基于单片机和超声波模式的测距系统研究设计.docx

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基于单片机和超声波模式的测距系统研究设计

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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

利用超声波进行测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在倒车雷达系统中得到广泛的应用。

本超声波测距系统电路采用模块化设计，由超声波发射接收模块、LCD液晶显示模块、温度检测模块、报警模块等组成。

通过软件的编程使硬件功能通过单片机的综合处理得到实现。

程序有主程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等。

该设计抗干扰能力较好，实时性良好，误差可以达到mm级，可以有效地解决汽车倒车和对室内温度感知的问题。

此课题采用STC89C52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和软件设计方法。

通过单片机控制从而实现了倒车过程中汽车与障碍物之间的距离显示，当汽车与障碍物距离小于某个值时自动报警，本系统同时也拥有温度报警功能。

通过按键设置最高最低温度值，当环境温度超过上限或者下限时，控制系统及时的报警等功能。

关键词：

单片机STC89C522，超声波传感器测量距离，温度传感器，倒车雷达

Abstract

Becauseofultrasonicdirectionalityisstrong,energyconsumptionisslow,inthemediumofcommunicationdistance,sooftenusedforthemeasurementofultrasonicdistance,suchasrangefinderandmateriallevelmeasurementinstrument,etccanallthroughtheultrasonictoachieve.Useofultrasonicdetectiontendtobequickly,convenientandsimplecalculation,easytodoreal-timecontrol,andinthemeasurementprecisioncanreachindustrypracticalrequirement,soinreverseradarsystemwidelyapplied.

Theultrasonicrangingsystemadoptmodularizationdesigncircuit,byultrasoundreceivingmodule,LCDdisplaymodule,temperaturedetectionmodule,alarmmodule.Throughthesoftwareprogrammingmakehardwarefunctionthroughcomprehensivetreatmentofsinglechipachievedget.Programhasmainprogram,launchprocedure,receivingasubroutine,displayprocedure,etc.Thisdesignanti-interferenceabilityisgood,goodreal-timeperformance,errorcanachievemmlevel,caneffectivelysolvethecarbacktoindoortemperatureandtheproblemofperception.

ThesystemthroughtheSTC89C52single-chipmicrocomputercontrolsoastorealizetheback-draftprocesscarsandobstaclesofthedistancebetweentheshows,whencarsandobstacledistancetoavaluelessthanwhentheautomaticalarm,thissystemalsohasthetemperaturealarmfunction.Throughthebuttonlowesthighesttemperature,whenenvironmenttemperaturemorethancaporlowerlimit,controlsystemtimelyalarmfunctions.

Keywords：

MCUSTC89C52，ultrasonicdistancesensor，temperaturetransmitter，ParkingDistanceControl

1.绪论

1.1课题背景及意义

随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合无法满足人们的需求，而超声波测距是一种非接触式的检测方式，与其他方法相比，它不受光线、被测对象颜色等影响。

对于处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下被测物的测试有一定的适应能力。

在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别、倒车雷达、建筑工地以及一些工业现场等方面有广泛的应用，特别是在空气测距方面的应用。

因空气声波较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨能力，因而其准确度也比其他方法更高，而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。

利用超声波检测迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。

此外随着人们的生活水平的提高，汽车已经普及大部分工薪家庭，家庭式的拥有汽车已是非常普遍的事情，随着汽车的急速增多，停车位已经非常缺乏，从而导致车位空间越来越小，这就对驾驶员的驾驶技术提出了更高的要求，因此需要一款比较先进而精密的仪器来辅助人们进行精确的倒车，从而在倒车仪器上提出了需求。

此方案利用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，入射角等于反射角等特性，设计此超声波测距系统从而更好的辅助人们精日常生活。

此款超声波测距仪可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合

本系统在倒车时不断地测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在危险距离下及时报警提示。

在不同的范围内，不同的温度下测出距离、实时温度，从而在距离或者温度警戒范围内发出警报信号，以提高汽车倒车时的安全性和实时温度的感知。

1.2超声波简介

超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。

当声波的振动频率小于20Hz或大于20KHz时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹～5兆赫兹。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前超声成象所用的频率范围在2-5MHz之间，常用为3-3.5MHz（每秒振动1次为1Hz，1MHz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20，000HZ之间）。

1.3课题的主要内容

本设计主要研究基于单片机的超声波测距系统，通过超声波模块进行对汽车与障碍物之间的测距，从而在LCD液晶显示屏上显示，当汽车与障碍物距离小于预设距离是实行报警；此外还通过温度传感模块时刻显示驾驶室内温度，同时通过预设最高最低温度，当室内温度达到上限或者下限时实行报警。

2.系统的总体设计方案

超声波测距系统，实现显示汽车与障碍物之间的距离，从而成功的实行倒车，同时也可以通过模块上的温度显示从从而更好的判断需不需要开设空调。

2.1超声波传感器测距原理

超声波是指频率高于20KHz的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

首先测出超声波从发射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。

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，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、易于做到实时控制。

人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，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、磁致伸缩型和电动型等；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。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

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。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340*t/2。

这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：

L=C*T

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段，通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用DS18B20温度传感器进行声波传播速度的补偿后，设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测