基于单片机的超声波测距仪的设计本科论文.docx
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基于单片机的超声波测距仪的设计本科论文
2014届
本科毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
基于单片机的超声波测距仪的设计
专题题目：
姓名：
XXX学号：
XXXXXXXXXXXXX
专业班级：
电信B102班院部：
电子信息工程学院
指导教师：
XXX
2015年6月3日
设计总说明
Introduction
1.绪论1
2.超声波测距原理论述2
2.1超声波介绍2
2.2超声波测距系统概述4
2.2超声波测距基本原理5
3.STC89C52RC单片机介绍7
3.1STC89C52RC单片机的主要特性7
3.2STC89C52RC单片机的工作模式7
3.3STC89C52RC单片机的引脚功能说明8
3.4STC89C52RC单片机中的特殊功能寄存器10
3.5定时器2的三种用途13
3.6看门狗的应用17
4.硬件电路的设计与制作20
4.1超声波测距仪整体方案设计20
4.2超声波电路设计20
4.2.1超声波发射电路设计20
4.2.2超声波接收电路设计21
4.3下载模块电路设计23
4.4单片机模块电路的设计24
4.4.1单片机的时钟电路24
4.4.1单片机的复位电路25
4.5显示电路的设计27
4.5.1数码管的选择27
4.5.2驱动电路28
4.6报警电路29
4.7按键输入模块29
5.软件设计30
5.1程序主要框图及介绍30
5.2算法设计33
6.整机调试34
6.1软件介绍34
6.1.1AltiunDesigner软件介绍34
6.1.2单片机开发环境介绍35
6.2原理图设计35
6.3实物的焊接及调试36
6.3.1实物的焊接36
6.3.2超声波的调试37
7.总结与展望38
参考文献39
附录A源程序代码40
附录B原理图及实物图51
附录C元器件清单53
致谢54
基于单片机的超声波测距仪的设计
设计总说明
声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。
在科学史上，声学是发展最早的学科之一。
然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。
根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。
当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。
频率高于人类听觉上限频率（约20000Hz）的声波，称为超声波，或称超声。
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。
而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。
超声波测距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方法。
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环绕、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，不受环境限制，应用个方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和饶障功能。
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，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使用的要求，因此得到了广泛的应用。
随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。
目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声波测距四种。
与其他测距方法相比较，超生测距具有以下优点：
1、超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体（如：
玻璃、抛光体）。
2、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。
3、超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单
可靠、易于小型化和集成化。
近些年来，随着超声技术的不断深入，再加上其具有高精度、无损、非接触等优点，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有一定的优异特性，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，所以超声的应用变得越来越普及。
因此，超声波作为一种测距识别手段已越来越引起人们的重视。
本论文设计基于单片机的超声波测距仪，主要做了以下研究工作：
1、分析超声波测距的原理，进行超声波测距系统的整体研究与设计；
2、对超声波发生电路进行论证和设计，用于产生测量的超声波；
3、对超声波接收电路进行论证和设计，用于接收反射回来的超声波；
4、对单片机系统及显示电路的设计；
5、对软件的设计；
6、对整机电路的安装与调试；
硬件电路部分，我采用STC公司生产的STC89C52芯片作为主控芯片，内部集成8KROM，512ByteRAM，2个定时器，2个外部中断源，1个串行口，这些资源完全足够满足该超声波测距仪系统的要求。
设计中通过其片上定时器、中断源对超声波发射到接收到超声波进行时间上的计算来达到测量距离的目的。
软件调试部分，先写些简单的小程序测试电路板上每个元器件的工作状态，以确保都能正常工作。
接着对各个模块的测试，包括超声波模块的测试、MAX232模块的测试、数码管的初始化等。
通过定时器计算的时间乘以超声波传播的速度从而达到测距的目的，将得到的数值通过数码管显示。
关键词：
超声波测距；STC89C52；数码管
Thedesignoftheultrasonicrangefinderbasedonsinglechip
Introduction
Soundisconnectedwiththehumanlifeisanaturalphenomenon,peoplehavelongknowntosounds,inPeople'sDailylifethereareallkindsofsound.Inthehistoryofscience,acousticsisoneoftheearliestdisciplinesdevelopment.However,duetotheultrasonicsignalistothehumanearcan'thear,untilthe18thcentury,peoplestartedtoresearchtheanimalssuchasdolphinsandbats,speculatedthatnatureexistsultrasound.Soundisakindofcanbespreadingas,liquidandsolidmechanicalwave.Accordingtotheacousticfrequencyrange,canbedividedintosound,soundwaves,ultrasoundandultrasound.Asthefrequencyofthesoundhightoexceedsthefrequencylimitofthehumanear,peoplewilldetectthepresenceofdon'tmakeanynoise,wecallthiskindofhighfrequencysoundultrasonic.Frequencyishigherthantheupperlimitofhumanhearingfrequency（20000hz）ofsoundwaves,calledultrasound,orultrasound.Thatiscommonlyusedinultrasonictestingworkfrequencyintherangeof0.25to20MHZ.
Distanceisindifferentoccasionsandcontrolneedtodetectaparameter,ranginginthedatacollectiontosolveaproblem.Duetothespeedofultrasonicwavemuchsmallerrelativetothespeedoflight,itspropagationtimeiseasytodetect,andeasytodirectionaltransmission,gooddirectivity,intensitycontrol,thushumanskillsusingultrasonicrangingusingsimulation.Ultrasonicdistancemeasurementisakindofusingultrasoniccharacteristics,electronictechnology,photoelectricswitchtoachievethecombinationofnon-contactdistancemeasurementmethod.
