51单片机超声波.docx
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51单片机超声波
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题目：
超声波测距仪的设计
系（部）：
计算机与电子系
专业班：
电子科学与技术
姓名：
***
学号：
指导教师：
***
2007年4月20日
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毕业设计（论文）开题报告
姓名***专业班电子科学与技术0304班系别计算机与电子系
指导教师***同组姓名无
课题名称超声波测距仪的设计
设计的目的与意义
设计的目的
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。
但就目前
技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，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。
展望未来，超声波测距仪作为一种
新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定
位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：
研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；
继续发展采用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；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大
力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。
无庸置疑，未来的超声波测距仪
将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。
随着测距
仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到
具有创造力。
在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
设计的意义
随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系
统也有较大发展，其状况不断改善。
但是，由于历史原因合成时间住的许多不可
预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。
因此，经常
出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。
城市污水给人们带来了
困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非
常重要。
而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱
涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核
心部分就是超声波测距仪的研制。
因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要
了。
这就是我设计超声波测距仪的意义。
设计一超声波测距仪，任务：
（1）了解超声波测距原理。
（2）根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。
设计一超声波测距仪，要求：
（1）设计出超声波测距仪的硬件结构电路。
（2）对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，
从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。
（3）对设计的电路进行分析。
（4）以数字的形式显示测量距离。
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设计思路
1超声波测距原理
（）
发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反
射返回，由接收器接收，其往返时间为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，下表列出了几种不同温度下
的声速。
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。
超声波波速与温度的关系表
温度（℃）-30-20-100102030100
声速（m／s）313319325323338344349386
（2）超声波测距仪原理框图如下图所示
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，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机
中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。
锁相环
超声波接收器放大电路
检波电路
单片机
定时器
控制显示器
超声波发射器放大电路
设计的进程安排
第一阶段：
（12~16周）审题，查阅相关资料完成开题报告
第二阶段：
（17~22周）依据相关的资料进行毕业设计
第三阶段：
（1~3周）写毕业设计报告
第四阶段：
（4~5周）论文格式审查
第五阶段：
（6~7周）论文答辩
指导教师同组设计
（签字）者（签字）
教研室主任
（签字）二Ｏ年月日
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超声波测距仪的设计
ThedesignofaSilentWave
MeasureDistance
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摘要
随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统
也有较大发展，其状况不断改善。
但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见
因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。
因此，经常出现开
挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。
城市污水给人们带来了困扰，因
此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。
而
设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污
疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核心部分就是超声
波测距仪的研制。
因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。
本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、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法。
整个电路采用模块化设计，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。
经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系
统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置
监控。
关键词：
AT89c51;超声波；测距
I
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Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theimprovementofpeople's
standardofliving,speedingupthedevelopmentandconstructionofthecity.urban
drainagesystemhavegreatlydevelopedtheirsituationisconstantlyimproving.However,
duetohistoricalreasonsmanyunpredictablefactorsinthesynthesisofhertime,thecity
drainagesystem.Inparticulardrainagesystemoftenlagsbehindurbanconstruction.
Therefore,thereareoftengoodbuildingexcavationhasbeenbuildingfacilitiestoupgrade
thedrainagesystemphenomenon.Itbroughttothecitysewage,anditiscleartothecity
sewageanddrainageculvertinthesewagetreatmentsystem.comfortisveryimportantto
people'slives.Mobilerobotsdesignedtoclearthedrainageculvertandtheautomatic
controlsystemFreesewageculvertclearguaranteerobot,therobotisdesignedtoclearthe
culvertsewagetothecore.ControlSystemisthecorecomponentofthedevelopmentof
ultrasonicrangefinder.Therefore,itisveryimportanttodesignagoodultrasonicrange
finder.
AtthecoreofthedesignusingAT89C51low-cost,highaccuracy,Microfigures
showthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modular
designofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceive
subroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobe
signalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverall
systemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.
