基于单片机的超声波测距模块设计.docx

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基于单片机的超声波测距模块设计

基于单片机的超声波测距模块设计

————————————————————————————————作者：

————————————————————————————————日期：

西南科技大学

毕业设计（论文）

题目名称：

基于51单片机的超声波测距模块设计

年级：

2003级■本科□专科

学生学号：

20035095

学生姓名：

时余春指导教师：

何宏森胡天链

学生单位：

信息工程学院技术职称：

讲师

学生专业：

生物医学工程教师单位：

信息工程学院

西南科技大学教务处制

基于51单片机的超声波测距模块设计

摘要：

本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声波测距模块。

该模块以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。

论文概述了超声检测的发展及基本原理，介绍超声波传感器的原理及特性。

对于测距系统的一些主要参数进行了讨论。

并且在介绍超声测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。

针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。

进一步介绍了单片机AT89C51在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。

最后利用测距系统进行验证。

实验表明，各主要波形及技术指标均达到设计要求。

该系统对室内有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分析了误差产生的原因及如何对系统进行完善。

关键词：

51单片机;超声波;测距

DesignofUltrasonicDistanceMeasurementBasedonAT89C51MCU

Abstract:

Thethesisintroducesakindofsingle—pulse-refectionultrasonicdistancemetersystemmoduleindetailbasedonMicrocontroller。

Thesystemcouldmeasurecertaindistancewiththereflectedwaveonconditioninwhichthespeedoftransmittingwaveisfixed。

Thispapersummarizesthedevelopmentandfoundationalprincipleofultrasonicdetections.Thenitpresentsthetheoryandcharactersofultrasonicsensor。

Atthesametime，itdiscussesanumberofmaintechnicalparameters。

Moreover,itproposesthewholestructureofthesystembyintroducingthefunctionofultrasonicdistancemeter.Andthenthetransmissionreceiver，detection，displayschemeofthisdistancemetersystemisdemonstrated.Specially,aftertheapplicationofAT89C51microcontroller，itanalyzesthehardwareandsoftwarerealizationofeachpartinthissystem.Atlasttheresultanderroranalysisoftheexperimentsispresented.Itisprovedbyexperimentsthatthedesignofthesystemisprovidedwithhighaccuracyandreliability.Intheend,thefurthermeasuresofmodificationarepresented。

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Keywords:

AT89C51MCU，ultrasonic,distancemeasurer

第1章绪论

1。

1课题背景

本设计依托电子技术、嵌入式处理计算技术、机器人技术、传感器技术，并根据当前科学技术发展潮流，引出对用于机器人中的超声波传感器测距模块的研究与设计.

1.1。

1机器人感知系统研究现况

近年来，机器人的研究与发展倍受世人关注。

机器人系统广泛融合了机器人学、机电一体化、通讯与计算机技术、图像处理、传感器数据融合、决策与对策、模糊神经网络与智能控制等诸多学科内容,是研究多智能系统理论的良好实验平台。

从某种程度上说,机器人技术是反映国家高科技综合实力的一场“技术战争”。

在简单的自主行走机器人系统中，机器人要实现在未知和不确定环境下行走，必需实时采集环境信息，以实现避障和导航。

这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成.视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到应用。

其中超声波传感器以其信息处理简单、速度快、性价比高和硬件实现方便等优势，被广泛地应用到行走机器人感知系统中[1］.

1。

1.2传感器技术概况

人类为了从外界环境中获取有用信息，必须借助于自身的感觉器官。

但是,人的感觉器官并不是万能的.与其它动物一样，为了把生命维持下去，人类只是有选择地捕捉一些重要信息。

为了进一步研究自然现象、制造劳动工具，改善生存环境，只靠这些感觉器官就显得很不够用了。

于是，作为一种替代和延伸工具，采用了能代替或者补充感觉器官功能的各种传感器,传感器是人类五官的延长，所以也被称作“电五官”.

现代计算机的产生和发展，给人类文明带来了巨大的影响。

特别是大规模和超大规模集成电路出现之后,计算机的核心部件有了惊人的发展，同时也要求外部设备与之相配合。

计算机输入的外部硬件主要就是传感器，传感器的发展将使计算机的功能得到充分的利用，同时也将促进计算机的进一步发展，传感器发展不足会极大地限制计算机功能的发挥，就如同一个人具有发达的大脑而欠灵活的五官一样。

有人说，计算机与传感器的协调发展，才能决定技术的将来，这句话是有一定道理的［2］。

1。

2课题目的及意义

学习使用单片机的控制功能和用超声波传感器实现测量距离,并且掌握使用Protel99进行电路设计和制图的方法步骤，能将设计出的电路原理图下载到PCB板进行仿真。

理解超声波传感器的超声波发生机制及发射、接受，放大装置和以单片机AT89C51为中心控制单元，实现超声波发射及其遇到障碍物发生反射形成回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间,计算出发射点距障碍物的距离，以完成设计目标，熟悉51单片机软件编程及调试环境KeilC51软件。

通过对本课题的研究学习，还将会有以下作用：

1、理解超声波技术、机器人技术的一些基本规律和必要的基本概念。

2、了解超声技术与其他学科的关系与应用,扩大知识面。

3、了解当前科技发展前沿方向，做到个人在时代发展中良好测距.

