基于单片机的超声波测距软件设计.docx

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基于单片机的超声波测距软件设计

安徽工业大学工商学院

毕业设计（论文）说明书

专业测控技术与仪器

班级仪1041

姓名张建

学号101844040

指导教师程竹明

二○一四年六月五日

摘要

超声波测距传感器因其性能好，价格低廉、使用方便，在现场机器人定位系统、车辆自动导航、车辆安全行驶辅助系统、城市交通管理和高速公路管理监测系统，以及料位的探测中都有应用。

由于超声波传播能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波还经常用于距离的测量。

本文设计了一种基于单片机控制的超声波测距系统，该系统由AT89C51控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。

系统硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。

论文在硬件设计的基础上分析了系统的总体方案，并根据功能要求详细设计了软件程序流程图，给出了相应的软件程序。

经过仿真表明此系统可用于需要测量距离参数的各种应用场合。

关键词：

AT89C51；超声波；测距

Abstract

Becauseoftheexcellentfunction,lowcostandconvenience,ultrasonicrangingsensorsareusedinfieldrobotspositioningsystem,automaticnavigationforvehicles,safetytrafficsupplementarysystemforvehicles,urbantrafficmanagement,monitoringandmanagementsystemforexpresswaysandmaterialprobe.Sincetheslowenergyexpenditureinpropagationandlongdistancetransmissioninmedia,ultrasonicisalwaysusedindistancemeasurement.

AnultrasonicrangingsystembasedonSCMisdesignedinthisthesis.Inthissystem,theAT89C51controltimerbeamstheultrasonicandtimestheroundtriptimefromtransmittingtoreceiving,thenactualdistancecanbegot.Thehardwarecircuitsofthissystemincludeultrasonicradiatingcircuit,ultrasonicreceivingcircuit,powercircuit,displaycircuitandsoon.Inthisthesis,theauthoranalyzestheoverallplanofthissystemonthebasisofhardwaredesign,detailedlydesignsthesoftwareprogrammingflowchartaccordingtothefunctionalrequirements,andpresentsthecorrespondingsoftwareprogram.Bysimulation,thissystemcanbeusedinmanysituationswheredistanceandparametermeasurementsarenecessary.

Keywords:

AT89C51;Ultrasonicwave;Measuredistance

1绪论

1.1课题研究的背景

随着我国汽车产业的高速发展，尤其近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量逐渐增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。

汽车驾驶员越来越担心安全的问题了，其中倒车就是一个典型。

而超声波倒车雷达系统就是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物的距离设计的。

该系统将微型计算机技术与超声波测距技术、CAN总线通讯技术、液晶显示技术等相结合，可在汽车倒车时对其后部障碍物实现二维定位检测，显示障碍物的大致方位、数目及距离，并通过蜂鸣器来实现障碍物与车尾的距离远近的报警提示。

在本论文设计中单独只介绍了超声波的测距。

测距的原理和方法有很多，根据其信息载体的不同可归纳为光学方法、无线电方法和超声波方法。

前两者在某些地方有局限性，相比之下，超声波方法具有突出的优点，首先，超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体）;其次，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;最后，超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

因此超声波作为非接触测量手段，己越来越引起人们的重视。

1.2课题的提出及研究意义

1.2.1课题的提出

在当今社会汽车在迅速的增加，停车难已经是一个不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍有不慎，就会车碰车。

虽然每辆车都有后车镜，但不可避免地会存在一个后视盲区，人们在倒车时无法看清楚车子后面的障碍物，对于那些开车技术不是很好的人很容易刮伤汽车或发生事故。

通过在车身前后安装超声测距传感器可以有效测量车身距障碍物间距离，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

1.2.2国内外发展状况

历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始。

声纳是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。

经过几个世纪，科学家们对此反复研究，最终发现了超声波的原理。

 超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。

超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。

这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触电接触不良造成的误测等。

此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。

因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。

 然而超声波测距在实际应用也有很多局限性。

由于超声波在传播过程中，声压会随距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪比低，用固定阀值的比较器检测回波，可能导致越过门槛的时间前后移动，从而影响计时的准确性，这必然会影响到测距的准确度。