Theresearchhasledtothediscoverythatthesoftwareandhardwaredesigningis
justified,theanti-disturbancecompetenceispowerfulandthereal-timecapabilityis
satisfactoryandbyextensionandupgrade,thissystemcanresolvetheproblemofthecar
availably,buildingconstructionthepositionoftheworkplaceandsomeindustriesspot
supervision.
Keywords:
AT89S52;SilentWave；MeasureDistance
II
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摘要···························································I
Abstract··························································II
绪论···························································1
I.1课题设计的目的及其意义·································1
I.2超声波测距仪的设计思路·································1
I.3课题设计的任务和要求···································2
1课题的方案设计与论证···········································3
1.1系统整体方案的设计·····································3
1.2系统整体方案的论证·····································3
2系统的硬件结构设计·············································4
2.1单片机的功能特点及测距原理·····························4
2.2超声波发射电路·········································6
2.3超声波检测接收电路·····································7
2.4超声波测距系统的硬件电路设计···························7
3系统软件的设计·················································9
3.1超声波测距仪的算法设计·································9
3.2主程序流程图···········································10
3.3超声波发生子程序与超声波接受中断程序···················11
3.4系统的软硬件的调试·····································12
总结····························································13
致谢····························································15
参考文献··························································16
附录一超声波测距电路原理图··································18
附录二超声波测距电路版图····································19
附录三程序清单··············································20
III
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绪论
Ⅰ.1课题设计目的及意义
Ⅰ.1.1设计的目的
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。
但就目
前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，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。
展望未来，超声波测距仪作为一种新
型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高
精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：
研制具
有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发
展采用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；研制
更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇
自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。
无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智
能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。
随着测距仪的技术进步，
测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
在新
的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
Ⅰ.1.2设计的意义
随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统
也有较大发展，其状况不断改善。
但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见
因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。
因此，经常出现开
挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。
城市污水给人们带来了困扰，因
此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。
而
设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污
疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核心部分就是超声
波测距仪的研制。
因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。
这就是我设计
超声波测距仪的意义。
Ⅰ.2超声波测距仪的设计思路
Ⅰ.2.1超声波测距原理[1，2]
1
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发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，
由接收器接收，其往返时间为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，下表列出了几种不同温度下的声速。
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。
表1-1超声波波速与温度的关系表
温度（℃）-30-20-100102030100
声速（m／s）313319325323338344349386
Ⅰ.2.2超声波测距仪原理框图如下图
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，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中
断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。
锁相环
超声波接收器放大电路
检波电路
单片机
定时器
控制显示器
超声波发射器放大电路
图1-1超声波测距仪原理框图
Ⅰ.3课题设计的任务和要求
设计一超声波测距仪，任务：
（1）.了解超声波测距原理。
（2）.根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。
设计一超声波测距仪，要求：
（1）.设计出超声波测距仪的硬件结构电路。
（2）.对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而
实现利用超声波方法测量物体间的距离。
（3）.对设计的电路进行分析。
（4）.以数字的形式显示测量距离。
2
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1课程的方案设计与论证
1.1系统整体方案的设计
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。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，
并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。
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、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。
根据设计要求并
综合各方面因素，本文采用AT89C51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数
字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。
1.2系统整体方案的论证
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。
实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，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。
此次设计采用反射波方式。
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。
3
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2系统的硬件结构设计
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波
检测接收电路三部分。
单片机采用AT89C51或其兼容系列。
采用12MHz高精度的
晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P1.0端口输出超声波换能
器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP
三极管8550驱动。
2.151系列单片机的功能特点及测距原理[3~6]
2.1.151系列单片机的功能特点
5l系列单片机中典型芯片（AT89C51）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内
部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8b
的工／O端I：
IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。
特别是该系列单
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广
泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
该系列单片
机引脚与封装如图2-1所示。
4
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5l系列单片机提供以下功能：
4kB存储器；256BRAM；32条工
升级会员 