基于51单片机超声波测距仪设计任务+开题+综述+设计.docx

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基于51单片机超声波测距仪设计任务+开题+综述+设计

任务书

电子信息工程

基于51单片机超声波测距仪设计

一、主要内容和基本要求

本课题主要设计一种基于单片机的超声测距系统。

该系统以超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。

课题主要内容包括硬件设计和软件设计。

硬件设计主要包括单片机系统，超声波发射电路、超声波检测接收电路、数码管显示电路等。

软件部分拟采用单片机C语音编程，便于维护和修改，主要是利用中断完成信号发射和接受中间所耗时间的计算，并进行相关的数据处理以得到准确的距离。

本课题要求测量精确、可靠、显示正确。

二、进度安排

毕业设计期限：

自2010年10月至2011年5月。

第一阶段（4周）：

分析任务，收集关于超声波测距资料，完成超声波发射和接受电路方案设计，完成开题报告、文献综述、外文翻译。

第二阶段（4周）：

设计与写论文，完成测距等功能的硬件电路与软件程序设计，撰写设计报告与论文。

第三阶段（2周）：

设计作品完善，论文修改。

三、推荐文献资料

[1].杨自栋.简易超声波测距仪的软硬件设计[J].农业装备与车辆工程,2005.

[2].吴研.超声波倒车雷达系统设计[J].北京:

北京理工大学,2005.

[3].史谚宾.基于AT89C2051的超声波测距仪设计[J].北京:

航空航天出版社,2006.

[4].李鸿.单片机原理用应用[M].长沙:

湖南大学,2004.

[5].沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京:

电子工业出版社,2004.

[6].Kil,HK,Cho,JE,Kim,WO.Prepunctureultrasound-measureddistance:

anaccuratereflectionofepiduraldepthininfantsandsmallchildren[J].RegionalAnesthesiaandPainMedicine,2007,2.

开题报告

电子信息工程

基于51单片机超声波测距仪设计

一、课题研究意义及现状

随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求。

例如在井深、液位、管道长度测量等场合。

传统的测距方法根本无法完成测量任务。

还有在很多要求实时测距的情况下。

传统的测距方法也不能很好地完成测量任务。

于是一种新的测距方法——超声波测距应运而生。

超声波测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。

通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。

超声测距是一种非接触式的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等影响。

超声波传感器结构简单、体积小、信号处理可靠，所以检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。

在移动机器人、汽车安全、海洋测量等上得到了广泛的应用。

因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。

随着科学技术的快速发展，超声波测距仪的应用将会越来越广，这是一个蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

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，死角问题也能得到解决。

超声波测距仪将其通过51单片机来实现,成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠，非常适合于短距离测量定位。

51单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。

充分利用它的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统，有很大的市场开发潜力。

二、课题研究的主要内容和预期目标

本课题主要设计一种基于单片机的超声测距系统。

该系统以超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。

课题主要内容包括硬件设计和软件设计。

硬件设计主要包括单片机系统，超声波发射电路、超声波检测接收电路、数码管显示电路等。

软件部分拟采用单片机C语言编程，便于维护和修改，主要是利用中断完成信号发射和接受中间所耗时间的计算，并进行相关的数据处理以得到准确的距离。

本课题要求测量精确、可靠、显示正确。

三、课题研究的方法及措施

先通过上网、图书馆等各种途径，搜索与本课题相关的资料进行大量的阅读，从而从整体上对这个课题进行认识。

然后根据查阅的资料作出总体方案的设计框图以及确定本设计的实现方法。

本设计总体框图如下：

本设计的基本工作是单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，经放大后通过超声波发射器输出；反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。

完成本设计，首先要了解51单片机的内部资源，熟悉51单片机的使用。

然后能够完成用C语言来编写相关模块的驱动程序，并用这些驱动模块组成一个基本的测距系统。

最后完善测距系统，如果有时间的话，还可以增加一些附加的功能（如测温度等）。

四、课题研究进度计划

毕业设计期限：

自2010年10月至2011年5月。

第一阶段（4周）：

分析任务，收集关于超声波测距资料，完成超声波发射和接受电路方案设计，完成开题报告、文献综述、外文翻译。

第二阶段（4周）：

设计与写论文，完成测距等功能的硬件电路与软件程序设计，撰写设计报告与论文。

第三阶段（2周）：

设计作品完善，论文修改。

五、参考文献

[1]沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京:

电子工业出版社,2004,2.

