基于单片机的超声波测距的设计.docx
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基于单片机的超声波测距的设计
摘要
随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。
本设计对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用单片机以及超声波在介质的传播特性等知识，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。
为了保证超声波测距模块的可靠性和稳定性，其本身采取了相应的抗干扰措施。
该测距仪最大测量距离是400cm，最小测量距离是2cm，精确度是2cm。
这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强且实时性良好，经过系统扩展和升级，可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车及机器人等。
关键词：
超声波测距单片机LED显示
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,ultrasonicwillbeusedmorewidelyinscienceandtechnology.Thisdesigntheoreticallyanalyzedthepossibilityofultrasonicsensorsmeasuredistance,itusestheknowledgeofmicrocontrollerandultrasonicpropagationinthemedium,andadoptsDS18B20fortemperaturefeedback,thissystemisdesignedonthebasisoftheoverallprogram,anditsfunctionsfinallyachievedthroughvarioushardwareandsoftwaremodules.InordertoensurethereliabilityandstabilityoftheUltrasonicRangingmodule.Themethodofanti-interferencewasusedinthissystem.Themaximumandtheminimummeasuringdistanceofthissystemis80cmand4cm,anditsaccuracyis3cm.ThesystemhaveabilitiesofThehardwareandsoftwareofthissystemdesignedreasonable.ofanti-interferenceandgoodreal-time.Withtheexpansionandupgradesofthesystem,thedesigncanbewidelyusedinindustrialproduction,medicalexamination,dailylife,unmannedvehicles,automatedguidedvehicleattheautomaticfield,robots,andliquidlevelgagesetc.
Keywords：
ultrasonicrangingMCUtemperaturesensor
目录
摘要I
ABSTRACTII
前言IV
1绪论1
1.1选题背景及意义1
1.2超声波介绍及其应用领域1
2超声波测距系统3
2.1超声波测距的基本概述3
2.2超声波的波形3
2.3超声波的特性4
2.4超声波测距工作原理4
2.5超声波传感器原理与选型5
2.6本章小结5
3超声波测距系统的硬件设计6
3.1超声波测距系统基本框图6
3.2超声波测距的主控芯片7
3.3超声波探头电路的设计9
3.4显示电路的选择与设计10
3.5复位电路的设计11
3.6报警电路的设计12
3.7本章小结13
4系统软件设计14
4.1主程序设计14
4.2程序15
4.3本章小结20
5系统调试与误差分析21
5.1超声波测距电路调试21
5.2系统误差分析21
5.3本章小结21
结论22
参考文献23
致谢24
附录25
前言
随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。
本设计就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性来为我们服务。
由于超声波指向性强,因而常于距离的测量。
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v，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=vt/2。
这就是所谓的时间差测距法。
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,随着科学技术的快速发展，超声波将的应用将越来越广。
但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的超声波技术还十分有限，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。
超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用如汽车倒车雷达等，它们测距精度一般较低。
目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。
展望未来，超声波作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面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。
未来的超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展，死角问题也能得以解决。
1绪论
1.1选题背景及意义
随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。
超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。
本设计的超声波测距仪，可以对不同距离进行测试，并可以进行详尽的误差分析。
对本设计的研究与设计，还能进一步提高自身的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。
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,随着科学技术的快速发展，超声波将的应用将越来越广。
但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的超声波技术还十分有限，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。
超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用如汽车倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：
液位、井深和管道长度等场合等，目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。
