基于单片机的超声波测距系统的毕业设计.docx

基于单片机的超声波测距系统的毕业设计.docx

《基于单片机的超声波测距系统的毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的超声波测距系统的毕业设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的超声波测距系统的毕业设计

基于单片机的超声波测距系统的毕业设计

第1章绪论

1.1研究背景与课题来源

单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛应用于各个领域。

单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统，如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。

一些仪器仪表如智能仪器、医疗器械、数字示波器等也用到单片机。

计算机外部设备与智能接口如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机，商用产品如自动售货机，电子收款机，电子称，家用电器如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等都离不开单片机。

单片机在控制领域中，具有很多优点，它体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务。

因而能获得最佳的性能价格比；它抗干扰能力器，适用围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他类型的计算机无法比拟的；此外，可以方便的实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提。

在国，单片机以其及其优越的优点受到人们的高度重视，并取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有光控的发展前景。

近几年来，超大规模集成电路的出现，促成计算机朝三个方向发展：

单片机、高性能微型计算机及专用微型计算机。

单片机在微型计算机领域占据着十分重要的地位。

如今，单片机的发展越来越迅速，国外先进技术不断涌现。

目前，嵌入式数字信号处理器发展度很快，和控制器MCU结合在一起的最近期的点偏激发展的一个方向。

嵌入式系统一般指把单片机嵌入有某种功能并有独立形态的系统中作为智能控制核心。

它是计算，通信与消费结合的产品，主要用于信号处理和控制，应用最多的是智能家用电器，是智能家电产品的核心。

利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波，借助空气媒介质传播，由待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与反射的超声波的强弱判断猎物的性质或障碍位置的方法。

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，所以测距就成为数据采集中要解决的一个问题。

尽管测距有多种方式，比如：

激光测距、微波测距、红外线测距和超声波测距等。

但是，超声波测距不失为一种简单可行的方法。

超声波测距仪有造价底，省力，操作方便的优点。

虽然超声波测距电路多种多样,甚至已有专用超声波测距集成电路。

但是，有的电路复杂，技术难度大，有的调试困难，有的元件不易购买。

本文介绍的电路，成本低廉，性能可靠，所用元件易购，并且利用测距原理，结合单片机的数据处理，使测量精度提高，电路实现容易，无须调试，工作稳定可靠。

1.2课题研究的意义和目的

MCS-51系列单片机是INTEL公司继MCS-48系列后推出的8位高档微型计算机系列，其性能，指令功能，运行速度远远超出一般的通用处理器。

国外计算机应用部门竞相用这种单片机构成各种智能仪表，智能控制器，智能接口，通用测控单元，医疗器械等，标志着单片机正式登上了计算机世界的舞台。

单片机的应用为越来越多的科技人员所注目。

在工业生产中，电流，电压，温度，压力，流量，流速，流速和开关量是常用的主要被控参数。

目前利用MCS-51单片机控制超声波测距系统的设计越来越多了，该系统也得到广泛的应用，如智能化汽车倒车系统，机器人的障碍行走，物位测量，医疗，通讯，家电及其他方面都有广泛的应用。

因此有必要研究出性能更能好精确度更高的应用性超声波测距系统。

在现实生活中，在一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。

而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。

目前市面上常见的超声波测距系统因价格昂贵，体积过大而且精度不高等种种因素，使得在一些中小规模领域中难以得到广泛的应用。

为解决这一系列难题，本文设计了一款基于STC89C52单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距系统。

1.3课题研究的可行性

采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境（如含粉尘）具有一定的适应能力。

因此，用途极度广泛。

例如:

测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:

仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。

超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人的电脑等等。

由于超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，它的应用价值己被普遍重视。

如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。

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绕障、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,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。

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。

它主要应用于倒车雷达、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等，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实用的要求，因此得到了广泛的应用。

本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。

从设计要求可知，本课题研究的是利用超声波传感器来测量距离。

要考虑其是否可行，首先必须了解超声波具有哪些特性。

所谓超声波就是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；沿直线传播，当频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；强度大、方向性好等特点。

因此，利用超声波的这些特性就可制成超声波传感器。

又由于超声波在空气中的传播速度较慢，一般为340m/s左右，这使得超声波传感器的应用变得非常简单，因此利用超声波传感器测量距离就不再困难了，由此可见，基于STC89C52的超声波测距系统的研究设计是可行的。

总之，由以上分析可看出:

利用超声波测距，在许多方面有很多优势。

因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。

1.4课题设计的功能简介

该测距系统由+5V稳压电源提供驱动，利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，以超声波探头为接口部件，应用单片机技术计算超声波在空气中传播的时间（超声波的速度为声速）并处理成相应的距离，然后再通过四位七段数码管显示实测距离的数字仪表。

其主要功能如下：

1）测距围为<6m；

2）显示方式为数码管显示；

3）具有较强的抗干扰能力，安装简单；

4）体积小、功耗低，能嵌入其它系统。

第2章总体方案

2.1超声波测距的原理

超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。

该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。

因此，我国对超声波的研究特别活跃。

超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。

超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。

按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：

用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。

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，如图2-1所示。

超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

（2-1）

图2-1超声波测距原理图

这就是所谓的时间差测距法[7]，由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。

经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。

在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式（2-2）对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

v=331.4+0.607T（2-2）

式中，T为实际温度单位为°C，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。

表2-1温度对声速的影响

2.2总体方案确定

本设计是在超声波原理的基础上，完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统设计。

测距仪以AT89S52芯片为核心，74LS04组成的超声波发射电路、并由超声波处理模块CX20106A、LED显示模块等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、LED显示电路。

依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路，避免了环境误差，能够清晰稳定的显示结果。

由单片机发出40kHz的方波信号进入超声波发射电路，经功率放大芯片放大后进入超声波发射头。

超声波发射头发射的超声波在空气中传播一段时间后经前方被检测物体反射回来，由超声波接收头接收，超声波电路中的接收芯片对信号放大整形，超声波接收电路接收回波后发出一个下拉电平使单片机进入中断程序，在中断程序中，单片机从温度检测电路读取数值并换算成当前温度下的声速，应用时差法计算所检测的距离，最后所有的数据都在LED显示电路上显示。

结构图如图2-2所示。

图2-2系统结构图

第3章硬件电路设计

3.1单片机及显示电路设计

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。

单片机采用STC89C52或其兼容系列。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管驱动。

LED数码管结构简单，价格便宜。

图3-1示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。

图3-1（a）为八段共阴极数码显示管结构图，图3-1（b）是它的原理图，图3-1（c）为八段共阳LED显示管原理图。

八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。

图3-1LED结构图

3.2超声波发射电路

超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头的型号选用CSB40T（其中心频率为40KHz）。

可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头产生超声波。

这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。

第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。

这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。

本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74LS04，具体电路如图3-2所示。

图3-2发射电路图

从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平，下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动CSB40T，只要控制信号接近40KHz，就能产生超声波。

3.2.140kHz脉冲信号的产生与超声波发射

测距系统中的超声波发生器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这个信号可由单片机的