基于单片机的超声波测距智能控制系统设计.docx

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摘要

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。

超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。

正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。

随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。

硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和温度补偿电路，另外还有复位电路和通讯电路等。

硬件电路以AT89S52单片机为核心，并具有低成本、微型化、带LCD液晶显示等特点。

整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、温度测量、显示、语音播报等模块组成。

发射探头的信号发射出去，单片机的计时器开始计时，然后当单片机接收回波时,计数器停止工作并得到时间。

温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正,结合两者实现超声波测距的功能。

软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，实现数据显示在LCD上。

关键词：

AT89S52；超声波传感器；测距仪；温度补偿；LCD

Abstract

Soundfrequenciesabove20kHziscalledUltrasound,itbelongstothescopeofmechanicalwave.Ultrasoundcanalsofollowthegeneralmechanicalwavepropagationinanelasticmedium,asinthemediumoccursattheinterfacereflectionandrefraction,absorptionofthemediumintothemediumoccurredafterattenuation.Ultrasoundcanbeusedfordistancemeasurementwiththeseproperties.Withthecontinuousimprovementoftechnologicallevel,ultrasonicdistancemeasurementtechniquesarewidelyusedindailyworkandlife.

Systemdesignincludestwoparts,namely,hardwareandsoftwareprograms.Hardwarecircuitincludesamicrocontrollercircuit,transmittercircuit,receivercircuit,displaycircuitandtemperaturecompensationcircuit,inadditiontoresetcircuitandcommunicationcircuit.AT89S52microcontrolleristhecoreofhardwarewhichislowcost,miniaturization,withLCDliquidcrystaldisplayandsoon.Themodulardesignofthelivelongcircuitcontainsthesignaltransmissionandreception,temperaturemeasurement,display,voicebroadcastandothermodules.Themicrocontrollertimerstartstimewhentheprobelaunchultrasound,aftertheoriginalultrasoundwasreflected,ultrasoundwillbeinceptedbytheprobe,thenmicrocontrollerstopworkingandgettime.Aftersendingthetemperature'measurementtothemicrocontroller,processofcorrectionwillrevisethespeed.Itcanachievethefunctionofultrasonicrangingbycombiningtheanteriortimeandspeed.Mainsoftwareprogramincludepresetsubroutine,subroutineslaunch,receiveroutine,displayroutinesandothermodules.Itcontrolsthemicrocontrollertosendandreceivedata,velocitycorrectionontheultrasonicatacertaintemperature,datadisplayingontheLCD.

KeyWords：

AT89S52；Ultrasonicwave；Ensor,RangeFinder；Tempearturecompensation；LCD

目录

摘要 I

Abstract II

第1章概述 1

1.1选题背景及意义 3

1.2现阶段本课题相关研究现状 4

1.3本设计完成的工作 4

1.4本文结构安排 3

第2章总体方案设计 3

2.1主控制器模块选择 3

2.2电源模块选择 3

2.3显示模块选择 3

2.4温度补偿模块选择 4

2.5报警模块选择 4

2.6本章小结 3

第3章系统硬件设计 3

3.1主控制模块设计 3

3.2单片机的时钟电路及复位电路设计 4

3.3超声波测距模块设计 4

3.4声音报警电路的设计 3

3.5显示模块设计 3

3.6温度补偿电路设计 3

第4章系统软件设计 5

4.1DS18B20初始化程序流程图 5

4.2超声波温度与速度的关系 6

第5章系统的安装与调试 9

结论 9

参考文献 11

附录 11

致谢 12

第1章概述

1.1选题背景及意义

在一般的建筑工地中，施工工人需要每天测量数以千计数以万计的建筑尺寸，而由于自己的疏忽大意即使一个数据测量过程出现问题导致测量数据失准，那导致的后果也是不能想象的。

建筑工地精确测距智能报警系统就是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的系统。

目前它已经广泛地应用在了工业、通信、医疗等许多行业中。

其在建筑工地应用的背景也很广阔，就是在一些在建设施内如建筑工地毛坯房、装潢施工区域等，将其对准要测量的墙体立刻就能在液晶屏上读出读数，这个读数就是要测量的墙体到本设计的水平距离。

