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超声波测距仪学位论文
毕业设计
毕业设计题目：
超声波测距仪的设计
学生姓名：
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起止时间：
摘要
现代的社会已经进入了飞速发展的阶段，人们在各个领域对测距仪的应用，有越来越广泛的需求。
针对愈发广泛的应用需求，设计一种经济实用﹑准确度高﹑响应灵敏的测距仪很有必要，而本文设计的超声波测距仪恰好满足以上要求。
由于超声波具有指向性强和传送距离远等优点，人们很容易利用超声波制成测距仪。
为了实现测距功能，本设计以AT89S51芯片为核心，再结合4位一体共阴LED数码管、超声波传感器模块和12.0M晶振等器件。
系统里包括了单片机系统，LED显示电路，复位电路以及超声波发射接收电路。
关键词超声波测距仪AT89S51芯片
Abstract
Modernsociety,hasenteredastageofrapiddevelopment.Applicationofrangefinderinmanyfields,hasagrowingdemand.Inordertomeettheincreasingdemands,itisnecessarytodesignaneconomicalrangefinder,whichhasahighaccuracyandasensitiveresponse.Theultrasonicrangefinderdesignedinthisthesisjustsatisfiestheaboverequirements.
Becauseofgooddirectivityandlongtransmissionofultrasonic,itiseasytofabricateanrangefinderbyultrasonic.Inordertoachievethefunctionofmeasuringdistance,ultrasonicrangefinderisdesignedwithAT89S51chipasthecore.ItalsocontainsfourinonecommoncathodeLEDdigitaltube,ultrasonicsensormodule,and12.0Mcrystal.Theultrasonicrangefinderismadeupofasingle-chipsystem,LEDdisplaycircuit,resetcircuit,andanultrasonictransmittingandreceivingcircuits.
Keywords：
UltrasonicRangefinderAT89S51chip
目录
第1章绪论1
1.1设计的背景1
1.2设计的意义1
第2章超声波测距原理2
2.1超声波简介2
2.2超声波测距原理2
2.3超声波传感器3
第3章方案论证4
3.1设计思路4
3.2系统结构设计5
第4章主要元件介绍6
4.1单片机AT89S516
4.1.1AT89S51简介6
4.1.2AT89S51的主要性能特点6
4.1.3管脚说明7
4.2超声波传感器HC-SR048
4.2.1端口介绍8
4.2.2主要技术参数8
4.2.3基本工作原理8
4.2.4超声波时序图9
4.2.5模块线路图10
4.2.6最远探测距离调节11
4.374HC573器件11
4.3.1定义11
4.3.2原理说明：
12
第5章硬件电路设计13
5.1电源电路：
13
5.2复位电路：
13
5.3显示电路：
14
5.4超声波传感器电路14
第6章系统误差分析15
6.1误差分析的先决条件15
6.2误差分析表15
6.3误差分析16
6.4误差分析总结17
第7章总结18
参考文献18
致谢20
附录1整体电路图20
附录2测量现场图21
附录3程序清单22
第1章绪论
1.1设计的背景
如今，社会的发展不断带动了人们对测量长度或距离需求的提高。
以前传统的测距方法在许多场合已不能满足人们愈发广泛的应用需求，比如是在管道长度﹑井深﹑液位等场合的测量。
特别是在要求实时测距的情况下，传统的测距方法不能完成测量任务。
在此背景下便产生了非接触式的测量需求。
采取非接触式对距离进行测量的工具，最可靠便捷的是无线测距仪。
目前，超声波测距，微波雷达测距和激光测距三种测距方式是现在通过波的形式进行测距的主要技术。