4、培养抽象思维能力，分析问题和解决问题的能力.

5、掌握做人处事的方法技巧,成为真正的应用性、综合性人才。

1。

3课题设计研究范围及成果

本课题研究的超声波传感器模块测距技术是一种非接触式的测量物体间距离的方法,它是基于无目视能力的生物（如蝙蝠等）防御及捕捉猎物生存的原理,利用超声波在空气等媒质中传播，通过遇到障碍物反射回来的时间间隔长短及被反射超声波的强弱判断障碍物性质和位置的方法，它在现在机器人中有着举足轻重的作用.本课题完成设计了一种以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、小型化数字显示超声波传感器测距模块，其硬件电路和软件程序设计思路清晰,方案简单可行。

第2章超声波传感器模块测距方案分析

2.1超声波与超声波的应用

声学作为物理学的一个分支，它是研究声波的发生、传播、接收、效应的一门科学，声学全部频率为10

Hz～10

Hz，通常把频率为2×10

Hz～10

Hz的声波称为超声波.表2-1是各种频段的声波及其特点。

人们习惯上常以工程应用为目的，而不是以听觉为目的，把某些可听声的应用亦列入超声技术的研究范围。

因此,在实际应用中,有些超声技术使用的频率可能在16kHz以下，而超声波频率的上限是10

Hz，整个频率范围相当宽，占据声学全部频率范围的1/2以上。

表2-1声波的种类及特点

声波种类

频率/赫兹

特点

次声波

<20

人耳听不到船舶衰减很小,传播距离很远

可闻波

20—2

人耳可以听到

超声波

2

—1

传播频率较高，传播方向性较强,介质振动强度大，在流体中传播可产生空化现象

特声波

1

—1

传播衰减很大波长短，频率大致与微波相对应

1893年Golton发现了超声哨子，此时建立了超声波领域.超声波具有如下特性:

1、超声波的频率很高，传播的方向性较强；

2、超声波传播过程中，介质质点振动的加速度非常大；

3、在液体介质中，当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象；

超声波的作用机制[3]-［5］,目前人们认为超声波有4个基本作用：

①线性的交变振动作用,就是说超声波在媒质中传播时，必然使媒质粒子作交变振动，并引起媒质中的应力或声压的周期性变化，从而引起一系列次级效应；②大振幅振动在媒质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波,在波面处造成很大的压强梯度，因而能产生局部高温高压等一系列特殊效应；③振动的非线性会引起相互靠近的柏努利力和由黏度的周期性变化而引起的直流平均黏滞力,这些直流力可以说明一些定向作用、凝聚作用等力学效应;④空化作用，这是只能在流体媒质中出现的一种重要的基本作用。

在声场中，液体中的气泡可能逐步生成和扩大,然后突然破灭,在这急速的气泡崩溃过程中，气泡内出现高压高温,气泡附近的流体中也形成局部强烈的激波。

因此就可以产生一系列次级效应,如化学效应、声致发光、分散作用和乳化作用等。

在流体中进行的超声处理技术,几乎大多数都与空化作用有关。

这些作用导致5种效应见表2—2.

表2-2超声波的五种效应

效应

作用

力学效应

搅拌作用,分散作用，去气作用，成雾作用，凝聚作用，定向作用，冲击破碎作用，疲劳破坏作用等

热学效应

吸收引起的整体加热，边界面处的局部加热，形成激波时波前处的局部加热等

光学效应

引起光衍射、折射、双折射、声致发光等

电学效应

在亚电、压磁材料中产生电场和磁场，引起电子逸出和电化学效应等

化学效应

促进化学反应,促进氧化还原，促进高分子物质的聚合或解聚，引起照相底片的感光，引起生化学发光等

总之超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一.但在1940年以前,只有单晶压电材料，这种超声波技术存在许多缺点,使得超声波未能得到广泛应用。

20世纪40年代，人们发现了压电多晶材料——钛酸钡压电陶瓷。

50年代，美国贾菲等发现了PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统.70年代，人们又研制出PLZT透明压电陶瓷。

压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。

80年代中期，由于功率超声波设备的普及与应用,超声波的研究应用才迅速展开.目前超声波已广泛应用于化学、医学、食品工业、工业焊接、废水处理、机器人学和材料的改性等方面［6]。

2.2超声波传感器

本设计用超声波作为检测距离的手段，必须要