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2010届毕业设计（论文）

题目：

基于单片机的超声波测距的设计

学院：

电子与信息工程学院

专业：

通信工程

班级：

通信0602班

姓名：

指导教师：

起讫时间：

2010-03-01~2010-6-18

2010年6月

基于单片机的超声波测距的设计

摘要

在空气介质中，由于超声波传播不易受干扰，能量消耗缓慢，传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。

为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器及其收发电路，对于超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。

本设计利用SST89E58RD单片机作为主控制器，结合超声波测距的原理，实现倒车雷达防撞报警功能。

文中主要介绍了硬件方面和软件方面的设计，其中检波接收电路和温度补偿电路分别采用了CX20106A和DS18B20两款集成芯片，减小了电路间的相互干扰，提高了超声波测距的精度。

该系统的最大测距误差为1cm，测距范围为10~250cm。

除此之外，系统还具有结构简单，体积小，使用方便等特点。

本次课题的实验结果达到了预期要求，设计出的系统可以利用超声波进行测距并显示在数码管上，同时进行报警，具有一定的实用价值。

关键词：

超声波测距单片机

TheDesignofUltrasonicDistanceMeasurementBasedonMCU

Abstract

Inthemedium,theultrasonicwavetransmissionisnoteasytodisturb,itsenergyconsumptionisslowlyanditcanbetransmitteddistantly,soitisfrequentlyusedinultrasonicdistancemeasurement.Therefore,thein-depthstudyofthegenerationandtransmissionlawofultrasonicandthedevelopmentofhigh-performanceultrasonicsensorandtransmitandreceivecircuitsisofgreatpracticalsignificanceinthedevelopmentofultrasonicdetectiontechnology.

Thedesignusingsingle-chipSST89E58RDasthemastercombinedwiththeprincipleofultrasonicdistancemeasurementtorealizetheback-draftanti-collisionalarmfunction.Thedesignsofthehardwarecircuitsandthesoftwareareintroducedinthispaper.TheintegratedchipsofCX20106AandDS18B20areseparatelyusedinthedetectionreceivingcircuitandthetemperaturecompensationcircuit,themutualdisturbancebetweencircuitsisreduced.Themaximumdistancemeasurementerroris1cm,andtherangeofthesystemis10~250cm.Besidesthat,thissystemhassimplestructure,smallsize,easy-to-usefeaturesandsoon.

Theexperimentresultmeetstheanticipatedrequirements.Thesystemdesignedcanbeusedinultrasonicdistancemeasurement.Thedistancecanbedisplayedandalarmingatthesametime.Thestudyonthisdesignhascertainpracticalvalue.

KeyWords:

Ultrasonic;Distancemeasurement;MCU

第一章绪论

1.1超声波测距的背景

近年来，随着超声测距技术研究的不断深入和超声波防尘、防雾、非接触式的特有优点逐渐为人们所重视，超声测距的应用变得越来越普及。

目前，超声测距技术已广泛地应用于机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域[1]，大部分的超声应用问题都可以统一到超声测距问题上来。

于是，超声测距这个古老而前沿的课题又重新焕发出蓬勃的生命力。

深入研究超声波测距的相关技术及方法，对超声检测的应用和普及更具有重要的现实意义。

目前，随着城市交通系统的负荷日益加重，汽车倒车引起的交通事故也越来越多。

据有关调查统计，15%的汽车交通事故是由于倒车时汽车的后视能力不良造成的。

因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达成为近些年来的研究热点之一[2]。

在弹性媒质中传播的应力、质点位移、质点速度等量的变化称为声波[3]，当声波频率高到超声频率范围时，则称为超声波，又称超声。

超声波测距技术是一种有源非接触性测距技术，在社会生活中已有广泛的应用如汽车倒车雷达等，汽车倒车防撞预警系统即是俗称的倒车雷达，是汽车泊车辅助装置。

在汽车倒车时，倒车雷达采用超声波测距原理探测汽车尾部与障碍物之间的距离，当汽车尾部与障碍物的距离达到一定的探测范围时，倒车雷达通过数码管实时动态显示当前的距离。

当汽车与障碍物的距离达到设定的安全警告值时，倒车雷达发出报警声，以警示驾驶员从而安全倒车。

1.2超声波测距的研究现状

迄今为止，在倒车雷达的研究中，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究[4]。

目前测定汽车安全距离的技术主要有超声波测距、激光测距、微波雷达测距以及CCD摄像系统测距等几种方式[5]。

国内外都在研究如何利用先进的技术，即汽车避撞技术，辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路环境进行实时监控，在危急情况下由系统主动干涉驾驶操纵、辅助驾驶者进行应急处理、防止汽车碰撞事故的发生。