其中，雷达测距仪和激光测距仪的制作难度较高，造价高昂，很难普及到普通人们的日常应用，并且在使用过程中有其局限性，如激光易受外界光影响，微波雷达易受电磁场影响。
而超声波测距仪具因其受外界影响较小，测量速度快，制作简单，造价低廉，准确可靠等优点，被越来越多的人使用。
目前，国内外超声波测距方面的研究水平和方向各有不同，某些方面已取得一定应用，能精确地测量距离，如管道长度﹑井深﹑液位等场合。
但超声波测距仪有与其它系统工具组合应用的发展方向，比如现在已被广泛使用的可语音播报的汽车倒车雷达，有自动避障行走功能的机器人等。
所以超声波测距仪未来在各个领域的发展空间很大，发挥越来越重要的作用，满足愈发广泛的应用需求。
1.2设计的意义
目前，随着我国城市化进程不断加快，城市规模扩大，城市人口数量激增，城市给排水系统压力越来越大。
更加上历史原因以及种种不可忽视的原因，比如拆迁问题，排水系统建设往往跟不上城市建设的脚步。
每当暴雨来袭，新闻里总会看到街道积水，给市民的生活带来极大的不便。
因此，对排水系统中重要一环的箱涵进行排污疏通治理必不可少。
由于人们的环保意识不足，随地乱扔垃圾的现象经常出现，所以容易导致排水系统箱涵内积累大量杂物，在加上箱涵的容积较小，人们不能亲自清理。
所以人们选择了机器人这科技产物，对箱涵进行疏通清理。
而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分，控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制[1]。
从上面的例子可看出，超声波测距仪的设计意义在与结合生活实际设计出简便实用超声波测距仪，为人类服务。
第2章超声波测距原理
2.1超声波简介
（1）定义
物体振动，就会发出声音。
这么简单的道理我们都知道。
我们把物体振动发出的机械波称之为声波。
但是在正常的情况下，超声波是不能被人们听见的。
因为超声波的频率超过了人们听觉的极限。
科学研究表明，人耳听到的的声波频率范围为20~20000赫兹。
而超声波的频率正好超过20000赫兹。
（2）产生方式
产生超声波的方式与我们平时听到的声波的产生方式没什么区别。
都是物体振动的机械波以纵波的形式在空气介质中传播。
但不同的是可闻声的频率较低，波长较长，所以在一定范围内以直线传播的方向性较差。
然而超声波的频率较高，波长叫短，所以在一定范围内以直线传播的方向性较好。
在本设计的超声波传感器中，当传感器模块收到高电平TTL信号后，压电晶片就会振动，发出超声波。
（3）波型
超声波的应用波型有许多种，有横波、纵波、兰姆波和表面波（瑞利波），可通过声波的传播方向与物体振动方向的关系来辨别。
超声纵波是本设计应用的波型。
2.2超声波测距原理
超声波测距仪测量距离利用的就是波的反射特性。
测量前，要将超声波测距仪水平对准被测物体，被测物体附近无其他干扰物。
开始测量时，测距仪就会发射出超声波，等待超声波返回，并同时计时。
当接收到反射超声波时，就会立即停止计时，将获得的时间通过公式来计算测距仪与被测物体的距离。
测量距离S为
式中v——传播速度；
——单向传播时间。
由上式可知，影响测量距离精度的主要因素是计时精度和传播速度。
所以如果要提高测量距离的精度，就要提高计时精度，和尽量选择正常的传播速度（传播速度易受温度等影响）。
2.3超声波传感器
定义：
能发射和接收超声波的传感器叫超声波传感器。
目前电声型传感器与流体动力型传感器是常用的超声传感器。
超声波传感器探头的结构形式有许多种，如果接收表面波的是表面波探头，只接收纵波的是直探头，只接收横波的是斜探头。
当然还有收发一体式探头和收发分体式双探头。
由于设计的需要，所以本次选用的是收发分体式双探头传感器，即一个探头发送超声波，另一个探头接收超声波。
超声波传感器的选择对超声波的测量起关键作用。
如果超声波频率取得较低，虽探测距离较大，但容易收到外界杂音的影响。
如果超声波频率取得较高，就会在传播的过程中衰减严重，探测距离较短，分辨能力变强。
所以针对本设计的要求，本设计采用的是HC-SR04超声波传感器。
HC-SR04超声波传感器是压电传感器。
探头的组成部分有压电晶片、接头、楔块等。
这种探头有一个主要作用是发出超声波和接收反射波。
第3章方案论证
3.1设计思路
本次毕业设计的主要技术指标有两个，一个是测量范围为0.40~5.00m，另一个是测量精度为0.01m。
要完成这两个指标虽有点压力，并不困难。
