基于单片机的超声波测距系统毕业设计论文

基于单片机的超声波测距系统毕业设计论文
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基于单片机的超声波测距系统
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摘要 (3)
1、绪论 (4)
1.1项目研究背景及意义 (4)
1.2国内外发展状况 (5)
2、总体设计方案及论证 (8)
2.1 总体方案设计 (8)
3、硬件实现及单元电路设计 (8)
3.1 电路总体设计 (8)
3.2电源电路设计 (9)
3.3超声波测试模块 (9)
3.3.1 超声波的特性 (10)
3.3.2超声波换能器 (12)
3.4超声波传感器原理 (13)
3.5测距分析 (17)
3.6 STC89C52单片机简介 (18)
3.7单片机最小系统 (18)
3.8时钟电路的设计 (19)
3.9复位电路的设计 (20)
3.10声光报警电路的设计 (20)
3.11数码管显示模块 (21)
4、软件设计 (21)
4.1 主程序工作流程图 (21)
总结 (24)
参考文献 (24)
附件1: 原理图 (25)
附件2：源程序 (25)
附件3：实物图 (35)
摘要
超声波测距系统是以STC89C52为主控芯片，该系统是有单片机最小系统、超声波探头、数码管显示、蜂鸣器报警模块、按键模块和电源部分组成。

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

当距离小于设置距离时，蜂鸣器和指示灯发出声光报警，当距离大于设置距离，停止报警。

报警距离可以通过按键设置，按下设置键，显示“A”时，可以通过设置键的加减键设置报警距离。

关键词：超声波测距仪、STC89C52单片机
1、绪论
1.1项目研究背景及意义
随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。

在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。

传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。

但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域[1]。

超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。

超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力[2]。

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。

特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点[3]。

超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波。

它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，可解决超长度的测量[4]。

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、衍射、散射与物理紧密联系，应用灵活。

并且更适合与高温、高粉尘、高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。

超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害[5]。

而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。

超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。

1.2国内外发展状况
社会在进步，随着经济生活的发展，随着人们生活水平的提高，在当今社会，车辆已经逐渐成为了人们日常生活中至关重要的一部分，我们知道我们越来越离不开汽车了，以车代步已经成为生活的一部分。

关于汽车的各种新技术也层出不穷，但是放眼望去，绝大多数的厂家和研究机构的研究方向过多的集中在了设备本来已经相当高级的车上。

而在平日的生活当中我经常会遇到这样的问题，如来到一个大型的停车场，要来购物或者有非常着急的事情，但是却往往找不到要停车的位置[6]。

然而现在通常在有的有显示空车位停车场当中又不能智能引导汽车走到空着的车位。

在这种特殊的情况下，有通常会发生各种各样棘手问题而束手无策，譬如：有很多车会堵在停车场门口处，又譬如浪费了很长时间找到车位又被其他车辆所占据，会导致打架的事情，直接导致家用车货车的搁浅，引起极大的不便。

再如长时间驾驶后在没有需要的停车位置的情况下停车休息，由于极度疲劳导致的贵重钱物丢失现象以及大型长途货车在停车场门口马路很窄的情况下由于很多待于停车的车辆堵车引起的倒车不便等等。

针对这些具体而实际的问题提出解决方案，节约资源时间，所以我们做一个智能车辆引导系统更具有现实意义。

随着计算机技术、自动化技术发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要。

例如，传统的如钢卷尺接触式测量仪器在测量一定距离时，这种仪器对高于3m的顶板安设困难，且测量不准确；对于横向变形量的测量，若安设于两侧之间，则妨碍人、车来往，如果不固定安设装，则测量精度很低，难以监测微小变形。

在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别，尤其在在工件运输过程中进行识别，则问题更为复杂与困难，因此人们急切需要各种非接触式的测距仪[7]。

我们目前的非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达，红外线等。

但激光和雷达测距仪造价偏高，红外线测量距离又太短，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点：
1.对于设计停车场来说，超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离，很合适；
2.针对停车场停车当中有的车有天窗，是玻璃或其他透明物质制的。

超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体)；
3.停车场应该是日夜工作的，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；
4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。

因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。

在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用[8]。

超声检测的原理主要是利用超声波作为载体，即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质木身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。

我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。

超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化[10]。

五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。

如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。

五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。

随后，上海同济大学研制出CTS一10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg，该仪器性能稳定，波形清晰。