随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。

超声波测距仪在近几十年来的研究中不断吸收多门类、多学科的知识和理论，综合了现代声学、控制论、数字信号处理和计算机应用等学科，涵盖了传感器、集成电路、机械制造等技术，领域涉及换能器阵列和机械构造研究、电路阻抗匹配研究、滤波器设计、处理器控制等方面，逐渐发展为一个综合性、专门化的研究课题，研究方向向实用化和高精化纵深发展。

目前已研制出的超声测距仪中，测距量程一般为3~12m，美国AIRMAR公司生产的AirducerAR30超声波传感器的作用距离可达30m，但价格昂贵。

精确度方面，普通阈值检测法的测量误差在4%左右。

在3m~12m内，多数研究成果都以绝对误差作为参照，与准确值的差距在厘米数量级范围内。

如采用互相关或伪随机码等算法，精确度一般可以得到进一步提高，绝对误差可控制在0.05m以内，和激光测距、视觉传感器等方式相比，在提高测距量程和精确度方面，超声测距仪器还有很大的发展潜力和上升空间。

此外，实用性也是一个重要的发展趋势，研制自动化、智能化、成本低、体积小的测距仪将为工程技术人员提供更多便利。

目前超声测距在汽车运输中的应用主要有两个方面：

一是在交通管制系统中，采用超声波传感检测道路车流量及车速。

利用的是超声波的多普勒频移效应。

在日本东京的高速公路上，每隔300m设有超声波车辆传感器。

超声波传感器由于信息处理简单、快速并且价格低，在交调市场得到了广泛应用，但是其固有的一些缺陷仍旧得不到解决：

（1）探测波束角过大，方向性差，往往只能获得目标的距离信息，不能准确地提供目标的距离信息，也即是说分车型误差极大，在实际应用中，往往采取其他传感器来补偿，或采用多传感器融合技术来提高测量精度等；

（2）超声波受环境温度、湿度等条件的影响，以及超声固有的宽波束角，超声传感器在测距时与实际的值误差较大。

二是采用超声波传感器作为汽车的防撞探测装置，属于测距范畴。

利用安装在汽车前后四角的超声波传感器，发现各方向的障碍物，用蜂鸣器、指示灯和电子显示器告诉司机障碍物与汽车之间的大致距离和方向，确保车辆行驶的安全。

除此之外，超声在生物学领域的酶工程、发酵工程、细胞工程以及肿瘤的生物治疗中有很广阔的应用前景，是一个崭新的研究方向[6]。

1.3超声波测距的系统设计和工作过程

1.3.1超声波测距的系统设计

本文在深入理解超声波测距基本原理的基础上，根据实际倒车过程中驾驶员的具体需求设定了系统的性能指标，提出了基于超声波测距的汽车倒车雷达系统的整体设计方案。

本文介绍基于51单片机控制的倒车雷达系统，该系统采用通用型单片机作为核心控制模块，方便系统功能扩展。

在掌握超声波测距原理的基础上，完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统的硬件设计，其中为了进一步提高系统测量精度和系统稳定性，在硬件上增加了温度传感器测温电路。

系统结构设计如图1-1所示：

图1-1系统结构示意图

系统设计包含硬件设计及软件设计两部分。

硬件系统主要由单片机控制电路、超声波发射和接收电路、温度补偿电路、数码管和LED显示电路及语音报警电路等五部分组成。

软件开发工具选用KeiluVision3，这是开发单片机的软件，KeiluVision3提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（KeiluVision3）将这些部份组合在一起。

编程语言方面，采用C的编程方式。

1.3.2超声波测距的工作过程

超声波测距技术，是利用超声波在空气中的定向传播特性和固体反射特性，通过接收自身反射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，超声波在空气中传播的速度为340m/s，根据计时时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即s=340×t/2。

这就是时间差测距法。

本系统就是利用单片机控制超声波发射器发射超声波脉冲，同时利用单片机中的计数器开始计时。

超声波达到后面的障碍物就会反射回来，接收装置接收到回波信号后由外部比较电路产生高电平使单片机产生外部中断。

单片机运行中断服务子程序（ISR）计算出距离，并将距离显示在数码管上，同时产生报警。

1.4本文的内容安排

本论文共分为五章，具体如下：

第一章绪论，介绍了超声波测距的背景、研究现状以及超声波测距的系统设计和工作过程。

第二章是超声波测距的硬件设计，先简介了超声波测距的主要原理，之后按照功能图分模块去具体给出相应的模块电路图，其间也给出了涉及到实现各个模块所需的关键器件的说明介绍，最后再组合成一个整体硬件并给出整体系统电路图。