展望未来，超声波作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面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。
未来的超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展，死角问题也能得以解决。
因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。
1.2超声波介绍及其应用领域
当物体振动时会发出声音。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。
人类耳朵能听到的声波频率为20～20K赫兹。
当声波的振动频率大于20K赫兹或小于20赫兹时，人们便听不见了。
因此，把频率高于20K赫兹的声波称为“超声波”。
通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。
超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。
可用于测距，测速，清洗，焊接和碎石等。
在医学，军事，工业以及农业上有明显的作用。
理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理，
超声波传感器模块在测量方面有着广泛、普遍的应用。
利用单片机控制超声波检测模块往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。
应用领域如下：
1机械行业：
防锈油脂的去除；量具刃具的清洗；机械零部件的除油除锈发动机、化油器及汽车零件的清洗，过滤器及滤网的疏通清洗等等。
2表面处理行业：
电镀前的除油除锈；离子镀前清洗；磷化处理；清除积炭，氧化皮，抛光膏，金属工件表面活化处理等等。
3医疗行业：
医疗器械的清洗，消毒，杀菌，实验器皿的清洗等等。
4仪器仪表行业：
精密零件的高清洁度清洗，装配前清洗等等。
5机电电子行业：
印刷线路板除松香，焊斑；高压触点，接线柱等机械电子零件的清洗等等。
6光学行业：
光学器件的除油、除汗和清灰等。
7半导体行业：
半导体晶片的高清洁度清洗。
8科教文化：
化学生物等实验器皿的清洗和除垢。
9钟表首饰：
清除油泥、灰尘、氧化层和抛光膏等。
10石油化工行业：
金属滤网的清洗疏通、化工容器和交换器的清洗等等。
11纺织印染行业：
清洗纺织锭子和喷丝板等。
12其它：
超声清洗：
清除污染物，疏通细小孔洞，如：
清洁印章，古董修复和汽车电喷头疏通等。
超声搅拌：
加快溶解，提高均匀度，加快物理化学反应，防止过腐蚀和加速油水乳化，如：
溶剂染料混合和超声磷化等。
超声凝聚：
加速沉淀，分离，如：
种子浮选和饮料除渣等。
超声杀菌：
杀灭细菌及有机污染物，如：
污水处理和除气等。
超声粉碎：
降低溶质颗粒度，如：
细胞粉碎和化学检测等。
超声封孔：
排除间隙气体，提高整体密度，如：
工件浸漆等。
2超声波测距系统
2.1超声波测距的基本概述
人耳能听到的声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。
超声波是在一种弹性介质中的机械振荡，它有两种形式：
横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。
在工业中应用主要采用纵向振荡。
超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度受很多因素的影响。
在空气中传播超声波，其频率较低、衰减较快。
超声波波长短，绕射现象小，其方向性好，而且穿透能力很强，且碰到杂质或分界面就会有显著的反射现象。
这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像等技术。
2.2超声波的波形
纵波是质点振动方向和超声波传播方向一致的波，在固体、液体和气体中传播如图1所示：
横波是质点的振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体中传播。
其传播方向如图2所示：
图1纵波图2横波
表面波是质点的振动方式介于纵波和横波之间沿着固体表面传播的波，其振幅大小随着传播深度的增加而迅速衰减。
表面波只能沿着固体表面传播，其质点运动轨迹为椭圆形，且椭圆的长轴垂直于传播方向，而短轴平行于传播方向。
传播方向如图3所示：
图3表面波
2.3超声波的特性
超声波在介质传播过程中，会发生衰减和散射。
由于受介质和杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减。
尤其是超声波测距仪，对所接受的声波强度都有一定要求，所以都要对各种衰减进行抑制。
超声波声束能集中在特定的方向上，具有良好的指向性。
超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播，其速度受介质温度、压力等因素的影响，但在相同外部环境下，超声波在同一介质中的传播速度是一常数。
这是超声仪表进行测距的基础。
超声波在异种介质的界面上会产生反射、叠加等现象。
利用超声波在异质界面上发生的反射特性，获得从界面反射回来的反射波，通过内部的电路处理从而达到探测距离的目的。
2.4超声波测距工作原理
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20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（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，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。
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v，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=vt/2
这就是所谓的时间差测距法。
采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境（如含粉尘）具有一定的适应能力。
因此，用途极度广泛。
例如:
测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:
仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。
由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。
经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。
限制该系统的最大可测距离存在四个因素：
超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收装置的灵敏度。
接收装置对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
2.5超声波传感器原理与选型
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。
