基于单片机的超声波测距系统的设计与实现毕业论文.docx
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基于单片机的超声波测距系统的设计与实现毕业论文
毕业设计（论文）
题目
基于单片机的超声波测距系统
的设计与实现
系（院）
专业
班级
学生
学号
指导教师
职称
二〇一五年六月日
独创声明
本人重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇年月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部容，允许他人依法合理使用。
（论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇年月日
基于单片机的超声波测距系统的设计与实现
摘要
超声波是一种机械波，其振动频率超过20KHz。
人耳无法捕捉到它，超出了人的听力极限。
具有聚束、定向与反射、透射等机械特性。
这些机械特性正是超声波被利用作为测量距离的重要方法的原因之一。
而超声波具有简单快捷，精确度高和耐用都特点是另一大原因。
本次设计对单片机、超声波和超声波测距原理进行了详细介绍。
更是用STC89C51单片机、HC-SR04超声波模块、DS18B20温度传感器和LCD液晶显示屏通过软件编程的方式设计出了一个简单易操作、经济实用和精度高简易超声波测距仪。
通过误差分析进行了温度补偿，并且做到了可调节测量量程，实现报警等功能。
关键词：
单片机；液晶显示；报警；测距
DesignandimplementationofultrasonicdistancemeasurementsystembasedonMCU
AbstractUltrasonicreferstothevibrationfrequencyisgreaterthan20kHzisequaltothesumoftheacousticwave,thevibrationfrequencyisbeyondtherangeofthehumanearhearing,soknownasultrasound.Ultrasonicismechanicalwave.Havethemechanicalpropertiesofthepolymer,suchasthespotlight,orientation,reflectionandtransmission.Thesemechanicalpropertiesisoneofthereasonstobeusedasanimportantmethodofultrasonicdistancemeasurement.Ultrasoundissimpleandefficient,highprecisionanddurablecharacteristicsisnotherbigreason.
Thisdesigngivesadetailedintroductiontothemicrocontroller,ultrasonicandultrasonicrangingprinciple.ItiswithMCUSTC89C51,hc-sr04ultrasonicmodule,DS18B20temperaturesensorandLCDdisplaythroughsoftwareprogrammingtodesignoutasimpleandeasyoperation,economyandpracticalityandaccuracyhighsimpleultrasonicrangefinder.Throughtheerroranalysisoftemperaturecompensation,andtoachievetheadjustablemeasurementrange,realizethealarmfunction.
Keywords：
SCM;LCD;alarm;ranging
第一章绪论
1.1研究的背景和意义
随着科技的发展，超声波已经可以对实物做出精确测量。
伴随着社会经济的蓬勃发展，电子测量技术也逐渐被应用到各个领域，而超声波测距技术因拥有测量精确度高、成本消耗低、性能稳定度高等优点则成为其中的佼佼者。
频率在20KHz以上的声波是超声波。
也正是因为这些特性超声波才会被应用到测量距离中。
科技在不断发展，人们的需求也在不断提高，因此，超声波逐渐被人们应用到生活和个行业（如医疗、工业、航天等）当中。
超声波是一种非常实用有效的测量方法，人们借用它不需要接触物体就可以进行精确测量。
它还对环境因素（如光线、高温、腐蚀气体和潮湿等）的测量影响具有较高的抵抗性。
而且还有测量精确度高，对环境无污染，基本上不用维护，使用寿命长等好处。
所以能够广泛应用于化工、污水、环境监测等诸多具有腐蚀性的行业中。
对环境适应能力强，无论在什么样的环境中，都能够进行精确测量并标定准确度。
可对多种液体（如水、酒和饮料等）进行液位控制，设定差值。
还有一个很大的优点，能够对盛装液体的液位罐直接显示其液位高度。
因此，超声波测距在空气和特殊环境中拥有较广泛的应用。
超声波在机器人的研制和倒车雷达等实例中也被广泛使用。
1.2国外研究现状
实际上，在工程应用当中超声波检测技术存在两个突出的问题，一是:
由于超声波自身传播的特性和某些材料的吸收特性，使得超声波在传播距离加长的同时，回波信号也随着变的异常微弱;二是：