第三章软件设计过程，先介绍了单片机编程所需的软件KeiluVision3以及C语言，然后相对应硬件模块部分对整个系统的程序流程作介绍以及相应程序解析。

第四章是系统的调试与分析，首先是整体硬件电路的检测，重点是软件程序部分的调试，也是分模块调试并对调试时所用到的一些调试工具作了介绍，最后介绍了整体联调的过程、调试过程需要注意的问题和对结果作了比较简要的分析。

第五章是对本论文的总结与展望。

第二章超声波测距的硬件设计

2.1SST89E58RD单片机主控系统电路设计

主控制模块是本次设计的核心，因此该模块的器件选择和电路设计是最重要的，它是控制、协调系统各个模块正常完成相应功能的关键。

因此，需要一个处理功能强大、外部接口较多、体积较小的智能器件作为控制核心支持主控制模块运行。

而单片机是微电子技术与计算机技术的结晶，现已成为集成电路（IntegratedCircuit）大家族中的重要成员。

单片机是集成在一个芯片上的计算机，全称单片微型计算机SCMC（SingleChipMicrocomputer）。

单片机是计算机、自动控制和大规模集成电路技术相结合的产物，融计算机结构和控制功能于一体[7]。

单片机共同的特点是它们在一块芯片上集成了一台微机最基本的部分，只要辅以少量的外部电路或外部设备即可构成一个微机系统。

同时单片机具有体积小、功能强、价格低廉等优点。

选择SST公司的SST89E58RD为主控制器，有丰富的中断源，可以很方便的采用中断方式测得超声波往返所需要的时间，从而达到测距的目的。

为能够更好了解该芯片的功能，首先介绍以下80C51单片机的基本特点。

2.1.180C51单片机基本组成

80C51单片机由CPU系统、存储器系统、I/O口和其它功能单元组成，如图2-1[8]：

图2-18051单片机基本结构图

1.CPU系统包括8位CPU（含布尔处理器），时钟电路以及总线控制逻辑。

CPU是单片机的核心，它决定了单片机的主要功能特性，51的CPU能处理8位二进制数或代码，中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。

主要完成运算和控制功能。

2.存储器系统包括程序存储器、数据存储器、特殊功能寄存器等，下面是具体介绍。

片内程序存储器ROM：

80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，可以外扩至64K。

片内数据存储器RAM：

80C51芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据，并且也可再外扩到64K。

特殊功能寄存器SFR：

特殊功能寄存器与片内RAM统一编址，离散分布在80H～FFH的地址空间中，且每一位的定义和作用与单片机各部件直接相关。

3.I/O口主要是指4个并行I/O口和1个全双工异步串口。

四个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。

一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。

该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。

4.中断控制系统：

80C51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。

80C51共有5个中断源，即外中断2个，定时／计数中断2个，串行中断1个。

全部中断分为高级和低级共二个优先级别。

5.定时器/计数器：

80C51共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

2.1.2SST89E58RD单片机的特性

本系统采用的微控制器为SST89E58RD单片机。

SST89E58RD是SST公司出产的一款基于51内核结构的单片机，与其它兼容的8051系列（MCS-51）单片机相比，SST89E58RD具备低EMI（ElectroMagneticInterference，电磁干扰）模式，抗干扰能力和可靠性更高等特点，且具有较丰富的内部资源。

SST89E58RD单片机的特性如下：

（1）兼容80C51系列，内置超级FLASH存储器的单片机；

（2）5V的工作电压,操作频率为0～40MHz；

（3）与现行的80C52列单片机硬件PIN-TO-PIN完全兼容，软件、开发工具也完全兼容；

（4）1K*8的内部RAM（256Bytes+768Bytes，可放心使用C语言编程）；

（5）32K*8的基本存储块和8K*8的二级存储块（扇区大小为128字节），具有极强的抗干扰性）64kB的片内FLASH程序存储器，具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能；

