超声波测距仪要点.docx
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超声波测距仪要点
2015届本科毕业设计（论文）
题目：
超声波测距仪
Title：
Ultrasonicrangefinder
学号姓名
学院
指导老师专业
完成时间
摘要
本设计的核心是89C52单片机，用它来实现超声波测距仪的硬件电路和软件设计方案。
整个电路采用模块化设计，由主程序、各模块子程序等模块组成。
由超声波模块发射和接受超声波，送回单片机，并通过DS18B20温度模块进行补偿，避免因客观环境的温度变化而影响波速，提高测量精确度。
单片机计算距离，显示测量结果。
各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。
在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
相关部分附有硬件电路图、程序流程图。
超声波测距在近年来得到了广泛的应用。
本设计的优点在于超声波明显特征是方向性好，穿透性强，并且成本低廉，可操作性强。
关键词：
89C51、超声波、测距
Abstract:
Thecoreofthisdesignisthe89C52singlechipmicrocomputer.ThedesignschemeofhardwarecircuitandsoftwaretoimplementitusingtheUltrasonicrangefinger.Usesthemodulardesignofthewholecircuit,composedbythemainprogramedeachmodelsubprogram.ThetransmissionandreceptionofUltrasoniccometimesenttoMCUbyUltrasonicmodule,andtemperaturecompensationbyDS18B20temperaturemodule.Avoidthechangeofobjectiveenvironment.temperatureaffectvelocity,improvetheaccuracyof.MCUcalculatedistanceanddisplaytheresults.TheprobesignalbyMCUintegrated.processingofvariousfunctionalcircuits.withtherelevantpartsofthecircuitdiagramandprogramflowdiagram.
Ultrasonicdistancemeasurementhasbeenwidelyusedinrecentyears.Theutilitymodelhastheadvantagesofgooddirection,strongpermeability,lowcostandstrongoperability.
目录
摘要i
Abstract:
ii
1引言-2-
1.1课题研究的背景以及意义-2-
2超声波的介绍及测距原理-2-
2.1超声波的介绍-2-
2.1.1超声波-2-
2.1.2超声波的特性-2-
2.1.3超声波的应用-2-
2.2超声波测距原理以及误差分析-2-
2.2.1超声波测距原理-2-
2.2.2超声波测距仪的误差分析-2-
3超声波测距系统硬件设计-2-
3.1超声波测距系统的结构设计-2-
3.2超声波测距系统的主控芯片STC89C52-2-
3.3超声波收发模块-2-
3.4温度补偿电路-2-
3.5显示电路-2-
3.6声音报警电路-2-
3.7超声波测距系统总括-2-
4软件设计-2-
4.1程序流程图-2-
1引言
1.1课题研究的背景以及意义
国内从五十年代起对超声波测距进行了较多的研究，并取得了可喜的成果。
近年来由于电子技术的飞速发展，传感器、单片机技术的应用，使得原来非常复杂的超声波物位测量仪的设计有了大幅简化的可能，非接触式检测技术被广泛应用，目前有超声波测距，CCD探测，雷达测距等。
各行各业对于各种技术参数的测定的各方面的要求也变得越来越高。
无论是从精确程度，还是测量效率都变得要求很苛刻。
所以各种快速测量，精确程度高，测量方便的仪器也变得越来越被业界所渴求。
距离的测量便成为各项技术参数最基本的参数之一，CCD探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销［1］，而雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点［2］，但容易受电磁波干扰。
激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂［3］。
声纳主要是满足水中武器实施全隐蔽需要，解决海水中目标识别问题。
而在其他一些工程领域声纳测距便显得不适用了。
超声波测距因其简便性，测量准确度高，操作方便成为测距仪中的翘楚。
而且超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。
超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。
超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。
在这一个测距技术十分有限的时候，但又处在其技术及产业邻域正蓬勃发展而又有无限前景的今天，超声波测距仪便作为一种新型的非常重要有用的工具在各个产业领域都将有很大的发展空间。
它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
所以超声波测距在现实应用中更具有实际的意义。
并且在测量精度要求不是特别精确的市场中有着广泛的需求。
2超声波的介绍及测距原理
2.1超声波的介绍
2.1.1超声波
声波是由物体机械振动而产生的。
物体每秒钟震动的次数，我们叫做频率。
频率决定了物体震动的快慢。
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。
超声波和可闻声波本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，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。
2.1.2超声波的特性
超声波有如下几个特性：
（1）超声波在传播时，波长短，方向性强，能量易于集中。
（2）超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。