首先，我认识到超声波的优势特点就是指向性强，传送距离远，方向性好等，对于距离的测量非常适合。
同时，因其超声波测距原理通俗易懂，计算处理数据简单，设计的结构简单，并且在测量精度上能达到各种场合的要求。
完全能设计出一个成本低廉，工作稳定可靠的超声波测距仪。
目前，市面上已经有了专用的超声波集成电路。
但是专用的集成电路测量精度并不是很高，只能达到厘米级，只能满足一般的测距要求。
如果要制成更高精度毫米级别的超声波测距仪，就要对其产生的误差进行分析，并进行相应的补偿，比如用温度传感器对超声波的传播速度进行温度补偿。
由于本设计要求的测量精度为0.01m，不需要太高的测距要求。
所以要满足其要求选用12.0M晶振和HC—SR04的超声波传感器就行了。
设计出超声波测距仪的方式有许多种。
一种就是使用专用集成电路设计的测距仪，使用专用集成电路的最大优点是使用简单方便，但是它的缺点也很明显，就是只有单一的测距功能，并且制作成本高，不利于推广使用。
另一种就是基于CPLD的超声波测距仪。
它的优点是集成度高，开发周期短，利于开发多功能的超声波测距设备。
但是它的编程语言是硬件描述语言，我不太擅长，所以最后不选择这种设计方式。
还有一种是以单片机为核心的超声波测距仪。
使用大学期间主要学习的是单片机系统，再加上使用单片机对控制传感器方面容易和计算简单，能很好地操控整个设计。
所以本设计的超声波测距仪采用的是这种设计方式。
大学期间，我们学生课程所学的主要是AT89C51的单片机，但由于现代技术的发展，AT89S51/52单片机几乎取代了AT89C51/52单片机。
所以本设计采用的是AT89S51单片机。
采用AT89S51单片机有极大的优势，首先它性能强大，性能主要有完善的输入输出端口﹑内部程序存储器，以及强大的控制端口。
其次它也非常方便使用，单片机编写程序与常用的计算机C语言基本相同。
最后是AT89S51芯片价格便宜，适合推广应用。
3.2系统结构设计
超声波测距仪系统结构如图3.1所示。
它主要由AT89S51单片机、HC—SR04超声波传感器、电源电路、LED显示电路及复位电路组成。
系统主要功能包括：
超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；
（1）LED数码管显示器显示距离；
（2）当系统运行不正常时，用复位电路进行复位。
图3.1超声波测距仪系统结构框图
第4章主要元件介绍
4.1单片机AT89S51
4.1.1AT89S51简介
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，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80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用[2]。
图4.1AT89S51管脚图
4.1.2AT89S51的主要性能特点
1 4kBytesFlash片内程序存储器；
2 128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
3 32个外部双向输入/输出（I/O）口；
4 2个中断优先级、2层中断嵌套中断；
5 5个中断源；
6 2个16位可编程定时器/计数器；
7 2个全双工串行通信口；
8 看门狗（WDT）电路；
9 片内振荡器和时钟电路；
10 与MCS-51兼容；
11 全静态工作：
0Hz-33MHz；
12 三级程序存储器保密锁定；
13 可编程串行通道；
14 低功耗的闲置和掉电模式。
4.1.3管脚说明
表4.1AT89S52引脚说明
引脚序列
引脚
功能
1~8
P1.0~P1.7
8位准双向IO口
9
RST
复位输入口
10
P3.0/RXD
串行输入口/P3.0I/O口
11
P3.1/TXD
串行输出口/P3.1I/O口
12
P3.2/INTO
外部中断0输入口/P3.2I/O口
13
P3.3/INT1
外部中断1输入口/P3.3I/O口
14
P3.4/T0
定时计数器0输入口/P3.4I/O口
15
P3.5/T1
定时计数器1输入口/P3.5I/O口
16
P3.6/WR
外部数据存储器写选通/P3.6I/O口
17
P3.7/RD
外部数据存储器读选通/P3.7I/O口
18~19
XTAL1~XTAL2
时钟振荡器的输入输出口
20
GND
信号地
