基于单片机的超声波测距系统的研究与设计包括开题报告.docx
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基于单片机的超声波测距系统的研究与设计包括开题报告
毕业设计
基于单片机的超声波测距系统的研究与设计
ResearchandDesignofUltrasonic
WaveBasedonSingle-Chip
2020届电气工程系
专业电气工程及其自动化
学号
学生姓名
指导教师
完成日期2020年6月1日
毕业设计成绩单
学生姓名
班级
专业
电气工程及其自动化
毕业设计
题目
基于单片机的超声波测距系统研究与设计
指导教师
姓名
指导教师职称
讲师
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得得分
答辩小组组长
得分
成绩：
系主任签字：
2010年6月9日
毕业设计任务书
题 目
基于单片机的超声波测距系统研究与设计
学生姓名
学号
班级
专业
电气工程及其自动化
承担指导任务单位
电气工程系
导师
姓名
导师
职称
讲师
一、设计内容
基于单片机的超声波测距系统研究与设计
二、基本要求
超声波测距系统包括超声波发射电路、回波接收电路和数据采集系统以及温度补偿电路。
独立完成本课题硬件设计、调试；软件的设计、调试。
给出设计完整电路图，完成毕业设计说明书。
三、研究方法
基于单片机89C51的超声波测距系统。
利用单片机控制超声波的发射与接收，并且通过单片机记录和读取发射超声波和接收到回波的时间差，由于超声波速度受温度影响比较大，采用DS1820测量环境温度，再对超声波速度进行修正，进而计算出测量距离。
超声波测距系统包括超声波发射电路、回波接收电路和数据采集系统以及温度补偿电路。
四、参考文献
高鹏等，PROTEL99入门与提高，北京，人民邮政电出版社
张毅刚，MCS-51单片机应用设计，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社
徐爱均，单片机高级语言C51应用程序设计，北京，电子工业出版社
五、进度计划
1周调研、收集资料
2周分析、确定方案
8周设计、计算、绘图
2周撰写设计说明书
教研室主任签字
时 间
2010年3月2日
毕业设计开题报告
题 目
基于单片机的超声波测距系统的研究与设计
学生姓名
学号
班级
方
专业
电气工程及其自动化
一、研究背景：
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。
常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
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。
超声波技术以广泛的应用于工农业生产，通信，医疗以及家用电器等领域。
二、国内外研究现状：
国内超声波测距仪技术落后，产品功能低端。
国外超声波测距仪产品型号齐全，质量好，性能比较稳定。
三、研究方案：
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t,然后求出距S=Ct/2，式中的C为超声波波速。
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
这就是超声波测距仪的机理，单片机（AT89C51）发出短暂的40kHz信号,经放大后通过超声波换能器输出;反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入,锁相环对此信号锁定,产生锁定信号启动单片机中断程序,得出时间t,再由系统软件对其进行计算、判别后,相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。
四、预期结果：
单片机（AT89C51）发出短暂的40kHz信号,经放大后通过超声波换能器输出;反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入,锁相环对此信号锁定,产生锁定信号启动单片机中断程序,得出时间t,再由系统软件对其进行计算、判别后,相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。
指导教师签字
时间
2010年3月19日
摘要
随着科学技术的快速进展，超声波将在传感器中的应用愈来愈广。
但就目前技术水平来讲，人们能够具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃进展而又有无穷前景的技术及产业领域。
展望以后，超声波传感器作为一种新型的超级重要有效的工具在各方面都将有专门大的进展空间，它将朝着加倍高定位高精度的方向进展，以知足日趋进展的社会需求，如声纳的进展趋势大体为：
研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以知足水中武器实施全隐蔽解决的需要；继续进展采纳低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别.无庸置疑，以后的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。
随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判定功能进展到具有学习功能，最终进展到具有制造力。
在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。
本设计采纳以AT89C51单片机为核心的低本钱、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方式。
整个电路采纳模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。
各探头的信号经单片机综合分析处置，实现超声波测距仪的各类功能。
在此基础上设计了系统的整体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块，LED显示。
相关部份附有硬件电路图、程序流程图。
关键词：
AT89C51超声波测距
Abstract
Theultrasonicrangingapplicationisextremelywidespread.Afterthefeasibilityandreliabilityhasbeenanalysised,thestructuredesigntechniquewasestablished.ThisarticleintroducesanultrasonicdistancemeasurementbasedontheAT89C51single-chipcomputer,thesystemaccordingtoultrasoundintheairreflectionprinciplesofthedissemination.Anditusestheultrasoundsensorasinterfacecomponentsfortheapplicationofthedistancemeasurebasedbysingle-chipcomputertechnologyandthemarginoftimethatultrasoundtransmitinair,therebythesystemsofdesignofultrasonictestcomesintobeing.Thesystemprimarilycomposedbythefourmodules:
thecontrollermodule,ultrasoniclaunchmodule,ultrasoundreceivingmoduleanddisplaymodular.
