基于单片机的超声波测距系统毕业设计论文.docx
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基于单片机的超声波测距系统毕业设计论文
基于单片机的超声波测距系统毕业设计论文
届别
学号
毕业设计
基于单片机的超声波测距系统
姓名
系别、专业
导师姓名、职称
完成时间
摘要3
1、绪论4
1.1项目研究背景及意义4
1.2国内外发展状况5
2、总体设计方案及论证8
2.1总体方案设计8
3、硬件实现及单元电路设计8
3.1电路总体设计8
3.2电源电路设计9
3.3超声波测试模块9
3.3.1超声波的特性10
3.3.2超声波换能器12
3.4超声波传感器原理13
3.5测距分析17
3.6STC89C52单片机简介18
3.7单片机最小系统18
3.8时钟电路的设计19
3.9复位电路的设计20
3.10声光报警电路的设计20
3.11数码管显示模块21
4、软件设计21
4.1主程序工作流程图21
总结24
参考文献24
附件1:
原理图25
附件2：
源程序25
附件3：
实物图35
摘要
超声波测距系统是以STC89C52为主控芯片，该系统是有单片机最小系统、超声波探头、数码管显示、蜂鸣器报警模块、按键模块和电源部分组成。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
当距离小于设置距离时，蜂鸣器和指示灯发出声光报警，当距离大于设置距离，停止报警。
报警距离可以通过按键设置，按下设置键，显示“A”时，可以通过设置键的加减键设置报警距离。
关键词：
超声波测距仪、STC89C52单片机
1、绪论
1.1项目研究背景及意义
随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。
在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。
传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。
但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域[1]。
超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。
超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力[2]。
因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，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，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，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[3]。
超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波。
它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，可解决超长度的测量[4]。
超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性、反射、折射、干涉、衍射、散射与物理紧密联系，应用灵活。
并且更适合与高温、高粉尘、高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。
超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害[5]。
而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。
超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。
1.2国内外发展状况
社会在进步，随着经济生活的发展，随着人们生活水平的提高，在当今社会，车辆已经逐渐成为了人们日常生活中至关重要的一部分，我们知道我们越来越离不开汽车了，以车代步已经成为生活的一部分。
关于汽车的各种新技术也层出不穷，但是放眼望去，绝大多数的厂家和研究机构的研究方向过多的集中在了设备本来已经相当高级的车上。
而在平日的生活当中我经常会遇到这样的问题，如来到一个大型的停车场，要来购物或者有非常着急的事情，但是却往往找不到要停车的位置[6]。
然而现在通常在有的有显示空车位停车场当中又不能智能引导汽车走到空着的车位。
在这种特殊的情况下，有通常会发生各种各样棘手问题而束手无策，譬如：
有很多车会堵在停车场门口处，又譬如浪费了很长时间找到车位又被其他车辆所占据，会导致打架的事情，直接导致家用车货车的搁浅，引起极大的不便。
再如长时间驾驶后在没有需要的停车位置的情况下停车休息，由于极度疲劳导致的贵重钱物丢失现象以及大型长途货车在停车场门口马路很窄的情况下由于很多待于停车的车辆堵车引起的倒车不便等等。
针对这些具体而实际的问题提出解决方案，节约资源时间，所以我们做一个智能车辆引导系统更具有现实意义。
随着计算机技术、自动化技术发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要。
例如，传统的如钢卷尺接触式测量仪器在测量一定距离时，这种仪器对高于3m的顶板安设困难，且测量不准确；对于横向变形量的测量，若安设于两侧之间，则妨碍人、车来往，如果不固定安设装，则测量精度很低，难以监测微小变形。
在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别，尤其在在工件运输过程中进行识别，则问题更为复杂与困难，因此人们急切需要各种非接触式的测距仪[7]。
我们目前的非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达，红外线等。
但激光和雷达测距仪造价偏高，红外线测量距离又太短，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点：
1.对于设计停车场来说，超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离，很合适；
2.针对停车场停车当中有的车有天窗，是玻璃或其他透明物质制的。
超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（如玻璃、抛光体）；
3.停车场应该是日夜工作的，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；
4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。
因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。
在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用[8]。
超声检测的原理主要是利用超声波作为载体，即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质木身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。
我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。
超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化[10]。
五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。
如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。
五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。
随后，上海同济大学研制出CTS一10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg，该仪器性能稳定，波形清晰。
但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。
直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS一10型仪器。
1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。
从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。
随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。
如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg。
七十年代，英国CN.S公司推出仅有3.5Kg重的PLJNDIT便携式超声仪[11]。
1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。
该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5Kg。
同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。
从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广一应用无损检测技术奠定了良好的基础。
随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。
进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。
随后具有检测、记录、存储、数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。
超声仪研制呈现一派繁荣景象[12]。
其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单.，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。
与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。
目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。
过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。
高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基木情况一样，才可充分发挥其特有功能。
仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。
[13]综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体力型。
电声型主要有：
1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。
流体动型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同，超声传感的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”[14]。
电子测距仪要求测量范围在0.10～5.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。
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，公式L=（△t/2）*C简单易算，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。
超声波测距器，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[15]。
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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
所以就顺其自然的选择用超声波探测仪来进行探测停车位是否有车了。
2、总体设计方案及论证
2.1总体方案设计
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
超声波测距系统由单片机最小系统、超声波模块、按键模块、电源模块、数码管显示模块和声光报警模块组成。
该系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元,当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理。
然后控制蜂鸣器报警。
系统总体的设计方框图如图1所示。
图1系统方框图
3、硬件实现及单元电路设计
3.1电路总体设计
硬件电路总设计见图3，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件：
STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。
其中D1为电源工作指示灯。
电路中用到3个按键，一个是设置键,一个加键，一个减键。
图3总设计电路图
3.2电源电路设计
电源部分的设计采用3节5号干电池4.5V供电。
经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。
本电路有电源开关、电阻、电容和发光二极管组成。
其中电容主要是对超声波和单片机模块滤波用，以提供稳定的电源。
具体电路
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