另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，存在惯性、滞后等现象，以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，均导致回波信号被展宽，也使测量产生较大的误差，影响了测距的分辨率。

其他如温度，风速等也会对测量造成一定的影响。

 计量学在制造业中越来越重要。

直接在机器上测量尤其能推动制造业的发展。

目前为止大部分还是采用视觉的或触觉的测量方法。

但是墙的厚度就不能用这些来测量，因此德国人把超声系统结合到机器设计出了测距方法。

随着超声波的发展，早在2000年时英国人就设计出了可观察、识别并测距的超声波集成系统。

近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。

超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣，直接关系到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度，进而决定着超声波探测定位系统的精度和反应速度。

近年来，童峰、Yang Yichun、程晓亮等先后在该方面做了大量研究。

童峰等提出最小均方自适应时延估计（LMSTDE）的算法。

该算法消去了实际换能器与理想换能器的频率特性差，消除了信道由于斜向入射产生的传递特性对输出信号产生的影响，使整个系统保持平坦的频率响应，且输出均方误差最小。

但该算法计算量太大，特别在自适应滤波器的阶数较高时，计算量会明显增加。

Yang Yichun等针对传统相关计算法在信号的采样频率很低时计算得出的相关函数分辨率低这一不足，提出了基于修正的线性调频变换和相关峰细化原理的精确时延估计快速算法，精确计算相关函数的峰，使得低采样信号的时延估计精度得以提高，并且不受采样率的限制。

程晓畅等针对常规相关峰插值方法在多倍插值的情况下，计算复杂、时延估计精度差等缺陷,结合超声回波信号的窄带通特性和相关峰细化原理,提出了直接提取相关函数包络和包络峰细化的算法,并分析了计算复杂度；并且还针对超声波换能器的带宽特性和单脉冲回波特性，对M序列参数设计方法进行分析。

他们借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，提出了基于FFT的伪随机码包络相关快速时延估计的算法，将信号解调与匹配相关融合，减少了计算量。

这三种算法均属于互相关函数算法，与传统互相关函数算法相比，它们均在提高时延估计精度的同时，避免了计算量的大幅增加。

卜英勇等根据回波信号的传输特征，利用小波分析法对回波信号进行运算处理，提出了基于小波包络原理的峰值监测方法。

小波分析法是一种针对信号的时间-尺度（时间-频率）进行分析的方法，可以获得平滑、有效的回波包络曲线,进而利用峰值检测法确定回波前沿的到达时刻，具有高分辨率的优点。

 赵海鸣等提出通过双比较器整形结合软件确定回波前沿的测量方法，在一定程度上消除了由于回波信号强弱变化而造成的测量时间的误差，从而提高测量精度，使在空气中近距离测量的精度可达到厘米级。

付华等尝试利用Elman反馈神经网络逼近真实函数，以期望提高避障系统的测量精确度，降低避障系统的误判率。

Elman网络隐层采用了“tansig”激活函数，输出层选用了“pureline”激活函数，从而只要有足够的隐层神经元个数，网络就能够以任意精度逼近任意函数。

试验证明，该方法在对超声波测距传感器进行温度、湿度补偿后，其测量精度提高了两个数量级。

陈先中等基于能量重心校正法和最小二乘法的原理，提出了一种改进型椭圆中心超声回波寻峰的算法，即通过曲线拟合搜索回波信号能量集中点——椭圆中心点，进而找到回波信号的峰值点。

与包络线法和三次多项式法相比，此算法相对误差稳定在0.2%，适用于高精度工业测量。

目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。

随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。

如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。

机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。

超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。

超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。

它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：

距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。

利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。

本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。

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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。

超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

为了研究和利用超声波，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。

目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。

但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。

因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽。

近年来，如何合理选择超声发射脉冲，可以使超声波测距系统在提高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力，成为超声波测距技术的又一个重要研究方向。

针对此点，程晓畅借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，率先提出通过选用伪随机二进制序列作为超声发射的脉冲压缩信号，并在接收端对回波进行处理，从而获得窄脉冲的方法。