TheI/Oportsofthe51single-chipcomputerwereusedtocausetheultrasonictransducertosendoutthe40kHzultrasonicwave.Thereflectedsignalenterthe51aftertheenlargementandfeedbackcircuit,andthesystemwillcompletetherangefinderbydebuggingthecorrespondingdistance.Thisdesigncanrealize2metersinrangefinders,withthe10centimetersblindspot,ThesystemhavetheLEDdemonstration.
KeyWords:
AT89C51UltrasonicDistancemeasure
第1章绪论
课题背景目的及重要意义
随着科学技术的快速进展，超声波将在传感器中的应用愈来愈广。
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，在人们能够想象的所有领域中，它几乎无所不在[M]。
传感器是世界各国进展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的一起尽力下，传感器技术取得了飞速的进展和进步。
但就目前技术水平来讲，人们能够具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃进展而又有无穷前景的技术及产业领域。
超声波测距与其它非接触式的检测方式方式相较，如电磁的或光学的方式它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等阻碍。
超声波关于被测物体处于黑暗，有尘埃，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有必然的适应能力。
因此在液位测量，机械手操纵，车辆自动导航，物体识别等方面有普遍应用。
专门是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包括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，因此其准确度也较其它方式高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处置靠得住等特点。
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。
因此超声波常经常使用于距离的测量，可解决超长度的测量。
超声波作为一种特殊的声波，一样具有声波传输的大体物理特性，反射，折射，干与，衍射，散射。
与物理紧密联系，应用灵活。
而且更适合与高温，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、电磁波和粉尘等外界因素的干扰的优势，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。
而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关[J]。
超声波的这些独特优势愈来愈受到人们的重视。
在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用课程设计目的是单片机原理与接口技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。
通过单片机原理与接口技术的课程设计,使学生初步把握设计的大体方式。
培育学生分析问题和解决问题的能力；培育学生应用运算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。
国内外研究现状
目前国内的超声波测距仪技术掉队产品功能低端，专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
通过度析超声波测距误差产生的缘故，提高测量时刻差到微秒级，和用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，咱们设计的高精度测距仪超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
国外超声波测距仪技术领先，产品齐全，性能比较稳固，市场需求量大，测量精度高，测量误差小。
论文研究思路及创新点
要紧思路
利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力里的生物作为防御及捕捉猎物生存的手腕，也确实是由生物体发射不被人们听到的超声波（20KHz以上的机械波），借助媒质传播由被捕捉的猎物或障碍物反射回来的时刻距离长短与被反射的超声波的强弱判定猎物性质或障碍位置的方式。
由于超声波的速度相关于光速要小的多，其传播时刻就比较容易检测，而且易于定向发射，方向性好，强度好操纵，因这人类采纳仿真技术利用超声波测距。
超声波测距是一种利用声波特性，电子计数，光电开关相结合来实现非接触式距离的测量方式。
它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量，进程检测，机械人检测和定位，和流体液面高度测量等。
超声波是指频率高于20KHz的机械波。
为了以超声波作为检测手腕，必需产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就超声波传感器，适应上称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波彼此转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，那么将超声振动转换成电信号。
超声波测距的工作方式利用超声波测距的工作,就能够够依照测量发射波与反射波之间的时刻距离,从而达到测量距离的作用。
其要紧有三种测距方式:
（1）相位检测法,相位检测法尽管精度高,但检测范围有限;
（2）声波幅值检测法,声波幅值检测法易受反射波的阻碍;
（3）渡越时刻检测法,渡越时刻检测法的工作方式简单,直观,在硬件操纵和软件设计上都超级容易实现。
其原理为:
发射传感器发射超声波,经气体介质传播到接收传感器的时刻,那个时刻确实是渡越时刻。
本设计的超声波测距确实是利用了渡越时刻TOF（timeofflight）检测法。
第一测出超声波从发射到碰到障碍物返回所经历的时刻，再乘以超声波的速度就取得二倍的声源于障碍物之间的距离。
测量距离的方式有很多种，短距离的能够用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为米/秒（由于超声波速度受温度阻碍比较大，必需采纳DS1820测量环境温度，再对超声波速度进行修正，进而计算出测量距离），由单片机AT89C51负责计时，单片机利用晶振，因此此系统的测量精度在理论上能够达到毫米级。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因此超声波能够用于距离的测量。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处置也比较简单，而且在测量精度方面也能达到要求。
超声波发生器能够分为两大类：
一类是电气方式产生超声波，一类利用机械方式产生超声波。
本文属于近距离测量，能够采纳经常使用的压电式超声波换能器来实现。
要紧创新点
本设计采纳以AT89C51单片机为核心的低本钱、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方式。
整个电路采纳模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。
各探头的信号经单片机综合分析处置，实现超声波测距仪的各类功能。
在此基础上设计了系统的整体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
相关部份附有硬件电路图、程序流程图。
本章小结
本章要紧介绍了超声波测距仪的国内外研究现状，研究该课题的意义及作用。
第2章要紧介绍了该课题的研究方式和课题的任务。
第3章要紧介绍了该课题的设计方案硬件的设计和硬件电路图。
第4章要紧介绍了软件的设计和软件程序。
第5章要紧介绍了误差分析和计算。
第2章课题的方案设计与任务
超声波测距仪的原理
单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时刻t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。
要紧由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份组成。
发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在抵达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其来回时刻为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。