但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。

直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS一10型仪器。

1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。

从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。

随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。

如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg。

七十年代，英国CN.S公司推出仅有 3.5Kg 重的PLJNDIT便携式超声仪[11]。

1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。

该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5Kg。

同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。

从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广一应用无损检测技术奠定了良好的基础。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。

进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。

随后具有检测、记录、存储、数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声仪研制呈现一派繁荣景象[12]。

其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单.，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。

与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。

过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。

高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基木情况一样，才可充分发挥其特有功能。

仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。

[13]综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体力型。

电声型主要有：1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。

流体动型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”
[14]。

电子测距仪要求测量范围在0.10～5.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

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，公式L=(△t/2)*C简单易算，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。

超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合[15]。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。

所以就顺其自然的选择用超声波探测仪来进行探测停车位是否有车了。

2、总体设计方案及论证
2.1 总体方案设计
本设计包括硬件和软件设计两个部分。

超声波测距系统由单片机最小系统、超声波模块、按键模块、电源模块、数码管显示模块和声光报警模块组成。

该系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元,当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理。

然后控制蜂鸣器报警。

系统总体的设计方框图如图1所示。

图1 系统方框图
3、硬件实现及单元电路设计
3.1 电路总体设计
硬件电路总设计见图3，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件：STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。

其中D1为电源工作指示灯。

电路中用到3个按键，一个是设置键, 一个加键，一个减键。

图3 总设计电路图
3.2电源电路设计
电源部分的设计采用3节5号干电池4.5V供电。

经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。

本电路有电源开关、电阻、电容和发光二极管组成。

其中电容主要是对超声波和单片机模块滤波用，以提供稳定的电源。

具体
电路图如下图所示：
3.3超声波测试模块
超声波模块采用现成的ＨＣ－ＳＲ０４超声波模块，该模块可提供2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。

模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，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。

测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。

实物如下图4。

其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。

超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下：IO口触发，给Trig口至少10us 的高电平，启动测量；模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口Echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是
图4 超声波模块实物图
超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*340）/ 2，单位为m。

程序中测试功能主要由两个函数完成。

实现中采用定时器0进行定时测量，8分频，TCNTT0预设值0XCE，当timer0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式为（单位：ms）：
T = （定时器0溢出次数 * （0XFF - 0XCE））/ 1000
其中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。

3.3.1 超声波的特性
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20000赫兹)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。

人的听觉范围如图5所示。

图5 人的听觉范围
超声波的特性有：
（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历害，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）超声波的能量传递特性
超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。

为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，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—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质量有关外，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
当声波进入某物体时,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。

由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。

3.3.2超声波换能器
完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声波探头。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多用作探测方面。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。

超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高。

人类能听到的声音频率范围为：20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下频率的声音称为低频声波，20kHz以上频率的声音称为超声波。

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。

为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。

另外，超声波
在空气中的传播速度较慢，为340m／s，这就使得超声波传感器使用变得非常简便。

我们选用压电式超声波传感器。

它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷，是利用压电材料的压电效应来进行工作的。

逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器大体可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

图6 超声波传感器结构
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构如图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

如图6所示。

3.4超声波传感器原理
市面上常见的超声波传感器多为开放型，其内部结构如图7所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。

该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器。

谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。

另一
方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。

利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。

相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。

基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

图7 超声波内部结构
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。

它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。

超声波的基本特性如下所述：
1．波长
波的传播速度是用频率乘以波长来表示。

电磁波的传播速度是3×108m/s，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s (20℃时)。

在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。

正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。

2．反射
要探测某个物体是否存在，超声波就能够在该物体上得到反射。

由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100％的超声波，因此我们可以很容易地发现这些物体。

由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因此很难利用超声波探测到它们。

同时，由于不规则反射，通常可能很难探测到凹凸表面以及斜坡表面的物体，这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所，并且测试物体必须反射超声波。

3．温度效应
声波传播的速度“c”可以用下列公式表示。

c=331.5+0.607t (m/s) 式
中，t=温度 (℃)也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。

因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的，尤其冬季室内外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用18B20作温度补偿来减小温度变化所带来的测量误差，考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要是用于测距功能，对测量精度要求不高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。

4. 衰减
传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。

如图8所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。

图8 声压在不同距离下的衰减特性
5．声压特性
声压级 (S.P.L.) 是表示音量的单位，利用下列公式予以表示。

S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”为有效声压 (μbar)，“Pre”为参考声压 (2×10-4μbar)如图6所示为几种常用超声波传感器的声压图。