基于单片机超声波测距论文.docx

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基于单片机超声波测距论文

基于单片机超声波测距系统

摘要

本次设计介绍了基于单片机的超声波测距原理：

由STC89C52单片机控制定时器，计算超声波从发射到接收的往返时间，计算出实测的距离，并在数码管上将测得的距离显示出来，若距离低于设置的安全距离则通过蜂鸣器报警。

超声波测距传感器因其性能好、价格便宜、使用方便，在距离测量、倒车雷达壁障、车辆安全行驶辅助系统、城市交通管理，以及河道、油井和仓库料位的探测中都会有应用。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、易于计算做控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。

因此在液位、井深、管道长度的测量、移动机器人定位和避障等领域得到了广泛的应用。

因此，研究基于单片机的超声波测距很有实用性，我们以单片机最小系统为核心，结合超声波测距模块、电源电路模块，显示电路模块，声光报警电路模块等部分。

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。

相关部分附有系统框图，硬件电路图、程序流程图等。

此系统具有成本低廉、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。

关键词超声波测距倒车雷达单片机

Abstract

Thisdesignintroducestheprincipleofultrasonicdistancemeasurementbasedmicrocontroller:

theSTC89C52MCUcontroltimer,calculatethedistancefromtheultrasonicwavetransmittedtoandfromthetimeofreceivingthecalculatedmeasuredanddisplayedindigitaldistancewillbemeasured,ifdistancebelowthesafetydistancesetbythebuzzeralarm.Ultrasonicdistancesensorbecauseofitsgoodperformance,cheap,easytouse,inthedistancemeasurement,reversingradarbarrier,vehiclesafetydrivingassistancesystems,urbantrafficmanagement,aswellasrivers,wellsandstoragematerialwillhaveabitofprobingapplications.Useofultrasonictestingisoftenmorerapid,convenientandeasytocalculateacontrol,andthemeasurementaccuracycanreachthepracticalrequirementsofindustry.Therefore,thelevel,depth,measuringthelengthofthepipeline,themobilerobotlocalizationandobstacleavoidanceandotherfieldshasbeenwidelyused.

Thedesignofthesmallestsinglechipsystemasthecore,combinedwithultrasonicrangingmodule,apowercircuitmodule,displaypartofthecircuitmodule,soundandlightalarmcircuitmodule.Onthisbasis,theoveralldesignschemeofthesystem,andfinallythroughthevarioushardwareandsoftwaremodules.Accompaniedbytherelevantpartofthesystemblockdiagram,hardwareschematics,theprogramflowchart.Thissystemhasalowcost,easytocontrol,reliable,accurateranging,readableandprocessesclearadvantages.Aftertherealizationoftheworkscanbeusedtomeasurethedistanceparametersrequiredforvariousapplications.

KeywordsUltrasonicRangingReversingradarSCM

第1章绪论

1.1项目研究背景及意义

20年前倒车雷达，可以这么说，它不属于雷达（无线电波）的产品。

在类似的装置第一次出现而言，它是利用红外发射和基本获取完成的“倒车雷达”。

最大的缺点是容易受到干扰红外波，警告整个系统的语气常常表现出的混乱明不一致的状态，除了约黑暗的物体的反应也很薄弱。

但更糟糕的是发射机或接收机如何红外线，只要每一方作出的封面上冰或灰尘薄薄的一层，将会影响探测精准。

由于超声波测距影响技术是一种非接触式检测，没有光，被测物体等的颜色，比健康的其他仪器，防潮，防尘，高温，腐蚀性气体等领域的硬更耐具有维护成本低，无污染，高可靠，长寿命等特点。

距离的精度可以是在不同的环境的在线校准，直接测量的距离。

利用超声波检测往往更快速，方便，简单的计算，容易实现实时控制和测量精度可以在实际需要应用工业，近年来，为了提高停车的安全，倒车雷达以及自动刹车系统的青睐，不仅驾驶员，汽车电子产业已成为新的增长点。

