基于单片机的超声波测距系统的设计与实现毕业论文Word文件下载.docx
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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及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10µ
s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）。
接收调制波的强度为，则接收与发射时刻的相位差为，时间差为。
根据时间和相位的关系，待测距离可以转换为。
其中为波长，为整周期数，为非整周期的相位差值。
可用计数器测出。
该方法虽然测量精确度高精度高，但是检测围有限。
（3）渡越时间法：
首先通过检测计数从超声波传感器的发射端发出声波的时刻记为t1，超声波返回到传感器接收端的时刻t2，两者的时间差t=t2-t1，这个时间差就是渡越时间。
设L为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，求距离L。
则有L=ct/2。
该方法简单而直接，极易实现。
虽然精度相对于相位检测法差点，但好在测量距离足够远。
综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。
超声波测距原理如图2.3所示。
图2.3超声波测距原理图
2.2.3温度补偿
超声波也是声波，所以其声速c仍然与空气温度有关。
一般来说，c随着温度每升高1℃，就增加0.6m/s。
表2.2列出了几种温度下的声速。
表2.2超声波声速随温度的变化
温度（℃）
-30
-20
-10
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
323
338
334
349
386
测量时，若温度变化不大，则声速取值c=340m/s。
若要求高精度，则可通过温度补偿或者软件改进提高精度。
在本设计中用STC89C51中的定时器来测量超声波传播时间，用DS18B20测量环境温度，达到提高测距精度的目的。
空气中声速与温度的关系可表示为：
公式2-
（1）
声速确定后，只要得到超声波往返的时间，就可以求得距离：
公式2-
（2）
增加角度补偿可使得测量数值更加的精确。
公式2-（3）
2.2.4测量盲区
我们都知道，超声波模块发射探头和接收探头是并排放置到铜板上的。
而为了方便测量，再加上测量会有一个夹角，夹角越小越精确，因此他们离着很近。
显而易见，发射探头所发出的超声波必然会先传播到接收探头。
但该声波信号并不是反射回来的信号，只要检测到该信号，接收电路就会对其进行处理而产生中断信号，单片机也会跟着做出响应。
但所测得值并不是我们要测的，是错误的操作。
因此要等发送脉冲一段时间后才能让单片机接收中断信号。
然而，该短时间所走过的长度我们是不能检测到的，即为测量盲区。
可用下图2.4表示。
图2.4超声波回波测距原理分析图
2.3本章小结
本章主要是介绍设计相关理论，对超声波和设计所用单片机作了简要概述，并对STC89C51的性能特点、外部结构和部组成做了相关阐述。
超声波传感器的选择也很重要。
最重要的是超声波测距的原理方法，这是根本，因此本章对此进行了相关介绍，并为对测量时产生的误差进行减免措施。
第三章系统硬件设计
3.1系统硬件设计
系统硬件主要由以下六部分组成：
（1）单片机系统。
（2）超声波发射电路。
（3）超声波检测接收电路。
（4）温度补偿电路。
（5）显示电路。
（6）报警电路。
其结构框图如图3.1所示。
图3.1系统硬件设计结构框图
社会在发展，科技在提高，超声波测距技术也随之更进一步。
但超声波的发射和接收仍然是我们要研究的重要问题。
超声波传感器的工作原理都是一样的。
无论其大小、形状、灵敏度有什么不同。
而要提高超声波测量的精度，则必须要从设计要求的关键和难点出发，即对超声波的发射处理和超声波的接收处理这两个重要方面。
3.2单片机概述
单片机就是一块由诸多功能模块构成的集成电路芯片。
所以单片机会拥有一些特殊功能。
然而这些功能的实现需要人为控制，即通过编程来控制，进而实现各种不同的功能。
目前单片机应用领域很广泛：
工业自动化。
如数据采集、测控技术。
智能仪器仪表。
如数字示波器、数字信号源、数字万用表、感应电流表等。
消费类电子产品。
如洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、微波炉、IC卡、汽车电子设备等。
通信方面。
如调制解调器、程控交换技术、手机等。
武器装备。
如战斗机、坦克和智能导弹等。
3.2.1STC89C51主要性能特点
STC89C51简单介绍：
（1）STC—前缀，表示STC公司生产的产品。
（2）8—表示该芯片为8051核芯片。
（3）9—表示部含FlashE²
PROM存储器。
（4）C—表示该器件为CMOS产品。
（5）5—固定不变。
（6）1—表示该芯片部程序存储空间的大小为4KB。
算法其实就是5后面的这个数乘上4KB。
主要性能：
（1）STC89C51系列单片机是从引脚到核都完全兼容标准8051的单片机。
（2）STC89C51系列单
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