（6）通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式；

（7）SPI（串行外围接口）和增强型UART；

（8）PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能；

（9）4个8位I/O口（P0～P3），1个4位I/O口（P4）；

（10）3个16位定时器/计数器；

（11）1个可编程看门狗定时器（WDT）；

（12）10个中断源，4个中断优先级；

（13）2个DPTR寄存器；

（14）低EMI方式（ALE禁能）；

（15）兼容TTL和CMOS逻辑电平、掉电检测、低功耗模式（掉电模式、外部中断唤醒、空闲模式）；

（16）温度范围：

商业级（0℃～+70℃）、工业级（-40℃～+85℃）。

SST89E58RD的上述优点使得它可以很好地应用于测控领域。

2.1.3复位电路和时钟电路

为确保单片机系统的稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。

目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：

微分型复位电路；积分型复位电路；比较器型复位电路；看门狗型复位电路[9]。

本系统带有一个手动复位端，无论单片机处于正常运行状态，还是当单片机出现死循环（形成死机现象）时，按下手动复位端，系统将被强制复位，恢复到初始状态。

系统的时钟电路中的石英晶体振荡器采用外接形式，外接晶振频率为11.0592MHz。

SST89E58RD单片机的复位电路和时钟电路如图2-2所示。

图2-2时钟电路和复位电路

2.1.4主控制模块硬件电路

整个超声波测距系统是以单片机为核心的主控制模块，本此设计采用的是SST89E58RD这个芯片，晶振为11.0592MHz，为了方便单片机的重复工作，还加入了复位电路。

单片机控制部分的原理图如图2-3所示：

图2-3主控制模块电路原理图

2.2超声波发射和接收模块

2.2.1超声波传感器

超声传感器，也即超声换能器，是超声波测距系统中的重要组长部分。

顾名思义，换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。

通常所说的换能器一般都是指的电声换能器。

用来发射声波的换能器叫发射换能器。

换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。

用来接收声波的换能器叫接收器。

换能器处在接收状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。

一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。

通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。

按照实现机电转换的物理效应的不同，可将换能器分成：

电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电磁致伸缩式等[10]。

目前使用较多的是电气类中的压电式超声换能器。

此次超声波测距系统的超声波传感器选用型号为T/R40-16，超声波工作频率为40KHz。

超声波换能器采用收发分体式，分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。

超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。

2.2.2超声波的发射电路设计

图2-4发射电路原理图

40KHz超声波发射电路之一，由U1：

A~U1：

C三门振荡器在U1：

C的输出为40KHz方波，工作频率主要由C1、R1和RV1决定，用RV1可调电阻来调节频率。

U1：

C的输出激励换能器T40-16的一端和反向器U1：

D，U1：

D输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入U1：

D使激励电压提高了一倍。

电容C3、C2平衡U1：

C和U1：

D的输出，使波形稳定。

电路中反向器U1：

A~U1：

D用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。

电源用5V电源。

测量U1：

C输出频率应为40KHz±2KHz，否则调节RV1。

为了提高输入电流，电源由单片机控制模拟开关实现而不是直接由单片机输出作为电源。

2.2.3超声波的接收电路设计

由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱（接收电压为mV级），所以在设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数；为减小环境噪声对回波信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回波易于检测。

超声波接收电路使用集成电路CX20106A，可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能，电路如图2-5所示。

其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载；其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高，CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。

同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。

在图中R4和C3是控制CX20106内部放大增益，R5控制带通滤波器的中心频率。

一般取R4=4Ω，C3=1uF。

其余元件按图2取值。

US_T为超声波接收头，OUT_INT当收到超声波是产生一个下降沿，接到单片机的外部中断上。

一些资料表示，在CX20106的1脚输入0.2mV的信号。

在5脚将会输出滤波后放大的有用信号。

在实测中，5脚并没有一个放大的信号输出。

图2-5接收电路原理图

2.3温度补偿模块

温度补偿电路采用了美国DALLAS半导体公司的DS18B20单总线型数字温度传感器[11]。

单总线即只用一根信号线来传输数据，而且数据传输是双向的，单总线具有“线与”功能，连接方便，便于扩展。

DS18B20集温度测量、A/D转换于一体，具有体积小、动态范围宽、测量精度高等优点。

2.3.1DS18B20性能特点

DS18B20是美国DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量。

从DS18B20读出信息或向DS18B20写入信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

DS18B20的性能特点[12]可以归纳如下：

（1）独特的单线接口，仅需要一个端口引脚进行通信；

（2）多个DS18B20可以并联在唯一的3线上，实现多点组网功能；

（3）可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V；

（4）零待机功耗；

（5）测温范围为-55~125℃，分辨率最大可达0.0625℃；

（6）温度以9~12位数字量读出；

（7）用户可定义的非易失性温度报警设置；

（8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

（9）负电压特性，电源极性接反时，不会因发热而烧毁，只是不能正常工作。

2.3.2DS18B20的内部结构

数字温度传感器DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度灵敏组件、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器[13]。

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。

64位ROM从高位到低位依次由8位CRC、48位列号和8位家族代码（28H）组成。

这也是多个DS18B20可以采用连接到一个口线上进行多点测温的原因。

DS18B20温度传感器的内部存储器