但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了建筑工地精确测距智能报警系统在测量精度要求更高的场合下的应用。

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。

而由于超声波能以各式各样的传播模式（纵波、横波、表面波、薄板波）在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播，也可在光不能通过的金属、生物体中传播，是探测物质内部的有效手段。

而且由于超声波与电磁波相比速度慢，对于相同的频率波长短，容易提高测量的分辨率。

由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大，所以，反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态。

建筑工地精确测距智能报警系统的基本原理是利用某种待测的非声量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液位、厚度、缺陷等）之间存在着的直接或间接的关系，在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。

正是在这种工作原理下，我们可以充分地利用超声波的各种特性来研制超声波传感器，配合不同的信号处理与显示电路完成许多待测量的检测工作。

然而正因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。

但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了建筑工地精确测距智能报警系统在测量精度要求更高的场合下的应用。

所以需要进行系统的硬件和软件设计，分析了影响建筑工地精确测距智能报警系统精确度的多种因素，来有效提高建筑工地精确测距智能报警系统的精度。

1.2现阶段本课题相关研究现状

F.GALton在1876年进行了气哨实验，代表着人类第一次产生的高频声波。

而我国于1956年开始超声的大规模研究。

迄今，我国对超声已经广泛地在的各个领域得到发展和应用，特别要提出的是，其中一些项目能够与国际水平相接近。

超声波测距与定位技术是关于声学以及仪器科学的综合性大学科，由超声波换能器、超声波发射和接收电路、控制电路等组成了利用超声波来测量距离值的精确测距智能报警系统。

目前在各个领域中都得到了使用，并取得了很好的成果。

R.Kuc.[1]提出了三维的仿生声纳系统，系统可以利用超声波自动地寻找被测目标物体。

在它内部共有五个超声传感器来构成这个系统最主要的感知装置。

发射超声波的换能器安装在十字架交叉点，有四个换能器用来接收超声波，并分别安装在十字架的边缘位置上。

这样，被测目标的距离与方位能够依据空间几何关系算出。

R.X.Gao和C.Li研制了专门为盲人服务的超声测距系统，该系统利用微处理器的作为主控制芯片，回波包络采用特殊的发射波形来获得，设置一定的回波阈值，电平采用自动增益的控制放大器放大回波波形，这些措施有效地提高超声波的探测精度。

G.Bucci和C.Landi提出了一种对于输入超声波信号的功率谱算法，该算法利用了信号进行傅里叶变换后功率谱密度中所包含的信号特征来确定回波的前沿，更加精确地确定渡越时间。

R.Demirli，J.saniie的文章是利用峰值出现的时刻来估算出信号的传播时间，从而提出相关估计法，这个方法又叫做通过匹配的方式来得到结果，在这里主要用到了返回波信号的幅值与形状。

如果在这个过程中，波形没有畸变，且高斯白噪声叠加在返回波上，则此方法的精确度均高于阈值检测法。

F.Devand，G.Hayward和J.Soraghan受蝙蝠在夜空中捕食启发，提出了一种具有独特优点的自适应超声成像聚焦系统，对超声成像中图象畸变的消除有重要价值，通过使用重叠的频率调制信号提高了超声图像的分辨率，而且使用了不同频率的超声波。

基本理论基础是使用时间和频率信息并且通过改进的算法来解决频域中的合成干涉图，因此该超声成像系统在三维空间内有提高分辨率的特点。

国内一些学者也作了相关研究。

同济大学设计了基于伪随机码的时延两步相关估计法。

该方法采用PRBS（伪随机二进制信号序列）作为发送信号，通过求互相关函数确定传播时间，由此达到非常高的抗干扰能力。

引入PRBS还节约了用于计算互相关函数通常所必需的乘法。

此外还设想并实现了一个两步相关法以减少处理时间。

借助于数学分析