由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，在利历时，若是温度转变不大，那么能够为声速是大体不变的。
若是测距精度要求很高，那么应通过温度补偿的方式加以校正。
其系统框图如图2-1所示:
图2-1超声波测距系统框图
课题设计的任务和要求
采纳40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。
可采纳发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一路，通过反射测量距离。
设计任务：
1.了解超声波测距仪的原理。
2.依照超声波测距原理，设计超声波测距仪的硬件结构电路。
设计要求：
1.把握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方式。
2.独立设计原理图及相应的硬件电路。
3.设计说明书格式标准，层次合理，重点突出。
并附上详细的原理图。
4．LED数码管显示测量距离，精准到小数点后一名（单位：
cm）。
5．测量方式可通过硬件开关预置。
测量范围：
20cm～1000cm，误差5cm。
本章小结
超声波测距的原理是利用超声波的发射和同意，依照超声波传播的时刻来计算出传播距离。
有效的测距方式有两种，一种是在被测距离的两头，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。
这次设计采纳反射波方式。
测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。
超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。
第3章系统的硬件结构设计
系统的硬件设计
本次设计要紧由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份组成。
单片机部份采纳AT89C51作为主操纵器；显示电路采纳的是动态驱动形式的LED数码显示器；超声波的发射电路用的是由压电式超声波转换器，发送器传感器由发送器与利用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射；超声波检波接收电路采纳的是由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。
单片机的功能特点
AT89C51单片机
单片机AT89C51采纳40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由一个8位的80C51微处置器，4KB的程序存储器FlashROM，256字节的RAM，2个16字节的按时/计数器TO和T1，4个8位的I/O端口：
P0，P1，P2，P3，一个全双工UART串行通信口等组成。
专门是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），使其在实际中有着十分普遍的用途，在便携式、省电及特殊信息保留的仪器和系统中更为有效。
单片机AT89C51提供以下功能：
4KB存储器；256字节RAM；32条I/O线；2个16字节按时/计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口和时钟电路。
空闲方式：
CPU停止工作，而让RAM、按时/计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式：
保留RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。
单片机AT89C51为许多操纵提供了高度灵活和低本钱的解决方法。
充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情形下组成功能完善的超声波测距系统。
AT89C51单片机封装图如下：
图3-1AT89C51单片机封装图
AT89C51要紧特性
与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器（寿命100写/擦循环，数据保留10年）；全静态工作：
0~24KHz；三级程序存储器锁定；128×8位内部RAM；32位可编程I/O线；两个16位按时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的限制和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。
管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写时，被概念为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据贮存器，它能够被概念为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，现在P0外部必需被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能同意输出4TTL门电路流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外手下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲区可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当由于外部程序贮存器或16位地址外部数据存储器进行存取时了，P2口输出地值的高八位。
再给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄放器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和操纵信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外手下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
RXD（串行输入口）
TXD（串行输入口）
（外部中断0）
/INT1（外部中断1）
T0（计时器0外部输入）
T1（计时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）
/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程娇艳同意一些操纵信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要维持RST脚两个机械周期的高电平常刻。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存许诺的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入变成脉冲。
在平常，ALE端以不变的频率周期正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它能够用作对外部输出的脉冲或用于按时目的。
但是要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
若是禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
现在，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
若是微处置器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序贮存器的选通信号。
在有外部程序存储器取值间，每一个机械周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不显现。
/EA/VPP：
当/EA维持低电平常，那么在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）不管是不是有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET：
当/EA端维持高电平常，其间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向震荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
超声波发射和接收电路
超声波传感器的要紧性能指标包括：
（1）工作频率。
工作频率确实是压电晶片的共振频率。
当加到它两头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样比较高，专门时诊断用超声波探头利用功率较小，因此工作温度比较低，能够长时刻地工作而不失效。
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。
要紧取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
系统的特点是利用单片机操纵超声波的发射和对超声波自发射至接收来回时刻的计时。
本超声波测距系统以AT89C51为中央处置器，系统上电工作后，由脉
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