基于单片机的超声波测距系统的设计Word格式文档下载.docx

1、通过超声波测量出数据，方便于日常的实验研究中获得数据。第二章 整体方案设计2.1 超声波测距原理超声波实际上就是高频率的声波，自从科学家们研究出如何人工产生超声波后就开始被广泛研究和使用。超声波的方向性较强，同时在特定的距离内不会快速消散，能量十分集中，因此被广泛应用于测距方面。此外，研究超声波已经成为了一个一门学科。超声学就是从声学分支出来，用于专门研究超声波，可见超声波对科学发展的重要性。超声波可以作为信息的载体进行传输，又可以传递能量作用于物体，适用范围十分广泛。超声波测距仪是利用声波反射的特性，而进行测距作业的装置。由于在同一介质中声波的传播速度为定值。根据测量测距仪与目标之间声波的传

2、输时间即可准确求出发射器距。超声波在十五摄氏度的空气中的传播速度约为340m/s，所以可以通过记录到的时间就可以计算出发射器距目标的距离1，距离公式如式2-1所示。 （式2-1） d是目标物体与测距仪器的距离，s为超声波的来回路程之和，c为超声波的传播速度，t为超声波来回所用的时间2。但是此种方法存在一定误差，超声波的本质是高频率的声波，具有声波的特性。因此测距时的气温会对超声波的波速产生影响。如果传播时的温度过高或过低，超声波的速度就与正常时不同，得出的数据也会不准确。与此同时，超声波在不同的介质中有不同的传播速度，超声波在真空环境下更是无法传播。因此本方案不适用于温度变化较大或温度过高、过

3、低的环境，更不能在真空条件下工作。2.2 单片机简介单片机是一种集成电路芯片，将多种功能集成到一块鬼片上构成的一个小而完善的微型计算机系统3。在单片机中，广泛使用了集成电路的相关知识与科学技术。而且由于单片机的芯片成本较低，规模较小，移动携带十分方便。此外单片机程序可以反复多次擦除重写，更加降低了制作成品的成本，提高了容错率，因此被广泛接受。单片机自从20世纪70年代问世以来，由于其自身的优点而被广泛关注，也因此获得机会，飞速发展。刚刚开发出的单片机相比于当时的计算机等有着巨大的优势。重量较轻，体积很小的特点让单片机广受重视。而功能齐全也让单片机被广泛使用。与此同时，相比于当时计算机的价格，单

4、片机的价格低廉也为单片机的发展提供了更多保护。从此，单片机的发展已经打下坚实的基础，直至今日，单片机都是科研的重要工具之一。单片机的发展早期，由于技术有限，单片机多以4位或者8位存在。直至今日，8位单片机也是在科研场所中不可或缺的存在。当时8051单片机因其优越的性能而广受好评，随后在8051单片机的基础上进行改进，诞生了新的单片机种类，直到现在仍旧被广泛使用。随着科学技术的发展，对于单片机的要求逐渐提高，16位单片机也被研发出来。但是由于其自身的特点相比于8位单片机而言性价比不高，并没有被广泛接受。直至90年代，单片机技术飞速发展，而且由于人们对单片机的要求不断提高，32位单片机迅速出现，并

5、飞快占领市场，替代了原本不被广泛使用的16位单片机。与此同时，研究人员在研究32位单片机的同时，并没有放弃对8位单片机的改进。8位单片机在原有的基础上发展迅速，将本身就十分优秀的性能更进一步，在保持优秀的性能的同时，进一步降低价格，将自身的优势发挥到极致。如今的单片机以及具备多种功能，多种操作系统都可以在单片机上使用，方便快捷，使得单片机能更好的服务于人类社会。设计中选用的是STC89C51单片机。STC89C51是一种低消耗、高性能的单片机，片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器4。此外，该单片机在非工作状态会自动减小功耗，当出现意外情况而导致断电等问题时，单片机也可

6、以保存已有的内容，防止出现因为意外而产生的存储内容丢失的情况5。第三章 系统设计3.1 系统框架本系统主要由三部分构成：C51单片机最小系统、超声波模块、LCD1602显示屏。系统框图如图3-1所示。图3-1 系统框架图3.2 原理图整体系统的原理图如图3-2所示。LCD1602的D0到D7连接上拉排阻并外接到单片机P0.0到P0.7端口，从而显示所测量的距离，超声波HC-SR04模块中的trig端、echo端分别接在单片机中的P1.0、P3.2两个端口，通过单片机的计时器计算时间，最终将计算出的结果显示到LCD1602显示屏中。图3-2 系统原理图3.3 单片机最小系统单片机最小系统是可以正

