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超声波测距仪实时显示声光报警
摘要
机器人通过其感知系统觉察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，将它与红外传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。
本文介绍了基于STC89C51的超声波测距系统，阐述了超声波测距系统的硬件设计、软件设计及其工作原理。
该设计主要由单片机控制模块、数码管显示模块、DS18B20温度补偿模块以及声光报警模块等构成。
利用超声波的反射原理，计算超声波在空气中的传播时间的一半再乘以经过温度补偿修正后的速度就可以得出障碍物到传感器之间的距离，并在数码管显示出来。
同时，该系统在测量距离小于10cm时能进行声光报警。
该系统具有硬件电路简单、成本低、工作可靠、功耗低、体积小、误差小、有良好的测量精度等优点。
目前，超声波清洗技术、雷达技术等在医学、军事上占据着重要地位，因此研究超声波技术具有一定的研究意义。
本设计作品基本满足设计的要求，有一定的推广性，同时针对不足，如测量距离过小等，文章在最后提出了一些改进性能的可行性方案。
关键字：
单片机；传感器；超声波测距；温度补偿
Abstract
robotthroughitsperceptionsystemtodetectobstaclesthatinfrontoftheroadandthesurroundingenvironmenttoachievethedistancearoundthebarrier,autohunt,rangeandotherfunctions.UltrasonicRangingintermstootherrangingtechnologyislow-cost,highaccuracy,withoutenvironmentalconstraints,andconvenient,itwillbecombinedtogetherwithinfraredsensorsachieverobothuntaroundthebarrierfunction.
ThisarticledescribestheultrasonicrangingsystembasedonSTC89C51,whichelaborateultrasonicRangingSystemhardwaredesign,softwaredesignanditsworkingprinciple.Thedesignismainlycontrolledbythemicrocontrollermodule,LEDdisplaymodule,DS18B20temperaturecompensationmodule,aswellassoundandlightalarmmoduleconstitute.Usingtheprincipleofreflectionoftheultrasonicwave,Calculatetheultrasonicpropagationtimeintheairinhalfandthenmultipliedbythespeedafterthecorrectionofthetemperaturecompensationthatcanbedrawnbetweentheobstacletothesensordistance,Anddigitaldisplay.Secondly,thesoundandlightalarmwhenthesystemmeasuringdistancelessthan10cm.ThesystemhasanAdvantageofSimplehardwarecircuit,lowcost,reliable,lowpowerconsumption,smallsize,theerrorissmall,haveagoodmeasurementaccuracy,etc..
Atpresent,theultrasoniccleaningtechnology,radartechnologyinmedicine,themilitaryoccupiesanimportantposition,sotheresearchultrasoundtechnologyhasacertainsignificance.Thisdesignworksbasicallymeetthedesignrequirements,therearecertainpromotional,whilefordeficiencies,suchasmeasuringthedistanceistoosmall,etc.,thearticleconcludeswithanumberofimprovementsintheperformanceofthefeasibilityoftheprogram.
KeyWords:
MCU;Sensor;UltrasonicRanging;Temperaturecompensation
第一章绪论
超声波以其指向性好、穿透能力强、能量消耗缓慢、环境污染小等优点，因而超声波常用于距离测量。
利用超声波检测往往比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
其中，超声波技术首先在欧美兴起并日趋成熟，我国在超声波技术的研究上相对迟缓，但近十年在超声波上的成就也有很大的突破。
本章主要介绍超声波测距的研究背景、超声波技术在国内外的发展现状、研究目的和意义以及本章的研究内容，最后在本章末尾还介绍了本论文的章节安排。
1.1课题的研究背景
超声波是频率高于20KHZ的声波，它的方向性好，穿透能力强，容易获得较集中的声能，在水中传播的距离远，因而超声波常用于距离测量，在医学、军事、工业、农业等诸多领域中有广泛的应用。
例如：
立体超声显象、雷达、工业自动化控制、超声的空化作用等。
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。
目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本高，并且没有显示，操作使用不方便。