[2]陈辉,强颖怀,葛长路.超声波空化及其应用[J].新技术新工艺,2005,（7）:

62～63.

[3]李鸿.单片机原理用应用[M].长沙:

湖南大学,2004,6.

[4]黄波.基于单片机的超声波测距硬件设计[J].科技创新导报,2008,（31）:

27～29.

[5]孔雅琼.基于单片机的超声测距仪研究与开发[D].长沙:

国防科学技术大学,2007.

[6]吴勉.超声波驻车暨倒车雷达系统研制[J].现代电子技术,2007,30（17）:

182～183.

[7]戴曰章.基于AT89C51单片机的超声波测距系统[J].电气时代,2005,（7）:

129～130.

[8]赵亮,王余.基于AT89C51单片机的超声波测距仪器设计[J].内江科技,2009,30

（2）:

96～97.

[9]宫锦华,李书文.汽车倒车雷达的单片机实现方案[J].微电子学与计算机,2002,19

（1）:

32～33.

[10]路锦正,王建勤等.超声波测距仪的设计[J].传感器技术,2002,21（8）:

29～30.

[11]耶晓东.超声波测距仪的设计与制作[J].国外电子元器件,2008,27（11）:

53～55.

[12]Lopez-Sanchez.AnaLilia.Ultrasonicsystemmodelsandmeasurements[M].America:

lowaStateUniversity,2005,5.

毕业论文文献综述

电子信息工程

基于51单片机的超声波测距仪设计

摘要：

随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求。

例如在井深、液位、管道长度测量等场合。

传统的测距方法根本无法完成测量任务。

还有在很多要求实时测距的情况下。

传统的测距方法也不能很好地完成测量任务。

于是一种新的测距方法——超声波测距应运而生。

超声测距是一种非接触式的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等影响。

超声波传感器结构简单、体积小、信号处理可靠，所以检测比较迅速、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。

本文将介绍超声波、超声波测距的工作原理及应用。

关键词：

超声波;测距

一、超声波及超声波传感器的简介

超声波的简介科学家们将每秒钟震动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。

当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。

因此，超声波是指频率超过20kHz的不为人耳所听见的声波[1]。

在文献【2】中，作者介绍了超声波的特点：

（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。

在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。

（一）工程学方面的应用：

水下定位与通讯、地下资源勘查等。

（二）生物学方面的应用：

剪切大分子、生物工程及处理种子等。

（三）诊断学方面的应用：

A型、B型、M型、D型、双功及彩超等。

（四）治疗学方面的应用：

理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面[3]。

超声波传感器由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部分与电源部分组成。

超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。

在文献【4】中，作者介绍了超声波诊断的优点：

对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。

在文献【5】中，由于过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，作者提出了超声波传感技术，超声波传感技术改变了这种状况。

当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。

在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。

二、超声波测距的工作原理

超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在20kHZ以上，波长短，绕射小、能定向传播。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强[6]。

声音的传播速度与介质的种类、温度有关，一般说来，介质的密度越高传播的速度越大；温度越高传播的速度越大。

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。

由于共振法的应用要求复杂，在这里使用脉冲反射式[7]。

超声波测距的原理可简单描述为：

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。

从而测出发射和接收回波的时间差t。

然后求出距离S=Ct／2。

式中的C为超声波波速。

由于超声波声速跟温度有关。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

如图3-1[8]：

表3-1声速c与温度的关系

温度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速（米/秒）

313

319

325

333

338

344

349

386

在文献【9】中，因为超声波是利用接收发射波来进行距离的计算，不可避免的存在发射与反射之间的夹角，所以作者根据图（3.1）提出距离s的计算方法。

设其大小为2α。

当α很小时，可直接按式S=Ct／2进行计算得到距离修正。

当α较大时，则必须进行距离修正，修正公式为S=Ct／2*cosα。

图3.1测距原理图

三、超声波测距的应用

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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。