7、常使用的的单片机最小配置系统。不用添加过多的外部设备，仅用单片机最小系统就可以使单片机进行正常工作。51单片机使用时间较早，应用范围广泛6，但是也存在着明显的缺点。这种单片机抗干扰能力较差，需要通过其他方法弥补这一缺点。为了解决这个问题，设计中需要配置一个稳定的供电设备7。因此在设计中，为了提供供电设备，可通过USB接口使用充电宝以及计算机的USB口供电。C51最小系统的原理图如图3-3所示。图3-3 最小系统的原理图复位电路在STC89C51单片机中必不可少，具有重要的作用。复位电路的作用是将原本的电路恢复到初始状态，从而防止CPU发出错误指令，使得整体的单片机进行错误的操作，影响实验结果。

8、单片机运行时，由于抗干扰能力较差，容易受到各种因素的干扰，至使最终的数据偏差严重。为了避免这种情况，就需要人为按下复位按钮，可以使得程序重新执行，从而完成对数据的正常处理。3.4 显示屏模块本次设计所使用的显示屏为LCD1062显示屏，实物如图3-4所示。模块通过电压对显示屏进行控制，可以显示图形。图3-4 LCD1062显示屏实物图3.5 超声波模块在设计中，使用的超声波模块为HC-SR04超声波测距模块。该模块由多个部分组成。其中超声波发射器负责向目标发出超声波；超声波接收器则负责接收反射回来的超声波8。3.5.1工作原理该模块采用IO口TRIG触发测距，给最少10s的高电平信呈。工作时模

9、块自动发送8个40KHz的方波，发送后会检测有无信号返回；当模块接收到返回信号时，就通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间9。HC-SR04的超声波时序图如图3-5所示。图3-5 HC-SR04超声波时序图此模块为了防止后一次的触发信号与前一次的输出回响信号因间隔过短而可能造成两信号重叠从而影响实验结果，设置的测量周期应至少为60ms。3.5.2模块实物图HC-SR04超声波模块实物图如图3-6所示。该模块共有四个接口。其中，VCC接口端提供+5V电源电压，TRIG接口用于控制触发信号输入，ECHO接口用于回响信号输出，GND接口则用于接地。图3-6 H

10、C-SR04模块实物图3.5.3电气参数在进行设计时，对模块的具体参数需要有详细的了解，能够对电路有所规划，测量距离也能够明确范围。模块的具体参数如表3-1所示。表3-1 HC-SR04模块电气参数电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC 5V工作电流15mA工作频率40kHz最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10uS的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm通过表中的数据，我们可以得知设计成品的具体使用范围，最远射程为4m，最近射程为2cm。第四章 软件设计4.1 软件设计环境本设计是在Keil的环境下编译，通过C语言进行编程。

11、C语言有着自己独特的优点，C语言具有其他多种语言的优点并将这些优点进行融合，方便人们使用。C语言可以设计系统，同时也能够在应用程序等方面起到重要作用。C语言的应用范围十分广泛，软件开发方面就是不可缺少的一种语言。而且在全世界的多种科研发展中，C语言起到了很重要的作用，比如单片机以及嵌入式系统的开发10，C语言更是起到了重要的作用。C语言是结构式语言，具有许多优点。C语言的优点在于将代码与数据分隔开，将程序的整体分成各个部分，各部分间独立运行。这种结构使得C语言编写的程序清晰明了，方便初学者使用，也方便人们对编好的程序进行分析和调试，寻找问题。C语言是中级语言，在保留低级语言的实用性特点的同时，

12、又包含高级语言的基本结构，使用更加便捷。C语言功能齐全，具有各种各样的数据类型，并且引入了指针的概念，使程序效率更高11。C语言兼容性强，能够兼容各种操作系统。Keil是为51系列单片机而专门开发的C语言系统。 Keil提供了一套完整的开发方案，其中包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理以及一个功能十分强大的仿真调试器等，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起12。4.2 主程序设计程序中首先设定定时器T0工作模式，置位总中断允许位EA，显示端口P2清0。系统初始化后，超声波模块发出一个延时0.1ms的超声波脉冲，打开外中断0，接收返回的超声波信号。本设计使用了12MHz的晶振，计算器中每计一