（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效用及治疗。
（4）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
（5）超声波可传递很强的能量。
（6）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。
超声波其不足之处：
1要探测某个物体是否存在，超声波必须在该物体上得到反射。
由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以近乎100%反射，布、棉花、绒等可以吸收超声波，因此我们很难探测到它们。
同时由于不规则反射，通常很难探测到凹凸表面以及斜坡表面物体。
声波的传播速度会受到环境中温度的影响。
要精确测量某个物体，始终检查周围温度是十分必要的，所以本设计加入了温度补偿模块。
2超声波在传播过程中随着距离的增加其强度会成比例衰减。
这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失[4]。
其声压和声强的衰减规律为
式中：
、
－距离声源x处的声压和声强：
x－声波与声源间的距离
－衰减系数，单位为Np/cm
如图一所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。
超声波传感器的震荡频率为40KHz，传播10米超声波信号强度便衰减到40个声压级。
此时超声波接收探头就很难接收到回波信号。
因此，从理论上分析，本设计超声波测距部分的实际范围是10cm—500cm，理想的避障范围是10cm—100cm,所以用它测量五米左右的物体还是比较理想的。
图一超声波衰减图
3根据超声波传感器的某些电气特性如：
声压、灵敏度、辐射特性等参数，在选择超声波传感器工作在40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度，这为设计中选择合适的超声波传感器指明了方向。
2.1.3超声波的应用
超声波我们利用其特性在很多领域都有应用在医学农业工业军事上都应用广泛。
可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
医疗行业：
医疗器械的清洗、消毒、杀菌、实验器皿的清洗等。
半导体行业：
半导体晶片的高清洁度清洗。
光学行业：
光学器件的除油、除汗、清灰等。
石油化工行业：
金属滤网的清洗疏通、化工容器、交换器的清洗等。
电子行业：
电子行业是超声波清洗应用最早，最为普及的行业。
工业：
焊接、清洗、测距、自动化控制。
美容业：
软坚去脂治暗疮、消除暗疮愈后瘢痕（结节）、清除皮肤异常色素、分化色素除皮下斑、减轻眼袋和消除黑眼圈[5]。
所以超声波的应用极其广泛，对超声波的研究具有重大意义。
2.2超声波测距原理以及误差分析
2.2.1超声波测距原理
超声波测距原理，通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。
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大约为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=340t/2）测距的公式表示为：
s=c＊t
但是目前国内的超声波测距集成电路都是只有厘米级的测量精度。
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，因为空气中温度对声速都有影响所以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
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，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
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。
在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
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，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
2.2.2超声波测距仪的误差分析
根据超声波测距的公式s=c＊t，可知超生波测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
而超声波的波速受环境温度的影响最大，不同环境温度超声波的波速会相差很多，见表一。
如果采用某一特定波速的话那么在测量的时候误差就会很大。
例如0摄氏度和20摄氏度的声速就相差12m/s。
如果采用20摄氏度的声速为测量参数，那么在0摄氏度的环境中测量每五米误差就有2cm。
这样的误差程度就很大了远远不能达到测量要求。
所以在系统中引入温度补偿来提高测量精度。
表一声速与温度关系表（表头放上面）
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
332
338
344
349
386
3超声波测距系统硬件设计
3.1超声波测距系统的结构设计
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
模块划分为超声波、按键控制、显示、报警、DS18B20温度补偿等子模块。
就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。
显示电路采用了1602液晶显示电路能同时显示距离温度，超声波收发模块采用HC-SR04超声波收发模块，采取此成品模块省去了制作成品体积，以及简化了编程，在精度方面也有很大提高。
并用DS18B20作为温度采集，进行温度补偿，提高测距仪的精度，改变了由于温度的变化而影响声波速度的变化，导致测距不准确。
单片机应用系统也是有硬件和软件组成。
硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。
设计方框图如图二所示。
电源
超声波收发模块
液晶显示
单片机
超声波发射
温度测量
超声波接收
蜂鸣器报警
图二系统框图
3.2超声波测距系统的主控芯片STC89C52
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
器件参数：
1.8052单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.
