基于单片机控制超声波测距仪毕业设计.docx

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基于单片机控制超声波测距仪毕业设计

摘要

在空气介质中，超声测距传感器因其性能好，价格低廉、使用方便，在现场机器人定位系统、车辆自动导航、车辆安全行驶辅助系统、城市交通管理和高速公路管理监测系统，以及河道、油井和仓库及料位的探测中都有应用。

由于超声波传播不易受干扰，能量消耗缓慢，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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器及其收发电路，对于超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。

本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：

由AT89C51控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。

并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，用四位LED数码管切换显示距离和温度。

整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。

各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。

在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。

此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。

实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。

关键词：

AT89C51；超声波；测距；电路

Abstract

Thefeaturesofthegoodperformance,lowcost，easyuseareinearnatedintheultrasonicdistancemeasurementsensor.Theultrasonicdistancemeasurementsensorisusuallyusedatthescenerobotpositioningsystem，automaticvehiclenavigation，thesafetyofvehiclestravelingsupportsystem，theurantrafficmanagementandthehighwaymanagementmonitoringsystem，aswellasthedetectinrivers，oilwells，storagesandmaterials.Theultrasonicwavetransmssionisnoteasytodisturb，itsenergyconsumptionisslowlyanditcanbetransmitteddistantlyinthemedium，soitisfrequentlyusedinultrasonicdistancemeasurement.Forexample，therangefinderandthemateriallevelfindercanbeaehievedbyultrasonicwave.Therefore，thein-depthstudyofthegenerationandtransmissionlawofultrasonicandthedevelopmentofhigh-performanceultrasonicsensorandtransmitandreceivecircuitsisofgreatpracticalsignificanceinthedevelopmentofultrasonicdetectiontechnology.

ThedesignintroducestheprincipleoftheultrasonicdistancemeasurementinstrumentbasedonSCMC-controlled:

AT89C51controlstimerstoproducetheultrasonicwavepulseandtime,countthetimeofultrasonicwavespontaneousemissiontoreceiveround-trip,thusobtainsthemeasureddistance.Andthetemperaturecompensationadjustmentisusedinthedataprocessing,withfourLEDnixietubesdisplaydistanceortemperaturebyswitching.

Theentirehardwarecircuitiscomposedbyultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivercircuit,thepowercircuit,displaycircuit,andothermodules.TheprobesignalsareintegratedanalysisedbySCMCtoachievethevariousfunctionsofultrasonicdistancemeasurementinstrument.Basedonthishasdesignedsystem'soverallconcept,finaladoptionofhardwareandsoftwaretoachievethevariousfunctionalmodules.Therelevantpartshavethehardwareschematicsandprocessflowchart.Ithasgiventhesystemconstitution,thecircuitryandtheprogramming.Theinstrumentsystemhasfeatures:

easeofcontrol,stabilityofoperation,highnessofprecisionanddistinctnessofprogrammeprocess,etc.Aftertherealizationoftheworkscanbeusedforneedsofthevariousparametersmeasureddistanceapplications.

Keywords:

AT89C51;Ultrasonicwave;Measuredistance;circuit

1绪论

1.1课题研究的背景

利用超声波测量已知标准位置与目标物体表面之间距离的方法叫做超声波测距法。

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。

从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70年代末期开始广泛应用于生产领域。

近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波精确测量已成可能。

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。

随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。

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。

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，因而超声波经常用于距离的测量，如超声波测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。

超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

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。

1.2课题的提出及研究意义

1.2.1课题的提出

测距的原理和方法有很多，根据其信息载体的不同可归纳为光学方法、无线电方法和超声波方法。

前两者在某些地方有局限性，相比之下，超声波方法具有突出的优点，首先，超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体）;其次，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;最后，超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

因此超声波作为非接触测量手段，己越来越引起人们的重视。

本课题设计为基于超声波的测距。

1.2.2课题的研究意义

超声波测距是一种极有潜力的方法，近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。

超声测量另一个突出优点是:

环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛。

更重要的是超声波检测降低了劳动强度，避免工人在恶劣工作环境下（高、低温，高、低压，强辐射，有毒气、液体环境等）受到伤害，还大大提高了测量精度，可靠性高;另外，超声波测距还可以应用到其他的功能系统中，例如在机器人避障系统、移动机器人避障的超声测距系统、智能机器人管家和简易智能电动车自动避障系统、车载系统、自动泊车系统、自动刹车系统和倒车雷达系统中，超声波测距也有其重要的应用。

目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。

而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。

以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。

尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。

所以，8051是双CPU的单片机。

位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。

2超声波的介绍及超声波测距的原理

2.1超声波的介绍

2.1.1什么是超声波

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在2∽5兆Hz之间，常用为3∽3.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20，000HZ之间）。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。

但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。

与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：

传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。

功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。

声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。

在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。

由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。

空化作用──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。

这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。

微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。

这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

频率高于2×10千赫兹的声波。

研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。

产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。

2.1.2超声波的特性及特点

超声波的特性

　　1超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

　　2超声波可传递很强的能量。

　　3超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

　　4超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

　　超声波是声波大家族中的一员。

　　声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。

超声波的特点

　　1超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

　　2超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

　　3超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构。

2.1.3超声波的应用

超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。

包括超声波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。

超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。

超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。

超声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。

大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。

应用在医学中的超声波诊断发展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与X线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。

在农业中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于种子发芽和作物增产。

此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。

微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：

液位、井深、管道长度等场合。

在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人失却系统设计的精确于否。

超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用用作测距传感器，实现定位以及环境建模。

超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统（如CCD图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。

日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，包括毫米雷达、CCD摄像机、GPS、和高档微机等。

2.2超声波测距的原理及误差分析

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。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，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：

s=340t/2。

这就是所谓的时间差测距法。

2.2.1超声波测距的原理

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：

L=C×T　　

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

2.2.2超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

1）时间误差　　

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

2）超声波传播速度误差　　

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。

已知超声波速度与温度的关系如下：

式中：

r—气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，　　

R—气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，　　

M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，　　

T—绝对温度，273K+T℃。

近似公式为：

C=C0+0.607×T℃　　

式中：

C0为零度时的声波速度332m/s；　　

T为实际温度（℃）。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

超声波发生器可以分为两类：

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、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。

目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。

2.3单片机实现测距的原理

单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。

由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

3系统硬件设计

3.1系统结构设计

整体电路的控制核心为单片机AT89C51。

超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。

超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。

另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。

整体结构图包括超声波发射电路、超声波接收电路、放大电路、比较震荡电路、单片机电路、键盘输入电路、电源电路、复位电路、显示电路、温度测量电路及温度补偿电路等几部分模块组成。

超声波测距系统结构图如图3-1所示；

图3-1超声波测距系统结构图

单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用比较电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，用温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。

再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。

用复位电路重置系统后可进行下一次测试。

3.2AT89C51单片机简介

3.2.1AT89C51单片机的功能

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

该系列单片机引脚如图3.2所示。

图3.2AT89C51单片机

3.2.2AT89C51单片机主要特性

与MCS-51兼容

4K字节可编程FLASH存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

全静态工作：

0Hz-24MHz

三级程序存储器锁定

128×8位内部RAM

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5个中断源

可编程串行通道

低功耗的闲置和掉电模式

片内振