

在编程的过程中尽量做到使问题简单化，每个部分分别进行编写，边调试边发现问题，然后进行解决。

在程序进行调试和软件仿真时、元器件的焊接时，老师和身边的同学都给予我很大的帮助。

遇到困难时都会在一起讨论研究进行解决。

本次设计的脉冲反射式超声波测距能对一定的距离进行测量，在特定的距离进行报警处理，但还是有很多的局限性。

在本次的设计中没有考虑到周围环境的影响，如温度、湿度等因素，这些会导致测