超声测距是一种非接触式的检测方式。

与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。

对于被测物处于黑暗、有灰尘烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。

因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用[10]。

下面就用倒车雷达来做详细的讲述。

倒车雷达是超声波测距的一个重要的应用。

近年来．随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高。

我国的汽车数量正逐年增加。

同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。

在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，由于存在视觉盲区，无法看清车后的障碍物，很容易损伤汽车，甚至发生事故。

因此，增加汽车的后视能力．研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点[11]。

倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂蜜器）等部分组成。

能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，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。

倒车雷达是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。

探头装在后保险杠上，根据不同价格和品牌，探头有二、三、四、六只不等，分别管前后左右。

探头以45度角辐射，上下左右搜寻目标。

它最大的好处是能探索到那些低于保险杠而司机从后窗难以看见的障碍物，并报警，如花坛、蹲在车后玩耍的小孩等。

挡位杆挂入倒挡时，倒车雷达自动开始工作，测距范围达1．5米左右，故在停车时，对司机很实用。

倒车雷达的显示器装在后视镜上，它不停地提醒司机车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，让司机停车。

倒车雷达用于测距上，在某一时刻发出超声波信号，在遇到被测物体后的射回信号波，被倒车雷达接收到，得用在超声波信号从发射到接收回波信号这一个时间而计算出在介质中的传播速度，这就可以计算出探头与被探测到的物体的距离[12]。

随着科学技术的快速发展，超声波测距仪的应用将会越来越广，这是一个蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

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，死角问题也能得到解决[13]。

参考文献

[1]张永林,杜先锋.超声波及其在粮食食品工业中的应用[J].西部粮油科技,1999,24

（2）:

14～15.

[2]陈辉,强颖怀,葛长路.超声波空化及其应用[J].新技术新工艺,2005,（7）:

62～63.

[3]殷婷,杨辰.超声波传感器及其应用[J].商情,2010,（16）:

27～28.

[4]王慕冰,袁泽惠.超声波在医学中的应用[J].中国西部科技,2004,（10）:

227～229.

[5]孔雅琼.基于单片机的超声测距仪研究与开发[D].长沙:

国防科学技术大学,2007.

[6]石镁.超声波测距在汽车倒车防撞系统中的应用[J].电脑知识与技术（学术交流）,2007,1（4）:

1082～1083.

[7]戴曰章.基于AT89C51单片机的超声波测距系统[J].电气时代,2005,（7）:

129～130.

[8]赵亮,王余.基于AT89S51单片机超声波测距仪器设计[J].内江科技,2009,30

（2）:

96～97.

[9]王进花,黄玲.一种多方位超声波测距仪的设计[J].甘肃联合大学学报（自然科学版）,2007,21（6）:

64～65.

[10]路锦正,王建勤等.超声波测距仪的设计[J].传感器技术,2002,21（8）:

29～30.

[11]王红云.基于超声波测距的倒车雷达系统设计[J].国外电子元器件,2008,16（8）:

68～69.

[12]Lopez-Sanchez.AnaLilia.Ultrasonicsystemmodelsandmeasurements[M].America:

IowaStateUniversity,2005,5.

[13]H.Elmer,H.Schweinzer,G.Magerl.HighresolutionSupersonicdistancesmeasurementforlongdistance[J].TechnischesMessen.2003,70（04）:

18～22.