杜晓等 则兼顾测距范围和精度，提出通过采用40kHz与20kHz两种超声波同时测距的双频超声测距方法。

脉冲压缩技术与双频超声测距技术在超声测距中的应用，在一定程度上使超声波测距系统同时具备了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测能力，但仍旧不能满足高精度测量的要求。

经过多年的发展，超声波测距在倒车测距设计以及使用中发生了质的变化。

在这几年的发展中，倒车系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车这三种。

第一代：

倒车时通过喇叭提醒 。

只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。

第二代：

采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。

这是倒车雷达系统的真正开始。

倒车时，如果车后1.8m～1.5m处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。

蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。

但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。

第三代：

数码波段显示具体距离或者距离范围。

这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。

如果是物体，在1.8m开始显示；如果是人，在0.9m左右的距离开始显示。

这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3种颜色来区别：

绿色代表安全距离，表示障碍物距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有0.6m~0.8m；红色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到0.6m，必须停止倒车。

 第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。

第四代：

液晶屏动态显示。

这一代有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。

不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。

不过LED显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。

第五代：

魔幻镜倒车测距。

结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2m以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。

魔幻镜倒车可以把后视镜、倒车测距、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车系统。

因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。

而且颜色款式样可以按照个人需求和车内装饰选配。

第六代：

专为高档轿车配置的。

第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能：

外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看视频。

1.2.3课题的研究意义

超声波测距是一种极有潜力的方法，近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。

超声测量另一个突出优点是:

环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛。

更重要的是超声波检测降低了劳动强度，避免工人在恶劣工作环境下（高、低温，高、低压，强辐射，有毒气、液体环境等）受到伤害，还大大提高了测量精度，可靠性高;另外，超声波测距还可以应用到其他的功能系统中，例如在机器人避障系统、移动机器人避障的超声测距系统、智能机器人管家和简易智能电动车自动避障系统、车载系统、自动泊车系统、自动刹车系统和倒车雷达系统中，超声波测距也有其重要的应用。

目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。

而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。

以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。

尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。

所以，8051是双CPU的单片机。

位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。

1.3本文主要工作任务及内容

（1）主要工作任务

1．掌握超声波测距系统的基本原理以及系统结构组成；从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。

2．利用已学的单片机和C语言、汇编语言等知识，根据设计出的超声波测距系统硬件电路，进行相关的软件程序设计，实现系统具有超声波发生、回波检测及信息处理的功能，从而使系统具备对距离自动测量并显示相关信息的功能；

3.利用相关仿真软件进行系统的软件仿真并得到合理的仿真测试结果；

（2）主要工作内容

论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。

第2章先就超声波测距系统的基本原理进行介绍，再对超声波测距系统的功能进行分析，然后对本文系统整体设计方案进行了可行性的论证，并得出了系统结构框图。

阐述了单片机实现超声波测距的原理和硬件的各部分组成及整体结构的设计。

第3章介绍了超声波测距系统软件设计，给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释。

第4章程序编译及系统仿真也是本文的一个要点，所以特别分出一章来详细介绍了程序编译的环境和编译的步骤以及仿真的环境和部分仿真的效果图。

2超声波测距系统基本原理及其功能

2.1超声波测距系统基本原理

2.1.1超声波的特性及特点

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，目前腹部超声成象所用的频率范围在2∽5兆Hz之间，常用为3∽3.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20，000HZ之间）。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。

但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。

与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：

传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。

功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。

声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。

在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。

由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。

空化作用──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。

这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。

微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。

这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

频率高于2×10千赫兹的声波。

研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。

产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。

（1）超声波的特性

1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2）超声波可传递很强的能量。

3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

超声波是声波大家族中的一员。

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。

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20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。

（2）超声波的特点

1）超声波在传播时，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。

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构。

2.1.2超声波测距系统的基本原理

超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。

测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。

测量距离D为

（2.1）

式中c——超声波的传播速度；

——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。

由上式可风，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。

计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1µs,不会产生累积误差，使定时间达到1µs。

超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为

（2.2）

式中γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1