2.工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口（32个），复位后为：
P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.具有EEPROM功能
9.共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
10.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
11.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
12.工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图三图四所示：
图三时钟电路图四复位电路
3.3超声波收发模块
超声波收发模块采用HC-SR04模块如图五，此模块由如下特点。
１、本模块性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。
产品应用领域:
机器人避障 物体测距 液位检测 公共安防 停车场检测 。
主要技术参数：
图五HC-SR04实物图
1：
使用电压：
DC---5V
2：
静态电流：
小于2mA
3：
电平输出：
高5V
4：
电平输出：
底0V
5：
感应角度：
不大于15度
6：
探测距离：
2cm-450cm
7:
高精度可达0.2cm
接线方式：
VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、GND
基本工作原理：
（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2; 本模块使用方法简单,一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,即可以达到你移动测量的值
3.4温度补偿电路
本设计采用DS18B20温度传感器作为温度补偿电路的测温元件。
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的1—WIRE数字温度传感器，它可实现数字化输出和测试，并且有控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、微功耗等特点。
DS18B20的主要特性：
适应电压范围更宽，电压范围3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。
在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给单片机。
负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
用DS18B20传感器进行测量，P2.4接DS18B20数据总线，控制DS18B20进行温度转换和传输数据,同时数据总线上还接10k的上拉电阻。
本系统对DS18B20采用外部供电，其优点在于I/O线不需要强上拉，而且总线控制器无需在温度转换期间一直保持高电平。
这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据传输，硬件结构如图六所示
图六温度传感器接口电路图
3.5显示电路
本模块采用LCD1602，字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），16脚接口的管脚发布如下：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VDD接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
图七显示单元电路图
3.6声音报警电路
如图八所示，用一个蜂鸣器和三极管、电阻接到单片机的P13引脚上，构成
声音报警电路。
图八声音报警电路图
3.7超声波测距系统总括
首先系统上电复位，系统初始化然后单片机向超声波收发模块TRIG口送10us的高电平，超声波收发模块发出8个频率为40kHz的方波，超声波收发模块自动检测是否有信号返回，如果有信号返回则超声波收发模块ECHO口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，然后单片机处理运算，与设定的报警距离值进行比较判断，当测得距离小于设定值时，STC89C52发出指令控制蜂鸣器报警，单片机处理运算同时将从DS18B20读取数据送单片机进行温度补偿运算，单片机根据公式计算距离并送显示。
4软件设计
C语言程序有利于实现比较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率而且容易计算程序的运行时间，但是针对于超声波测距系统，它既有比较复杂的计算，又要有精细的运算时间，但程序运行时间对于超声波测距的精确影响不大所以本系统采用C语言作为系统的程序语言。
软件采用了模块化的程序设计方法，主要有主程序，超声波控制子程序，显示子程序，温度测量子程序，蜂鸣器控制子程序，按键控制子程序。
4.1程序流程图
图九系统程序流程图
[1]徐杰，陈一民，史志龙.双目视觉变焦测距技术［J］.上海大学学报（自然科学版），2009，15
（2）169-174.
［2］邹祥林，周洪，叶鹏.港口起重机雷达防撞系统的信号处理电路的设计［J］.传感器与微系统，2007，26（12）.
［3］房庆海，赵永丽.卫星激光测距数据处理算法的研究进展［J］.激光技术，2008，32（4）
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