小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25kHz及40-45kHz。
这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。
若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片（双晶振子）施加40kHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。
接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40kHz正弦电压。
因该高频电压幅值较小，还必须进行放大。
常用的超声波传感器有T/R-40-60，T/R-40-12，HC-SR04等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40kHZ）。
本设计选用HC-SR04超声波传感器。
2.6本章小结
本章主要介绍了超声波的特性以及工作原理，因为超声波在固体、液体和气体中的传播速度不同，其速度受介质温度、压力等因素的影响。
因此，我们在进行超声波测距的时候要加以注意，以免造成较大误差。
3超声波测距系统的硬件设计
3.1超声波测距系统基本框图
由单片机发出40kHz的方波信号进入超声波发射电路，超声波发射头发射的超声波在空气中传播一段时间后经前方被检测物体反射回来，由超声波接收头接收，超声波接收电路接收回波后发出一个下拉电平使单片机进入中断程序，在中断程序中，应用时差法计算所检测的距离，最后所有的数据都在LED显示电路上显示。
超声波测距系统基本框图如图4所示：
图4超声波测距系统基本框图
由单片机AT89S52编程产生10US以上的高电平，由P1.0口输出，就可以在接收口P3.2（Echo引脚）等待高电平输出。
一旦有高电平出处，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。
发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理，接收口P3.2口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。
单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。
该测距装置是由超声波模块、单片机、和LED显示电路组成。
传感器输入端与发射接收电路组成超声波测距模块，模块的输出输入端与单片机相连接，单片机的输出端与显示电路输入端相连接。
其时序图如图5所示。
图5时序图
超声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。
计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。
3.2超声波测距的主控芯片
本设计采用的AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89S52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
单片机AT89S52的特性如下：
AT89C系列单片机是Atmel公司生产的一款标准型单片机。
其中数字89是单片机AT89S52的特性，C表示CMOS工艺。
其管脚图如图6所示。
图6AT89S52单片机管脚图
AT89S52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.3超声波探头电路的设计
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm--4m的非接触式距离感测功能，包括超声波发射器、接收器和控制电路。
其基本工作原理为给予此超声波测距模块一触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出一回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。
超声波模块中有VCC电源端、GND接地端、TRIG触发控制信号输入端、和ECHO回响信号输出端四个引脚，当I/O口给TRIG端提供一个10uS以上的脉冲触发信号，模块内部就会发出8个40kHz周期电平并检测回波。
一旦检测到有回波信号则输出回响信号。
回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。
由此通过发射信号到收到的回响信号高电平的时间*声速（340M/S）/2。
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，就可以达到移动测量的值了。
探头模块如图7所示：
图7探头模块
3.4显示电路的选择与设计
对于数字显示电路，通常采用液晶显示或数码管显示。
对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性差，不适合远距离观看；对于具有驱动电路和单片机接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般多采用并行接口，对单片机的接口要求较高，占用资源多；另外，AT89S52单片机本身无专门的液晶驱动接口。
而数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、响应速度快、防潮防湿性能好、温度特性极性、价格便宜、易于购买等优点，而且有远距离视觉效果，很适合夜间或是远距离操作。
因此，本设计的显示电路采用7段数码管作为显示介质。
数码管显示可以分为静态显示和动态显示两种。
由于本设计需要采用八位数码管显示时间，如果静态显示则占用的口线多，硬件电路复杂。
所以采用动态显示。
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。
通常各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的公共阴极位选线由另外的I/O口线控制。
动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码，依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。
数码显示管分为共阳数码管和共阴数码管两种，共阴极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阴极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
本设计采用共阴极数码显示管做显示电路，数码管引脚图如图8所示：
图8数码管引脚图
由于采用的是共阴的数码显示管，所以只要数码管的a、b、c、d、e、f、g、h引脚为高电平，那么其对应的二极管就会发光，使数码显示管显示0～9的编码见表1。
表1共阴极数码显示管字型代码
字型
共阴极代码
字型
共阴极代码
0
3FH
5
6DH
1
06H
6
7DH
2
5BH
7
07H
3
4FH
8
7FH
4
66H
9
6FH
动态显示电路由显示块、字形码驱动模块、字位驱动模块三部分组成。
图中，8个数码管的8段段选线分别与外接上拉电阻的单片机P0口对应相连，而8个数码管的位控制端则和单片
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