回波信号中夹杂着许多干扰信号，而回波信号自身较为微弱，很容易被噪声所淹没。
因此传统方法对提取回波信号已无效。
人们一直很重视如何降低输入信号的信噪比。
从19世纪末，傅里叶变换理论和傅里叶级数问世，人们就高度重视对频率信号的检测，第一台锁相放大器在1962年问世，从而使提取淹没在噪声中的信号成为现实。
在此之后不断涌现出新的检测理论和方法，成功研制出许多性能优良的测量仪器，并不断成功的降低微弱信号的测量下限。
自20世纪90年代开始，经过十多年的发展，混沌理论作为一种新的检测方法出现，并在在微弱信号检测中具有巨大的潜力。
自从进入21世纪开始，国的广大学者和科研人员就对超声波测量精确度的提高方面进行了大量的尝试研究。
其中有对超声波发射脉冲的选取和对新型超声波换能器的研发。
主要研究方向是如何提高超声波回波信号精度的处理方法。
更是针对影响超声波测距精确度的措施提出了温度补偿等方法。
就目前来说，国虽然对超声波回波信号的处理有了较为成熟的研究发展，由于它对超声波测距的探测定位具有关键性作用，因此国学者仍然将它作为重要研究方向之一。
1.3课题研究容和意义
本设计系统打算实现在实验室进行小围的测距。
测距量程约为0.02m—4m，测量精度可达到毫米级。
系统整体结构如图1.1所示。
图1.1系统设计方案图
由图可知本系统硬件设计是由六部分组成，分别为：
（1）发射电路。
（2）接收电路。
（3）单片机控制器。
（4）LCD显示电路。
（5）温度测量电路。
（6）声音报警电路。
实际测量时，在LCD液晶显示屏上显示出所在地的实时环境温度。
发射电路发射超声波经反弹后被接收电路接收。
经过STC89C51单片机进行数据处理后将距离也显示到LCD上。
如果距离超出设定的值，报警电路就会鸣叫，即提醒测量距离超出量程。
超声波测距器的系统框图如下图1.2所示。
图1.2系统设计框图
从效益和成本出发，HC-SR04超声波测距模块是一个非常好的选择。
由下图1.3可看出，T0时刻由超声波模块的发射端发射一束方波，并于此时定时器开始工作计时。
接收端收到回波后，产生一负跳变通到单片机的中断口。
之后单片机会响应中断程序，同时定时器会停止计数。
两次测得的时间差，就是我们所需要的超声波在媒介中的传播时间t，通过进一步计算便可以得出距离。
图1.3时序图
通过本次设计，完善自我，学习了解单片机的相关知识。
并且能够具体了解基于单片机的超声波测距的发展现状以与能进行简易测距仪器制作。
这对我们以后的工作生活是非常有意义的。
第二章超声波测距的原理
2.1超声波介绍
所谓超声波就是频率超过20KHz人耳不能辨识的音波。
如今超声波被应用到诸如工业、医疗、军事等各种行业当中。
超声波的特点：
（1）超声波传播过程中，方向性很强，能量集中。
（2）超声波的传播适应于各种不同媒质，传播距离够远。
（3）超声波载体性很强，可作为载体进行治疗操作。
（4）超声波能够在固、液、气、固熔等介质中传播。
（5）超声波传递的能量可以很强。
（6）超声波具有反射的现象。
这是其之所以能够成为测量距离的重要方法之一的原因之一。
（7）超声波不但是一种波动形式，可作为媒介如B超等进行医疗诊断；同时也是一种能量形式，可对患者进行治疗。
2.2超声波传感器的介绍
超声波发生器可分为两大类：
一是电气方式产生超声波；
二是机械方式产生超声波。
而压电式超声波发生器是目前常用的。
超声波传感器结构如下图2.1和图2.2。
图2.1超声波传感器外部结构图2.2超声波传感器部结构
2.2.1传感器的选择
本课题设计选用的是HC-SR04超声波模块。
HC-RS04模块不但性能比较稳定、测度距离精确，而且该模块的测量精度高，盲区小。
可用于机器人避障，物体测距，液位检测，公共安全，停车场检测。
电气参数如下表2.1。
表2.1超声波模块HC-SR04的电气参数
电气参数
超声波模块HC-SR04
工作电压
DC5V
工作电流
15mA
工作频率
40KHz
最远射程
4m
最近射程
2cm
测量角度
15度
输入触发信号
10uS的TTL脉冲
输出回响信号
输出TTL电平信号，与射程成比例
规格尺寸
45*20*15mm
基本工作原理：
采用I/O口TRIG触发测距。
能够给出至少10us的高电平信号。
该模块将会自动向外界发送8个40KHz的方波。
并且还能够自动检测是否有信号返回。
当信号返回时，I/O口对此作出响应而输出一个高电平。
这个高电平所持续存在的时间就是超声波往返的时间。
本模块的使用方法非常简单。
通过控制口发一个10µs以上的高电平,然后在接收端等候高电平输出。
当高电平输出时，定时器开始计时。
这个端口的高电平经过一段时间后会变为低电平。
变为低电平的一瞬间我们所读取定时器的值，就是这次测量距离的时间。
这样就可以算出距离。
通过不断的进行周期测量，就可以得出移动测量的值。
2.2.2超声波测距的原理
超声波测距方法主要有三种：
（1）声波幅值检测法：
该方法虽然最廉价最简单但容易受反射波的影响，精确度却是最低，在此就不详细介绍了。
（2）相位检测法：
相位检测法是利用发射波与反射波之间的相位差来实现超声波测距。
设起始时刻为，则发射波的强度为（实际测量时的发射波是方波，为了方便计算说明所以在此用正弦波举例）。
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