在汽车电子产业在环保繁荣的中国倒车雷达已经成为一大产业，呈现出竞争激烈的情况。

从最初的功能设计简单人性化，智能化，自动刹车技术，特别是第六代新产品，极大的增强了安全性，以防止意外的发生。

因此，倒车雷达以及自动刹车系统是非常广阔的视野，研究的很有意义。

本章小结

超声波的前景非常广阔，因此，增加汽车的后视能力，在开发汽车后部停车安全方面的传感器，以检测障碍物成为近年来的热门话题。

避开障碍物，安全的前提是障碍物和汽车之间的距离快速，准确的测量。

出于这个原因，一个单片机为核心的发展，利用超声波来实现距离测量的非接触倒车雷达系统。

基于51单片机超声波倒车启动系统的硬件和软件设计该系统被引入，该系统能够精确地从车辆与障碍物的后测，实现倒车雷达。

第2章总体设计方案及论证

2.1设计要求

（1）测量范围0.02m-4m；

（2）测量精度1cm；

（3）4位数码管显示测量结果；

（4）可设置报警值，报警值可以断电保存；

（5）当小于报警值时，进行声光报警。

2.2系统基本方案选择

2.2.1单片机芯片选择方案

方案一：

使用AT89C51单片机为MCU。

AT89C51内部有8KBROM，512字节的数据存储器，EEPROM具有2K字节，与MCS-51系列完全兼容，并且可以将程序下载到串行端口。

方案二：

使用STC89C52。

布伦达8KSTC89C52单片机的ROM，256字节的数据存储空间，没有空间EEPROM也与MCS-51系列完全兼容，用网上下载的能力。

两个微控制器都能够满足设计要求，但考虑到常用性，使用方便我们选择AT89C51。

2.2.2显示模块选择方案

方案一：

使用点阵LED显示屏，数码管点阵组成的八行八个发光二极管。

但是昂贵和不方便的，从便携实用点的观点出发的，我们不使用这种方案。

方案二：

使用液晶显示屏，功能强大的液晶屏可以显示大量的文字和数字，且价格优惠可考虑使用数字液晶屏。

方案三：

使用LED数码管，LED数码管便宜，非常适合数字显示，能源消耗低，可以考虑。

2.2.3HC-SR04的选择方案

方案一：

采用分立元件，自行设计超声波电路，包括超声波的发射电路、接收电路，以及相关的放大电路和滤波电路。

方案二：

采用市面上流行的HC-SR04超声波模块。

方案比较：

方案一中，各个模块都是用分立元件搭建的，由于缺少超声波调试的仪器，做起来难度比较大，特别是后期的调试。

而采用方案二中的HC-SR04模块，该模块价格低廉，质量稳定，使用简单方便，很适合本设计的超声波测距系统，故采用方案二。

2.3电路设计最终方案决定

综上各所述,对此次设计的方案选定为：

采用AT89C51作为MCU，选用HC超声波模块，采用四位数码显示管作显示。

本章总结

本设计包括硬件和软件设计两个部分。

模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。

电路结构可划分为：

超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。

就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。

单片机应用系统也是有硬件和软件组成。

硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。

单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。

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2-1所示。

图2-1系统方框图

第3章硬件实现及单元电路设计

3.1主控制模块

主控制最小系统电路如图3-1所示。

图3-1最小系统

如图3-2所示总硬件电路设计，我们可以在此看到的设计使用该设备从上面的分析如下：

STC89C52，超声波传感器，开关，4个数字化控制，蜂鸣器和其他一些外围电路，单片机应用,D1是电源指示灯,电路中用到3个按键，一个是设定键,一个加键，一个减键。

图3-2总设计电路图

3.2电源设计

电源部分的设计提供二种供电方式：

1，采用3节5号干电池4.5V供电。

2，采用USB供电接口，方便使用。

3.3超声波测试模块

超声波模块使用现成的HC-SR04模块超声波，它提供了2个厘米-400厘米非接触距离函数检测，测距精度达到高达模块3毫米包括一种操作超声波发射器，接收器和控制电路的基本原理：

。

。

IO口TRIG触发起至少10呐信号为高电平时，模块自动发送840khz的波表和自动检测是否返回的信号，通过IO口ECHO返回的信号发出一个较高的水平，持续高从时间超声发射的回报。

测试距离=（高电平时间*声速（340米/S））图3-3后/2个物理。

凡5VVCC电源，GND为地TRIG触发控制信号输入，四个分公司的信号输出ECHO回声。

图3-3超声波模块实物图

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。

超声波的特性有：

（1）无线电波的特性

由于超声波波长，超声波射线和光同样可以反射，折射，并且可集中，并根据几何光学的所有法律。

这是当光束超声波从一定角度的物质的表面上，当不同密度的光线进入另一种物质通过的物质会产生折射的现象，这是改变其传播的方向反射的两个较大的材料的密度的差别，折射率是最大的。