13、个数就是1s，当测到接收成功的标志位后，计数器T0中的数按计算公式计算，即可得到目标距离13。（计数器T0中的数即为超声波来回所用的时间。）超声波测距程序见附录。4.3 程序流程图本流程图为整体系统的程序流程图，如图4-1所示。系统运行后，模块发出超声波脉冲，等待接收返回的超声波。当接收到返回的超声波时，系统将测量的数据记录，并计算出距离，最终在显示屏中显示结果。图4-1 主程序流程图 测距程序详细流程图如图4-2所示，测距过程中，定时器初始化并启动，超声波发射器发射超声波，延时0.1ms后开启中断并准备接收反射回来的超声波，当检测到声波返回时，系统关闭定时器，读取所计数值，当未检测到声波返回

14、时，系统继续记录数据。 Y N 图4-2 测距程序详细流程图 通过此流程，可以测得超声波往返的时间，从而得出目标物体到测距仪的距离，最终显示在LCD显示屏中。第五章 系统测试5.1 硬件检测在本次设计中有许多元件，需要我们了解每个引脚的功能，再进行连接。购得材料后开始连接，焊接时应当细心仔细，避免出现焊接错误。此次设计使用插接的方法，有以下几点应当注意。（1）购得元件后，应当仔细检查测试，确认每个元件能够正常使用，不出现意外损坏的情况。（2）仔细辨别每个元件的引脚，防止出现人为的看错引脚而导致电路出现问题的情况。（3）采用多种颜色的导线，方便查线以及后期检查电路。（4）制作过程中，应当显露出各

15、个元件的标志，方便检查调试以及各种后期处理工作。（5）在连线之前，应当对连线有所规划，尽可能的避免出现线路杂乱重叠的情况。（6）连线过程中尽可能做到美观，避免出现外表杂乱的情况。5.2 软件检测通过Keil uVision4写好程序后，先检测程序中是否存在语法错误、逻辑错误等，检查完毕后再将程序烧入单片机中，观察是否可以正常工作。5.3 电路调试完成电路后应进行电路调试工作。连接完成后，应当对电路的各个部分进行检测，遇到问题及时排查处理，防止出现电路损坏的情况。调试步骤有：（1）在元件连接完毕后，先不要通电，应检查元件引脚是否正确连接，避免出现因为引脚连接错误而导致的一系列问题。同时对于每根线

16、的检查应该仔细，以原理电路进行辅助，确保电路的正常连接。（2）检查电路无误后就可以连接电源，但是此时不应让仪器立刻工作，而是要注意是否出现意外情况，比如：元器件是否在通电状态下处于正常工作状态，是否漏电，是否出现发烫的情况。一旦出现类似情况，就应当及时关闭电源，重新检查元件是否出现问题，连线是否完好，是否出现短路等问题，处理完毕后再次通电进行测试，直至确保一切正常。此外测量各元件引脚电源的电压，保证元件正常工作14。（3）对成品进行全面调试。在设计的过程中都会有设计要求与指标，此时需要将成品的工作效果与设计要求一一对比，确保每个成品结果都与设计要求相符合。一旦出现问题，应该立刻解决，避免成品最

17、终于设计要求不符的情况出现。直至将整体全部调试测试完毕，确认元件与电路等均符合设计要求，成品才可以确保满足设计要求。5.4 实验测试结果设计完成，对实物进行测试。本次实验目标是测量两块地板的长度，通过与卷尺测量结果进行对比测试是否成功。本次设计实物如图5-1所示。图5-1 设计实物图测量两块地板的长度，先通过卷尺测量得出长度。再通过该超声波测距测量。卷尺测量结果如图5-2所示。图5-2 卷尺测量结果经过测试，使用卷尺进行测量的测量结果为1.06m，将数据记录。目标的距离为1.06m。接下来使用所制作的测距仪进行测距。并将两个结果进行对比，最终得出结果。如图5-3所示，使用测距仪测距的测量结果为