21~28
P2.0~P2.7
8位双向IO口存储器的高8位地址
29
PSEN
程序存储允许信号端
30
ALE/PROG
片外存储器地址锁存信号端
31
EA/VPP
内外程序存储器选择控制端
32~39
P0.0~P0.7
数据/低八位地址复用口
40
VCC
正向电源输入端
4.2超声波传感器HC-SR04
4.2.1端口介绍
接线端口：
VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND
4.2.2主要技术参数
1：
工作用电压范围：
3V-5.5V
2：
静态电流：
小于3mA
3：
电平输出：
高5V
4：
电平输出：
底0V
5：
感应角度：
不大于20度
6：
探测距离：
0.03m-5m
7:
高精度 可达0.3cm
图4.2HC-SR04超声波传感器模块
4.2.3基本工作原理
（1）采用IO口TRIG触发测距，给出至少10us的高电平信号;
（2）模块收到高电平信号后，会发送8个40khz的脉冲方波，并且通过1接收探头检测是否有信号返回；
（3）当接收到有信号返回时，模块就会通过IO口ECHO向单片机输出一个高电平，超声波从发射到返回的时间就是高电平持续的时间。
之后就可以根据公式算出测量距离。
4.2.4超声波时序图
图4.3超声波时序图
图4.3表明当单片机向传感器模块发出一个10us的TTL信号后，模块内部就会循环发出8个40KHZ的电平脉冲，同时检测是否有反射波返回。
当检测到有反射波后，就会输出与检测距离成1:
1比例的回响电平。
单片机收到回响信号后，就会根据高电平时间计算出距离。
计算公式为：
4.2.5模块线路图
图4.4HC-SR04超声波传感器模块线路图
4.2.6最远探测距离调节
图4.5HC-SR04超声波传感器模块背面图
图4.5标示的R3电阻可以改变电阻的阻值大小来调节检测的最大距离。
可是当检测的距离越大，检测角度相应地也会变大。
检测角度越大，就越容易受到被测物附近的物体影响，从而出现测量误差。
厂家那边给了相应的参数数据。
当R3为3.92K电阻时，最大检测距离为3m，检测角度小于15度；当R3为4.72K电阻时，最大检测距离为7m，检测角度小于30度。
本次选用的R3电阻为4.52K，最大探测距离为5m。
4.374HC573器件
4.3.1定义
74HC573是一款高速CMOS器件，74HC573引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列，74HC573包含八路D型透明锁存器，每个锁存器具有独立的D型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出，所有锁存器共用一个锁存使能（LE）端和一个输出使能（OE）端[4]。
图4.674HC573内部功能图
4.3.2原理说明：
当LE为高时，锁存器就会进入透明模式，它的输出状态将会随着输入D的变化而变化；当LE为低时，锁存器将储存之前的输入信息一段时间，等待LE的下降沿来临。
当OE为低时，8个锁存器里面的内容能正常输出;当OE为高时，输出就被阻止,OE端的任何操作不会影响锁存器的状态。
第5章硬件电路设计
5.1电源电路
电源电路如下图5.1所示。
为方便起见，本设计采用的是1.5V电池供电，通过3个电池串联，输出+4.5V直流电，作为电路的电源。
其中加入自锁开关，自锁开关电路中起到电源的开关作用。
图5.1电源电路
5.2复位电路
如下图5.2所示，复位就是在外部RESET引脚输入一个正脉冲使单片机复位，使单片机系统强制恢复到初始状态，重新开始在初始状态工作。
本设计采用的是上电复位电路与电平式开关，能强制系统复位。
图5.2复位电路
5.3显示电路
显示电路如图5.3，四位一体LED数码管组成动态扫描电路，由AT89S51的P0口输出。
经过上拉电阻，将信号通过电阻上拉到高电平,并且在电路中起限流作用。
动态扫描时，LED的当前显示位由P1口控制。
图5.3显示电路
5.4超声波传感器电路
如下图5.4所示。
采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;
模块收到高电平信号后，会发送8个40khz的脉冲方波，并且通过一接收探头检测是否有信号返回；当接收到有信号返回时，模块就会向IO口ECHO向单片机输出高电平。
图（a）图（b）
图5.4超声波传感器电路
第6章系统误差分析