超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰等优点，是通过计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输时间来测量距离的，对被测目标无损害，而且超声波的传播速度在相当大范围内与频率无关。
超声波的这些独特优点逐渐受到人们的重视。
超声波传感器根据结构的不同可以分为压电式、电磁式、磁致伸缩式等，超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
超声波是指频率高于20kHz的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
在户外使用传感器的设备中，如果要求精度较高，则需要超声波技术有良好的抑制噪音的能力，能区别噪音和反射信号。
如果多个超声波传感器同时工作，则要同时兼顾计算机处理速度和防止传感器之间的干扰。
采用模式编码声呐[12]就能很好地解决这个问题。
由于超声波在空气中的传播速度受温度的影响，速度随温度的变化而变化，温度每变化一度，超声波速度变化0.6m/s，近似公式为：
C=C0+0.607×T，式中：
C0为零度时的超声波速度331.5m/s，T为实际温度（℃）：
[2]
表1.1列出了超声波在不同温度下的传播速度。
在使用过程中，如果精度要求不高，则可以认为传播速度不变。
但如果要求精度高，则需要增加温度补偿电路，以达到所需精度要求。
表1.1不同温度下超声波声速表[2]
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
速度（m/s）
313
319
325
323
338
344
349
386
一般情况下，为了适应不同温度下的工作要求，用软件进行温度补偿的公式为
C=331.5+0.607T
（1）
其中C为校正后的速度，T为当时检测的温度。
校正后的速度如表1.2所示，校正后的速度最大误差不超过5%。
表1.2补偿后声速与温度的关系[2]
温度/℃
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速/（m/s）
313
319
325
331
337
343
349
381
超声波的特点：
①超声波在不同介质中的传播速度不同；
②超声波通过两种或两种以上的介质时会产生反射和折射的现象；
③超声波在空气中的传播有较大的衰减，尤其是频率较大时衰减更大，因此在空气中传播时采用频率较低的超声波，一般采用频率为几十千赫兹的超声波，典型应用频率为40KHZ；
④超声波的频率比音频高，所以超声波不易被环境中的噪音所干扰。
本课题要求利用单片机设计一个低成本、高精度、微型化的数字显示声光报警的超声波测距仪，本文所述的超声波测距系统主要由声波发射模块，回波接收模块、基于AT89C51的控制模块、温度检测模块、报警模块以及显示模块。
具有灵活性强，可靠性高，计算简单，易于做到实时控制等优点。
1.2超声波在国内外的发展现状
从19世纪末到20世纪初，人类在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们终于解决了利用电子学技术产生超声波的方法，从此迅速推动了超声波技术的发展。
1922年，首例超声波治疗的发明专利出现在德国。
1939年发表了关于超声波治疗在临床取得效果的文献报道。
40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了有关超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展与应用奠定了基础。
在1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多关于超声波的论文发表，超声治疗进入实用成熟阶段。
国内在超声治疗领域起步比欧美晚，到20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗的工作，从1950年北京首先开始用800KHZ频率的超声治疗机治疗多种疾病，到50年代开始逐渐推广，并有了国产仪器。
公开的文献报道始见于1957年，到70年代有了各型国产超声治疗仪，超声治疗法普及到全国各大型医院。
40多年来，全国各大医院已积累了相当丰厚的资料和比较丰富的临床经验。
特别是在20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，这是结石症治疗史上的重大突破，如今已在国际范围内推广应用。
高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置，而在21世纪（HIFU）超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。
1.3研究目的和意义
超声波既是一种波动形式，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、性质及结构用作治疗。
超声波技术在医学、军事、化工等行业占据着重要的地位，研究超声波测距技术有着非常重要的意义。
目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，例如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。
在机械制造，电子冶金，航海，航空，石油化工，交通运输等工业领域也有广泛地应用。
此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。
1.4研究内容
本课题的研究对象是超声波测距仪，利用单片机来控制超声波的发射与接收，并在数码管上显示出障碍物与传感器之间的距离。
基本思想就是利用AT89C51单片机做为主控制模块，控制HC-SR04超声波发射超声波以及接收回波信号，在单片机内处理数据并通过数码管显示出来。
本设计中还利用DS18B20进行温度补偿，以减小测距误差。
系统硬件主要由电源电路、单片机主控制模块、数码管显示模块、DS18B20温度补偿模块以及声光报警模块等。
由于超声波清洗速度快、质量好、污染小，因此，超声波清洗技术正在越来越多的工业中得到应用。
除此之外，超声波金属焊接的应用、超声波美容换能器的应用、雷达等，都体现了超声波对各行业起着重要的作用。