18、1.08m。由于人为操作存在误差，可以近似于卷尺测量的1.06m，可以认为测量成功。图5-3 测距仪测量结果测距系统成功测出两块地板的长度，此时可以认为设计已经满足前期设计要求，设计成功。第六章 结论本设计是一个基于C51单片机的超声波测距系统，以C51单片机为核心，搭配超声波测距模块和LCD1602显示屏，对目标进行测距。通过按键进行非接触式测距，方便使用者在各个环境中使用。超声波测距的原理是向被测目标发射超声波并接收返回的超声波。设计中以反射波为媒介，通过发射波被目标物体反射后接收反射波的方式实现测距功能15。当使用者进行测距时，通过按键操作可以控制系统进行测距，并在显示屏中显示出来。由于

19、本设计属于非接触式测量，使用者可以在不接触目标物体的情况下对目标完成测距。在超声波测距硬件电路中，主要模块包括C51单片机最小系统、HC-SR04超声波测距模块和LCD1602显示屏。设计中为了减小测量误差，提高测量精度，使用了12MHz高精度晶振。目的是通过获得较稳定时钟频率从而减小误差。由于可能存在超声波发射之后直接被接收器接收的情况，这种情况下就会导致测量数据错误，影响结果。为避免这种情况的发生，需要对超声波的发射进行延时处理，因此超声波测距仪会有一个最小测距距离。此次完成了超声波测距的设计，实现了既定目标，通过与卷尺作为测量工具进行对比，成功测出目标距离。然而本次设计仍存在较多不足。设

20、计较为简单，无法满足更多具体需求是本次设计的缺点，应当添加多种具体功能，使设计满足更多使用者的需求，应用于更多场合，例如：在本设计的基础上增添报警装置，当测距系统检测到物体距离过近时会发出警报，提醒使用者注意安全，由此研发出汽车倒车防撞装置。同时，由于超声波在不同介质不同温度中的传播速度不同，所以本设计不适宜极端温度或者介质不为空气的环境，因此无法用于在极端条件下的测距，使用环境会受到限制。此外，由于超声波自身的局限性，如果目标距离过远，最终所测的结果也会和真实结果产生较大偏差，因此不能进行过远距离的测量。参考文献1陆雯.用AT89S51设计简单的倒车防撞探测器J.广西轻工业,2011,（11

21、）:75-76.2张体荣,陈胜权,熊川等.高精度超声波测距仪的设计J.桂林航天工业高等专科学校学报,2008,（03）:42-44.3贾强.三维超声波测距仪的设计J.天津科技,2014,（08）:28-31.4朴明波.对利用CCD技术进行实时在线非接触式线径测量的研究D.葫芦岛:辽宁工程技术大学,2004.5齐红丽.窄脉冲时域反射仪的设计D.太原:华北工学院,2004.6丁传鑫.双车道公路平曲线对车辆行驶轨迹的影响研究D.淮南:安徽理工大学,2014.7曹嘉玮.基于单片机控制的步进电机调速系统J.电子世界,2011（07）:22-26.8胡昌城.船体装备配三维快速安装定位系统总体设计及关键技术

22、研究D.武汉:华中科技大学,2012.9魏宏,王锡康,李新壮等.大数据背景下的智慧家居控制系统J.电脑迷,2018,（04）:117-117.10张志伟.激光浊度仪的研究与设计D.大庆:东北石油大学,2010.11王宁.齿轮视觉测量系统与齿廓测量技术研究D.沈阳:沈阳工业大学,2017.12李晓东.基于STM32的双超声压缩系统电源研制及实验研究D.广州:广东工业大学,2015.13附录1 系统原理图附录2 主要程序代码代码1头文件#ifndef _LCD_H_#define _LCD_H_/*当使用的是4位数据传输的时候定义，使用8位取消这个定义*/#define LCD1602_4PINS

23、包含头文件#include/-重定义关键词-/#ifndef uchar#define uchar unsigned char#endif#ifndef uint #define uint unsigned intPIN口定义#define LCD1602_DATAPINS P1sbit LCD1602_E=P25;sbit LCD1602_RW=P26;sbit LCD1602_RS=P27;函数声明/*在51单片机12MHZ时钟下的延时函数*/void Lcd1602_Delay1ms（uint c）; /误差 0us/*LCD1602写入8位命令子函数*/void LcdWriteCom（uchar com）;/*LCD1602写入8位数据子函数*/ void LcdWriteData（uchar dat） ;/*LCD1602初始化子程序*/ void LcdInit（）;代码2主程序intrins.h#includelcd.hsbitTrig=P21;EchoP20;unsignedcharTitle=DistanceMeasurement;OutRangeAlarm=Outofrange!codeASCII150,123456789.-M;staticchar