基于51单片机超声波测距器设计报告书.docx
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基于51单片机超声波测距器设计报告书
《单片机原理及应用》
课程设计报告书
课题名称
基于51单片机超声波测距器设计
姓名
学号
专业
指导教师
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
任务书
一、课题名称
基于51单片机超声波测距器设计
二、任务要求
设计一个超声波测距器，可以应用于倒车雷达、工地以及一些工业现场，当车在倒的过程中，与物体在0.10-5.00m时，发出响声，提醒驾驶员，使车不至于撞到物体或人，更安全。
1、绪论…………………………………………………………....1
2、方案论证……………………………………………................2
3、方案说明……………………………………………………....4
4、硬件方案设计………………………………………………....7
5、软件方案设计………………………………………………...15
6、调试…………………………………………………………....18
7、技术小结………………………………………………............20
8、参考文献……………………………………………………....21
9、附录………………………………………................................22
1.绪论
近年来，随着单片机在我国的推广，以其的简单实用、功能强、体积小而日益广泛的被广大设计师所采用，尤其在工业控制领域中应用更为突出。
基于单片机的超声波测距器作为单片机众多应用中的佼佼者，无疑为现代的工业生产带来了更多的便利。
超声波测距器可以应用于一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
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、接收电路和显示电路，另外还有复位电路和LED控制电路等。
本次课程设计采用AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路，AT89S51控制计算超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。
本系统具有易检测、软件功能完善、工作可靠、准确度高等优点。
1
本文论述了单片机技术研制成功的超声波测距仪的基本原理，测量计算方法，实现方案。
采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。
实际使用表明，极大的提高了安全性、可靠性。
2.方案论证
在当代工业生产中，普遍应用的高科技测距方式有红外测距、激光测距及超声波测距三种。
2.1红外线测距技术
红外线测距的优点是成本便宜、仪器易制、安全性高，但其缺点较多，主要在于测量距离近、精度低、方向性差。
自然界红外光分布比较广泛，容易引起测量误差。
市场上的红外线测距器一般的测距范围在20cm-150cm之间，只适合于近距离的测量，而其测量的精度就更不值得一提了，只有1cm左右。
2.2激光测距方式
激光测距的优点是精确、距离远，缺点是需要注意人体安全，且制作的难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量结果。
2.3超声波测距方式
声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。
当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限（根据大量实验数据统计，取整数为2000HZ）时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。
2
超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性——反射、折射、干涉等等。
超声波测距就是利用其反射的特性。
超声波反射器不断发出某一频率的超声波，遇到被测物体后反射回反射波，然后超声波接收器接收到反射回来的信号，并将其转换为电讯号，测出发射波和反射波的时差，根据光速及计算公式，即可求出待测的距离，超声波测距的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，测距范围比激光近，比红外远，一般为3cm-5cm，精度一般在1cm，有的达到1mm级，超声波测距的缺点是一定距离内有一定的束角，受周围障碍物影响大，适合于室内测量，且测量精度受到温度的一定影响。
超声波的特性有如下几点：
1>束射特性：
由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能够聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。
即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。
2>吸收特性：
声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。
对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。
对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为厉害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。
3
3>超声波的能量传递特性：
超声波之所以能在各个工业部门得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。
为什么会有这么强大得功率呢？
因为当声波进入某一介质时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。
频率愈高速度愈大。
物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的能量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量，超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。
4>超声波的声压特性：
当声波进入某物质时，由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。
由于声波的振动引起附加压力现象叫声压作用。
从成本和实用性上来说，超声波测距在现代工业生产应用中是最优的方案选择。
随着超声波技术的发展，高端的超声波测距模块在精度上已经达到mm级别，而超声波测距带温度补偿的功能又可以大大的消除温度的影响，使测量更精确、更稳定。
超声波测距器比较低廉的成本价格以及比较高的安全性能，也成为人们选择它的不二理由！
下表给出了上述三种不同测距方式的比较。
不同测距的方式比较
方式比较
精度
造价
抗干扰
测试距离
激光
7mm
较高
强
较长
超声波
32mm
低
一般
较长
红外线
20cm-150cm
低
弱
短
3.方案说明
4
超声波是指频率高于20KHZ的机械波。
为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。
完成此功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用波越时间法TOF（timeofflight），首先测出超声波从发射至遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度即得到2倍的声源与障碍物之间的距离。
测量距离的方法有多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量，因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45m/s，由单片机计时，单片机使用12.0KHZ的晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。
利用超声波检测距离，设计较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。
超声波发生器可以分为2类：
一类是用电气方式产生超声波；二是用机械方式产生超声波。
该课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
