超声波测距毕业论文

基于单片机的超声波测距系统设计

摘要:本设计是以单片机技术为基础，实现对前方物体距离的测量。根据超声波指向性强,能量消耗慢,在介质中传播距离远的特点,利用超生波传感器对前方物体进行感应，经过单片机中的程序对超声波传感器发射和接收的超声波信号进行分析和计算处理，最后将处理结果在LCD1602上显示。STC89C52单片机的超声波测距系统,此系统根据超声波在空气中传播反射原理,把超声波传感器作为接口部件,利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离,设计了一套超声波检测系统。该系统设计主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个基本模块构成，用接收部分接收超声波。本设计利用两个中断，在发射信号时，打开定时器中断0和外部中断0使定时器计时，接收到发射超声波信号时，外部中断0关闭中断，这时定时器中断0计录的时间就为超声波传播经过测距仪到前方物体的来回时间。利用公式S=T×V／2（V为超生波传播速度，本设计设定值340m/s）,经过单片机处理得到距离值S并且通过LCD1602显示出来。

关键词：单片机STC89C52，HC-SR04超声波传感器，LCD1602

目录

第一章绪论

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。它也有自已的特性，如它的频率可以非常高，达到兆赫级，因此，它在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内，具有良好的成束性，也就是方向性好。

1.有关于超声波的简单介绍

1.1课题研究背景

超声波[1]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。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。

1.2课题研究意义

由于超声测距是一种非接触[2]检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境有一定的适应能力。具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高料位测量、车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机

器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。

1.3国内外相关研究情况

10 m固体和液体的测量，一般测量精度

国内的超声波测[3]量主要集中在对0

~

高，回波稳定[4]。近年来随着超声波技术研究的不断深入已广泛应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。

国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内的一些学者也作了大量相关的研究。

南昌航空工业学院的江泽涛[5]在《温度对液体中超声波速度的影响》一文中，洋细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度同液体压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系，进而研究了温度对声速及声时的影响，用实验测量了不同的液体成分下的声时同温度的关系。

Figneroa J．F．，Lamancusa J．S．[6]在《A method for accurate detection of time of arrival：AnalysiS and design of ultrasonic ranging system}一文中，提出一种新的计时方法，该方法的原理是回波时延由峰值时延和相位时延相加而得，分别用不同的检测方法得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波的传播时间。

2.课题设计的任务和要求

主要内容根据所学知识，设计一个基于单片机的超声波测距系统。

（1）硬件设计：选择单片机型号和超声波模块，设计主要的电路模块，主要包括：单片机最小系统、键盘接口模块、超声波接口电路模块和显示模块；

（2）软件设计：使用Keil C51设计系统软件，并完成联机调试，软件设计的主要模块有：系统初始化、键盘扫描、超声波测距和测量结果显示。

（3）需要实现的技术指标：探测距离：2cm-450cm

精度：可达10mm

第二章超声波测距原理

1.研究方案及选择

1.1方案一：基于ARM[7]的超声波测距系统设计

以S3C2410为核心，通过对其进行软件编程，实现该芯片对其外围电路的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去[8]。频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，发射的超声波被调制成40kHz左右，具有一定间隔调制脉冲波信号。测距系统结构如图2.1所示。系统由测距系统、控制和显示部分组成。

图2.1基于ARM的超声波测距系统框图

1.2方案二：采用CPLD来控制的超声波测距仪

采用CPLD来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）编写程序使用M AX+plus II软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84 -15的CPLD器件，其最高频率可达175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。充分利用了其多达128个宏单元、68pin可编程I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测距结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPRO M，那么设计的成本较高。同时在FPGA中还要用硬件描述语言(VHDL语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。