6.1误差分析的先决条件
虽然我设计的超声波测距仪理论上能达到厘米级精确的测量。
但实际上由于各种因素的影响会造成误差，所以要进行误差测量，对误差进行分析，了解产生误差的原因，找出解决方法。
根据超声波的特点，为了避免低级的误差，测量距离是要满足一下条件：
（1）超声波测距仪要垂直于被侧物体。
（2）被测物体的表面要相对地平整，不能有凹凸不平。
（3）附近不能有干扰物体，如果附近有能反射超声波的物体，会严重影响结果。
由于要满足这些条件，我选择测距的地方为宿舍走廊。
6.2误差分析表
实际距离
测量距离
最大误差值
0.40m
0.40m
0
0.41m
0.41m
0
0.42m
0.42m
0
0.43m
0.43m
0
0.44m
0.44m
0
0.45m
0.45m
0
0.46m
0.46m
0
0.47m
0.47m
0
0.48m
0.48m
0
0.49m
0.49m
0
0.50m
0.50m
0
0.60m
0.60m
0
0.70m
0.70m
0
0.80m
0.80m
0
0.90m
0.90m
0
1.00m
1.00m
0
1.50m
1.50m
0
2.00m
2.00m
0
2.50m
2.49~2.50m
0.01m
3.00m
2.98~3.00m
0.02m
3.50m
3.48~3.50m
0.02m
4.00m
3.97~4.00m
0.03m
4.50m
4.47~4.50m
0.03m
5.00m
4.97~5.00m
0.03m
图6.1误差分析表
6.3误差分析
从图6.1误差分析表可看出很多东西。
首先从以上测量数据可以看出，当测量距离为0.407m时，是测量不到毫米级的，只有当距离提高到0.41m，才会从0.40m转到0.41m，这正好能符合设计的要求，测量精度0.01m。
当在低距离时（0.04m~1.00m），在地面上的测量精度是很高的，显示的距离值很稳定，不容易收到影响。
但是当测量距离高于1.00m时，继续在地面测量将会开始被地面的反射波影响。
到1.50m时，就会造成严重的偏差，完全测不到对面墙体到测距仪的距离，可能显示的是与地面某区域的距离。
所以为了摆脱地面的影响，我把测试的高度提升到离地面0.3m的半空中。
这时候，1.50m的测量距离能被精确地显示出来。
然后继续测量，2.00m到4.00m的测量距离的结果还是比较准确的。
但是在2.50m左右就会开始产生误差值，测量的距离虽能测量到实际距离，但偶尔测出的距离要比实际的距离要小一些，误差值为0.01~0.02m。
当距离提高到4.00m时，最大误差值变为0.03m。
并且经常测出的距离要比实际的距离要小一些。
而且数据显示的变化很频繁，这就证明了测距仪受到外界的影响越来越大。
当再次把距离调到5.00m时，这是测出的数据时2.36m，明显不是真正的距离，可能也是受到地面的反射波影响，所以后面我把测量的高度提升到0.45m。
这时测量出来的距离开始靠谱了，跟4.00m的最大误差值一样，都是0.03m，数据也是频繁地变化，这说明当测量到5.00m时的数据还是比较勉强。
6.4误差分析总结
总的来说，整个实验过程不是很成功。
首先我一开始选择地面进行测试，虽然在短距离内能精确测量，但到了较高距离时就不能测量实际距离了。
其次是我中期提升的高度不够，使其也收到地面反射波的影响，违反了附近不能有干扰物体的条件。
还有我还发现了一个错误，就是我宿舍的墙体不够平整，可能这也是我测量长距离时数据不稳定的主要原因。
但是正是从这次错误中，证明了各种因素都会使到测距仪产生误差，由于自身能力有限的关系，我很难通过改变设计来解决这些误差问题，终于认识到了学海无涯，自己要加强学习。
第7章总结
本次设计的超声波测距仪是相当成功的。
首先，它操作简单，只需要操作开关和复位键。
经过实际的测量后，发现它工作性能稳定，能达到本次设计的任务要求。
同时，它的制作成本很低，性价比高。
但是，本设计的超声波测距仪虽在近距离能达到精确测量，可是达到一定距离后会产生些许误差，当然误差值并不大。
如果是应用在汽车倒车雷达上，这些误差不是什么问题。
如果是应用在工业等需要高精度的领域，这些误差是致命的。
所以要分析产生误差的原因，并相应地进行补偿，减小误差。
参考文献:
[1]《超声波测距仪的研制》，刘民，2005年
[2]《AT89S51》，XX百科
[3]《HC-SR
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