本科毕业设计

（20届）

基于51单片机超声波测距仪设计

摘要

由于超声波方向性很强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，所以超声波经常会被用在距离的测量，比如测距仪和物位测量仪等用超声波都可以实现。

利用超声波检测往往比较快、方便、计算简便、容易做到实时控制，而且在测量精度方面能够符合工业实用的要求。

超声测距是一种非接触式的检测方式。

和别的方法相比较，如电磁的或光学的方法，它不会因为光线、被测对象颜色等而受到影响。

当被测物处于黑暗、有毒、电磁干扰、有灰尘烟雾等恶劣的环境下，会有很大的适应能力。

论文简单讲述了超声波检测的发展和原理，介绍了超声波传感器的工作原理及特性。

在介绍超声测距系统功能的基础上，设计了系统的总体方案。

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设计，利用AT89C51单片机为核心控制芯片设计了超声波测距系统的硬件和软件部分，该测距仪测距距离在20cm～80cm左右，精确度是1cm，它具有精确度高，适应性强，可靠性好，操作简单等优点，有着广泛的应用前景。

关键词：

超声波；测距；单片机

Abstract

Becausetheultrasonicwavehasthefeatures,suchasstrongpoint,slowenergyconsumptionandalongdistancetransmissioninthemedium,italwaysusedforthedistancemeasurement.Suchasrangefindersandalllevelmeasurementcanbeachievedthroughtheultrasonicwave.Useofultrasonictestingisoftenmorerapid,convenientandsimpleterms,easytoachievereal-timecontrol,anditcanmeettherequirementsofindustrialutilityinthemeasurementprecision.Ultrasonicdistanceisanon-contactdetectionmethods.Comparedwithothermethods,it’snotinfluencedbylight,colorandothereffectsofthetestedobject.Whenthemeasuredobjectinthedark,toxic,smoggy,dustyandotheradversecircumstances,ultrasonicwavehasacertaindegreeofadaptability.

Thispapersummarizesthedevelopmentandfoundationalprincipleofultrasonicdetection.Thenitpresentstheworkingmechanizationandcharaetersofultrasonicsensor.itproposesthewholestructureofthesystembyintroducingthefunctionofultrasonicdistancemeter.Andthenthetransmission,receive,detection,displaysehemeofthisdistancemetersystemisbroughtout.SpecialaftertheapplicationofAT89C51microcontroller,itanalyzesthehardwareandsoftwarerealizationofeachpartinthissystem.Therangeofthemeasuringdistancein20c～80cm,accuracyis1cm.Besidesthesystemhavehighprecision,adaptability,reliabilityandeasytooperate,etc.

Keywords:

UltrasonicWave,MeasuringDistance,Signalchipcomputer

1引言

由于社会不断的进步发展，许多传统的测距方法已经无法满足我们的需求，例如在井深、液位、管道长度测量等场合。

传统的测距方法根本无法完成测量任务。

还有在很多要求实时测距的情况下。

传统的测距方法也不能很好地完成测量任务。

于是一种新的测距方法——超声波测距应运而生。

超声测距是一种非接触式的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等影响。

超声波传感器结构简单、体积小、信号处理可靠，所以检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。

因此，深入研究超声波测距的相关技术及方法，对超声检测的应用和普及更具有重要的现实意义。

1.1超声波简介

科学家们将每秒钟震动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。

当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了[1]。

因此，超声波是指频率超过20kHz的不为人耳所听见的声波。

通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫兹。

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.如咽喉炎、气管炎等疾病,很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫震动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。

超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石等[2]。

超声波的特点：

（1）超声波在传播时，指向性很强，能量易于集中能量。

（2）超声波不仅能够在各种不同的媒质中传播，还可以传播足够远的距离。

（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。

在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域[3]。

1.2超声波的发展历史

超声波的发展史主要分类国际与国内两个方面。

相对而言，国际发展的要稍早一点，国内发展的要晚些，特别是超声波清洗机在工业上得到应用与认可，主要从珠三角与长三角发展地区开始，95年后慢慢被接受。

以下从两个方面做一一介绍：

一、国际方面：

自19世纪