5
利用超声波测距原理，测量低速行驶车辆与飞机的距离，当车辆与飞机的距离小于安全距离时，发出声光报警，并显示车辆与飞机之间的距离，提醒驾驶员及时采取减速、制动等措施，从而达到避免车辆与飞机碰撞，拖挂等事故。
整个系统由超声波发射、超声波接收、
51单片机系统和声光报警、距离显示等设备组成，如下图所示：
超声波测距报警装置原理框图
发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器及超声换能器组成。
单脉冲发生器在振荡器的每个周期内都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，来自单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声换能器发射超声波。
接收部分由超声换能器、接收放大器和编码解调器组成。
接收到的超声波反射信号经超声波换能器转换、放大、解调后，送到单片机系统进行处理，并通过距离显示车辆与飞机之间的距离，当该距离小于设定的告警距离时，启动报警系统报警。
在多台车辆同时作业时，某台车辆发射的超声波信号可能被其它车辆接收，从而因造成系统混乱而产生误报。
为解决这一问题，系统对不同的车辆进行不同的编码调制，使每辆车只能接收到其本身发射的信号。
6
为有效消除干扰，编码解调采用积累检测解调。
系统中的发射和接收部分由单片机控制轮流工作。
在单片机编码发送完毕后，即转入接收状态，同时关闭发射部分的单脉冲发生器；当接收一定时间后再转入发射状态重发编码时，同时关闭接收放大器。
因此，为保证测距正确，接收时间必须根据实际量程来限制时，众所周知，声波传播的距离s，速度c及传播时间t之间的关系为：
s=c×t，若系统量程为5m，则接收时间T应满足：
T=2*5/340=29.4ms
4.硬件方案设计
4．1系统设计
本设计采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器和计数器来完成，超声波测距器的系统框图如下所示：
超声波测距器系统的框图
图中的单片机AT89S51用来协调各个单元，超声波接收电路用来接收要接收的信号，超声波发射电路用来发射需要发射的信号，存储器用来存储接收的信号，用数码管LED显示距离。
4．2芯片AT89S51介绍
4．2．1AT89S51单片机的概述
由于此单片机应用于测距仪上，所以本设计选用了低功耗、低价格，小管脚（40脚）的AT89S51单片机，如下图所示：
7
AT89S51芯片引脚图
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，AT89S51具有40个引脚，4KBytesFlash片内程序存储器，128Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出口（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时器计数器，2个全双工串行通行口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
4．2．2引脚功能介绍
⑴ Vcc：
电源电压
8
⑵ GND：
地
⑶ p0口：
p0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL。
逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
⑷ p1口：
p1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程和程序校验期间，p1接收低8位地址。
P1口的功能
端口引脚
第二功能
P1.5
MOSI（用于ISP编程）
P1.6
MISO（用于ISP编程）
P1.7
SCK（用于ISP编程）
9
⑸ p2口：
p2口是一个带有内部上拉电阻的8位双工I/O口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程或校验时，p2亦接收高位地址和其它控制信号。
⑹ p3口：
p3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向工I/O口，p3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对p3口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
⑺ RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能，DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
10
⑻ ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时的目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
⑼ EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。
⑽ PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据时），每个机器周期为两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。
⑾ XTAL1：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
⑿ XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
4．3测距显示电路的设计
LED数码显示管有两种，一种是共阳极数码管，其内部是由八个阳极相连接的发光二级管组成；另一种是共阴极数码管，其内部是由四个阴极相连接的发光二极管组成。
二者原理不同但功能相同。
其外形和内部结构如图所示：
11
LED的管脚和电路原理
共阴极LED数码显示块的发光二极管阴极连接在一起，形成该模块的公共端（通常称为位选端），因此称为共阴极LED数码显示器，8个数码管的另一端通常称为段选端，当显示器的公共端接低电平，某个发光二极管的阳极接高电平时，该发光二极管被点亮；而共阳极LED数码显示管是将二极管的阳极连接在一起，形成共阳极LED数码显示块的公共端，该公共端必须接高电平，同理在共阳极LED数码显示块中如某个发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管被点亮。
用单片机驱动LED数码管分为静态显示和动态显示。
静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。
静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。
静态显示中，每个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，该接口用于笔划段字型代码。
这样单片机只要把显示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字型。
显示新的数据时，单片机再发送新的数据。
12
另一种方法是动态扫描显示。
由于单片机本生具有较强的逻辑控制能力，所以采用动态扫描软件译码并不复杂。
而且软件译码其译码逻辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑限制，采用动态扫描软件译码地方式能大大简化硬件电路结构，降低系统成本，它用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。
在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。
静态显示数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较少；动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。
本设计的显示电路采用四个共阳LED四位数码管，位码用PNP三极管驱动。
如下图所示：
测距显示电路
4．4超声波发射电路的设计
发射电路主要由74LS04和超声波换能器构成，单片机p1.0端口输出40KHZ方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能
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