Asrobotstechnologyinjustafewyearsafterthebirthofitsrapiddevelopment,itsapplicationrangeisgraduallyfromindustrialproductiontopeople'slife.Suchabroadrangeofapplicationsmakeimprovepeople'sunderstandingoftherobotisparticularlyimportant.Robotthroughitsperceptionsystemtodetectobstaclesaheadcircleandthesurroundingenvironmenttoimplement,automaticline,range,etc.Ultrasonicrangingtechnologycomparedtolowcost,highmeasurementprecision,isnotrestrictedbyenvironment,convenientapplication,combineitwithinfrared,graylevelsensorandothercommonrobotlineandraobarrierfunction.Ultrasonicduetostrongdirectivity,energyconsumptionslow,inthemediumtransmissiondistanceisfarther,sooftenusedfordistancemeasurement.Itismainlyusedforreversingradar,rangefinder,levelmeter,thedevelopmentofthemobilerobot,theconstructionsite,andsomeindustrialfield,suchas:
distance,liquidlevel,welldepth,pipelength,velocity,etc.Usingtheultrasonicdetectiontendtobemorerapid,convenient,andthecalculationissimpleandeasytodoreal-timecontrol,themeasurementprecisioncanmeettherequirementsofindustrialuse,thereforehasbeenwidelyused.
Alongwiththecomputertechnology,automationtechnologyandthecontinuousdevelopmentofindustrialrobotsandiswidelyused,distancemeasurementproblemismoreandmoreimportant.Atpresentcommonlyusedwayofrangingradarranging,infrareddistance,laserranging,andfourkindsofultrasonicranging.Comparedwithothermethodsofdistancemeasurement,superlivingrangehasthefollowingadvantages:
1.theultrasonicisnotsensitivetolightandcolour,canbeusedtoidentifypoortransparencyanddiffuseobject（suchas:
glass,polishing）.
2.theultrasoundontheoutsidelightandisnotsensitivetoelectromagneticfieldscanbeusedtothedarkness,dustorsmoke,electromagneticInterferenceisstrong,toxicandotherharshenvironments.
3.heultrasonicsensorofsimplestructure,smallsize,lowcost,smalltechnicaldifficulty,theinformationprocessingsimpleReliable,easyminiaturizationandintegration.
Inrecentyears,withthedeepeningoftheultrasonictechnology,plusithastheadvantagesofhighresolution,nondestructive,non-contact,andlasercompared,eddycurrent,andradiorangingmethod,hassomeexcellentcharacteristics,inarelativelyharshenvironmentalsohasacertainabilitytoadapt,sotheapplicationofultrasonicisbecomingmoreandmorepopular.
Therefore,ultrasound,asakindofdistancerecognitionmethodhascausedmoreandmorepeople'sattention.
Thispaperdesignsultrasonicrangefinderbasedonsinglechip,mainlydonethefollowingresearchwork:
1.analyzetheprincipleofultrasonicranging,ultrasonicrangingsystemforthewholeresearchanddesign;
2.argumentationanddesigncircuitforultrasonichappened,usedtoproducethemeasuredultrasonic;
3.thedemonstrationanddesignofultrasonicreceivingcircuit,usedtoreceivethereflectedultrasonicwave;
4.thesingle-chipsystemanddisplaycircuitdesign;
5.thedesignofsoftware;
6.forthemachineinstallationanddebuggingofthecircuit;
Hardwarecircuitpart,IholdtheSTCcompanyproducestheSTC89C52asmaincontrolchip,chipinternalintegrationkrom8,256byteram,twotimers,twoexternalinterruptsource,aserialport,theseresourcesfullyadequatetomeettherequirementsoftheultrasonicrangefindersystem.Throughthedesignofon-chiptimer,interruptsourceofultrasonictransmittingtoreceivingtothetimeofultrasoniciscalculatedtoachievethegoalofmeasuringdistance.
Softwaredebuggingsession,writesomesimplesmallprogramtotesttheworkingstateofeachofthecomponentsonprintedcircuitboards,toensurethatallcanworknormally.Thenforeachmoduleofthetest,includingultrasonicmoduletesting,MAX232moduletesting,theinitializationofdigitaltube,etc.Timemultipliedbythespeedofultrasonicwavepropagationthroughthecalculationofthetimersoastoachievetheaimofdistance,willbeofvaluethroughdigitaltubedisplay.
Keywords:
Ultrasonicranging;STC89C52;Digitaltube
1.绪论
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。
但就目前技术水平来说，人们利用的测距技术还有待提高，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。
展望未来，超声波测距仪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，如声纳的发展趋势基本为：
研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。
无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。
随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
2.超声波测距原理论述
2.1超声波介绍
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。
超声波因其可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，可传递很强的能量，产生反射、干涉、叠加和共振现象。
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。
由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：
①机械效应。
超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。
当超声波流体介质中形成驻波时,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。
超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。
②空化作用。
超声波作用于液体时可产生大量小气泡。
一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。
另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。
空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。
因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。
破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。
与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。
在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。
③热效应。
由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。
④化学效应。
超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。
例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。
这些现象的发生总与空化作用相伴随。
超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。
超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。
各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。
超声应用、超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：
①超声检验。
超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。
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