（2）吸收特性

当声波传播在不同介质中，具有增加的传播距离，强度会逐渐减弱，由于介质吸收部分能量。

对于高频率的声波，吸水性强的介质相同的介质。

在气体吸收日历声波传播有一定的频率特别差，传播的液体在固体中吸收相对较弱的吸收是最小的扩散。

（3）超声波的传递特性

超声波已能广泛应用于各个工业部门，主要的原因在于相对于电力拥有更强大的声波。

为什么会出现她这么强大的力量，因为当声波进入一个媒介，由于声波使分子物质会振动，振动频率与声波频率-？

-如何，分子振动的频率决定的分子振动的速度。

该速度的最大频率。

因为除了质量相关的分子本身，这主要是通过分子的振动速度测定得到的分子振动的材料的能量的平方，因此，如果高频率声波，即一种物质的多个分子获得更多的能量。

超声波频率的声波要比正常人高得多，所以它可以使物质的分子来获得大量的能源;换句话说，超声波本身可以向材料元件提供足够的电力。

（4）超声波的电压特性

当声波进入一个目的，由于声音的振动使该物质的分子，以产生压缩作用和关于该物质的压力将改变之间很少共享。

由于声音的振动会造成额外的压力声压的现象。

3.3.2超声波探头

产生超声波并接收超声波来完成此功能的超声波传感器装置，公知的超声换能器是常见的，或者超声波探头。

压电超声波探测器主要由晶片，或发射超声波能接收超声波。

雄达低功率超声被用于检测多个方面。

它有许多不同的结构，可分为对侦查权（P波），扫描斜（剪切）波探头（S），波探测兰姆（浪羔羊），扫描双（反射探头，以一个探头）等。

核心探头超​​声是它的夹克外套塑料或金属的压电晶片。

晶片材料可以是多种类型的。

由于晶片，如直径和厚度也不同，使得每个调查的性能是不同的大小，就需要事先知道使用调查的明确的性能参数之前。

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。

人们听到的声音频率范围：

20Hz的〜20kHz的，是声学声波超出了声音低于20Hz频率的声音的范围称为低频率的声音，声音的频率在20kHz以上称为超。

超声波是一种正确的方式行，频率越高，分散性差的能力，而是反映强烈。

为了这个目的，可以使用由这种性能的超声波的超声波传感器。

另外，在超声波传播速度的空气是缓慢的，它是340米/s，这使得使用超声波传感器的变得非常容易。

我们使用超声波压电式传感器。

调查是常见的材料是一个压电陶瓷和压电晶体，以变通的压电效应的压电材料。

振动逆高频电高频机械振动的压电效应产生超声波，作为探针;利用压电效应，超声波振动波转换成电信号，获得作为探针。

为了研究和使用超声波，已经设计并制作多种超声波发生器。

在一般情况下，超声波发生器可以大致分为两类：

一类是发电超声模式，机械产生的超声波。

电力包括压电，电动式和磁致伸缩等;机械系统有QAR长笛，哨子和长笛气流旋液等。

频超声波由功率产生和声学特性会发生变化，因此，使用也各不相同。

现在最常用的压电超声波发生器。

图3-4超声波传感器结构

压电超声波发生器实际上利用压电晶体谐振器的工作。

超声波发生器内部结构，所提出，它有两个压电晶片和一个共振板。

当它被施加具有等于所述压电晶片的固有振荡频率的频率的双极脉冲信号，晶片将压电谐振驱动板的振动和谐振，超声波会产生。

另一方面，如果两个电极，当板接收超声波共振之间没有施加电压，压电晶片作为机械能的振动抑制被转换成电信号，然后将其变成超声波接收机。

如图3-4所示。

3.4超声波传感器原理

市超声波传感器，大多开放，其内部结构如图3-5所示，它包括一个柔性振动器的共同区域被固定在基座上。

复合元件是由一个谐振器和一个金属板和压电陶瓷组合物双压电晶片振子的振动。

谐振器是圆锥形的，以便有效地辐射由超声波所产生的振动，超声波是有效的振动器的中心部分。

当电压被施加到压电陶瓷，将改变机械变形电压和频率。

另一方面，压电陶瓷的当振动时，会产生电荷。

利用这个原理，当两个陶瓷压电振子或压电陶瓷和由所谓的称为双压电晶片元件的金属板，一个电信号被施加时，将通过弯曲发出的超声波振动。

与此相反，当超声波振动施加到双压电晶片元件，就会产生一电信号。

根据上述效果，它可以被用作压电陶瓷超声波传感器。

图3-5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

波的传播速度是时候表示波长频率。

电磁波的传播速度为3×108米/s，而声音在空气中的速度非常慢，大约344K/秒（20℃时）。

在这种比较低的传播速度，波长很短，这意味着你可以得到较高的距离分辨率和方向。

它是最高的这一特性，这使得它能够获得在测量精度高。

（2）反射

以检测对象的存在，超声波可以在对象上被反射。

由于金属，木材，水泥，玻璃，橡胶，造纸，能够反映超声几乎100％，所以我们可以很容易地找到这些对象。

对于布，棉，羊毛等吸收超声，它是很难使用超声他们的发现。

同时，由于不规则的反射，往往可能难以检测表面的不规则性和对象表面的斜坡，这些因素决定了环境的超声波测试是在开放的最佳位置，和客观测试应反映超声。

（3）温度影响

声波传播速度的“c”可以由以下公式来表示。

C=331.5+0.607（米/秒），其中t=温度（℃）这是一个与环境温度的变化的声音的变化速度。

因此，要准确地测量物体之间的距离，并经常检查的环境温度是非常必要的，尤其是在冬天变化的内部和外部的温度，对测量精度的超声波距离的显著影响，此时，可用于温度补偿18B20以降低温度变化引起的测量误差，考虑到对环境的试验的设计是在室内，并主要用于功能超声波测量距离的测量精度不要求为了温度对有问题的系统的影响作用在这里不做深入讨论。

（4）衰减

扩散在空气中的比例，以超声波的强度与距离的变化，这是由于从球面所得扩散损失衍射现象减少，而且还因为媒体吸收通过吸收损失产生的能量。

由于超声衰减速率的更高的频率越高，超声波传播距离较短，我们可以看到，超声波传感器的超声波的衰减特性会直接影响的有效距离。

（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。

图9超声波传感器的声压图

（6）灵敏度特性

灵敏度是表示声音接收级的单位，使用下列公式予以表示。

灵敏度=20logE/P（dB）式中,“E”为所产生的电压（Vrms），“P”为输入声压（μbar）。

超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围，如图7所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图，从图中可以发现40KHz时传感器的声压级最高，也就是说40KHz时所对应的灵敏度最高。

图10超声波传感器灵敏度示意图

（7）辐射特性

把超声波传感器安装在台面上。

然后，测量角度与声压（灵敏度）之间的关系。

为了准确地表达辐射，与前部相对比，声压（灵敏度）级衰减6dB的角度被称为半衰减角度，用θ1/2表示。

超声波设备的外表面尺寸较小易于获得精确的辐射角度。

如图11所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。

图11超声波传感器辐射特性示意图

分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度。

3.5测距分析

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。

最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。

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面的距离s，即：

（3-1）s=340t/2。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。

在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。

如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。

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基本原理。

如图3-6所示：

超声波发射障碍物

S

H

θ

超声波接收

图3-6超声波的测距原理

（3-2）

式中:

L---两探头之间中心距离的一半.

又知道超声波传播的距离为:

（3-3）

式中:

v—超声波在介质中的传播速度;

t—超声波从发射到接收所需要的时间.

将（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：

（3-4）

其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数（例如在温度T=30度时,V=349m/s）;当需要测量的距离H远远大于L时,则（3—4）变为:

（3-5）

所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.

3.6时钟电路的设计

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。

如图3-7所示为时钟电路。

图3-7时钟电路图

3.7复位电路的设计

复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。

例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us。

本设计采用的是自动复位电路。

如图3-8示为复位电路。

图3-8复位电路图

3.8声音报警电路的设计

如下图所示，用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的P13引脚上，构成声音报警电路，如图3-9示为声音报警电路。

图3-9声音报警电路图

3.9显示模块

显示模块采用数码管显示接口电路如图3-10

图3-10数码管电路

3.10单片机最小系统电路

3.10.1单片机介绍

（1）概述

STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片