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：
井深、液位、管道长度等场合。
目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，且没有显示，操作不方便。
本课题要求利用单片机设计一个高精度、低成本、微型化的数字显示超声波测距仪。
1.5论文结构
本文介绍了一种基于单片机系统模块为核心的超声波测距的设计与实现方案，并简要介绍了相关背景、研究内容以及应用，具体组织结构如下：
第一章：
绪论。
主要阐述课题的研究背景、研究现状以及研究目的和意义等；
第二章：
系统方案设计。
主要介绍系统的功能和总体设计方案；
第三章：
硬件设计。
主要阐述系统硬件电路的分析及实现；
第四章：
软件设计。
主要阐述系统软件编程及实施方案；
第五章：
系统测试。
主要阐述系统功能、性能测试和结果分析以及解决方案等。
第二章系统方案设计
距离测量的方法很多，但超声波测距以其非接触式、携带方便、简单易用等优点被人们广为应用。
本章主要讲述本设计的设计要求与设计方案，对以AT89C51为主控制模块的超声波测距仪进行结构分析与设计。
2.1设计要求
系统主要研究的是基于单片机的超声波测距，其主要功能要求如下：
1、能实时显示测量距离；
2、当距离小于预置值时（本设计预置值为10cm），系统指示灯闪烁且蜂鸣器报警提示；
3、测量距离误差小于1cm；
本设计扩展功能如下：
1、能进行温度补偿并显示温度值；
2、当距离大于200cm时数码管显示CCC；
3、当环境温度大于90℃时，蜂鸣器报警提示。
2.2设计方案
1设计思路
我们可以通过尺、激光测距等原理来实现距离测量，但通过尺测量速度慢，效率低；激光测距精度高速度快，但成本高。
本文章所提出的超声波测距仪实现了低成本、电路简单、使用方便、相对高的精度等优点。
超声波测距仪是通过单片机控制发射出40KHZ频率的超声波，以此同时单片机的定时器开始计时，超声波遇到障碍物反射回来由超声波接收探头接收信号并产生中断，定时器停止计时。
单片机通过温度传感器进行温度补偿校正超声波此时环境温度下的速度，由路程与速度和时间的关系计算出传感器与障碍物之间的距离。
根据设计要求，并综合考虑各种因素，本文章选择STC89C51单片机做为主控制模块，它控制40KHZ脉冲的触发和超声波从发射到接收的时间差，并显示障碍物到传感器的距离；用DS18B20进行温度补偿，校正超声波在不同温度下的传播速度；用发光二极管和蜂鸣器实现报警提示电路；用HC-SR04超声波模块实现超声波的发射与接收。
系统设计的整体框图如图2.1所示：
2系统最终方案
通过各个模块的分析和论证（详细请看第三章），决定系统各模块的最终方案如下：
1、控制模块：
采用STC89S51单片机做主控制器；
2、超声波发射接收模块：
HC-SR04超声波模块；
4、显示模块：
四位一体共阳极数码管；
5、报警模块：
蜂鸣器和发光LED；
6、温度补偿模块：
DS18B20温度传感器芯片。
数码管显示模块
DS18B20温度补偿模块
AT89C51单片机控制系统
声光报警模块
超声波发射模块
超声波接收模块
图2.1系统设计整体框图
第三章硬件设计
超声波测距仪主要由单片机控制模块、数码管显示模块、声光报警模块、DS18B20模块以及HC-SR04模块组成。
本章节主要讲述单片机各引脚功能、各模块的设计原理图或选择方案等。
3.1AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁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100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。
AT89C51主要特性
●与MCS-51兼容
●4K字节可编程闪烁存储器
●寿命：
1000写/擦循环
●数据保留时间：
10年
●全静态工作：
0Hz-24Hz
●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
●片内振荡器和时钟电路
●外形封装：
40脚PDIP
3.1.1AT89C51各引脚的含义和功能
1.电源引脚VCC和VSS
VCC（Pin40）：
电源端，正常工作电压接电源+5V，正电源接4.0~5.0V电压。
GND：
电源接地端。
图3.1AT89C51和AT89C2051的管脚图
2.XTAL1和XTAL2为外接晶振或外部振荡器引脚
XTAL1（Pin19）和XTAL2（Pin18）分别为STC89C52的片内震荡器反相放大器的输入端和输出端，同时，XTAL2也是内部时钟发生器的输入端。
当使用自激震荡方式时，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率震荡，即产生时钟信号。
3.控制信号引脚
（1）RST（Pin9）
RST为单片机内部CPU的复位信号输入端。
复位功能:
当单片机上电后，在该引脚上出现两个机器周期宽度以上的高电平，就会使单片机复位。
可在RST和VCC之间接一个10µf的电容，RST再经一个10KΩ的下拉电阻接地，就可以实现单片机上电自动复位。
（2）ALE/
（Pin30）
ALE为低八位地址锁存使能输出和编程脉冲输入端。
地址锁存使能输出ALE：
当单片机访问外部存储器时，外部存储器的16为地址信号由P0口输出低8位，P2口输出高8位；而不用外部存储器地址锁存控制信号时，该引脚仍以时钟震荡频率的1/6固定地输出正脉冲，该信号可以用于外部计数或时钟信号。
可以驱动8个LS型TTL负载。
在Flash编程时，
用于输入编程脉冲。
（3）
（Pin29）
为访问外部程序存储器读选通信号，可以驱动8个LS型TTL负载，为外部程序存储器控制信号。
当单片机访问外部程序存储器时，读指令代码，
（Pin29）脚输出两个负脉冲选通信号；在执行片内程序存储器读取指令码和读写外部数据时，不产生此信号。
CPU在访问外部程序存储器时，在每个机器周期中，
信号两次有效。
（4）
/VPP（Pin31）
为访问外部或内部程序存储器选择信号，在进行Flash编程时，提供Flash编程电压VPP。
：
当
=1时，CPU从片内程序存储器开始读取指令；如果外部还有扩展程序存储器，则CPU在执行完内部程序存储器程序后，自动转向执行外部程序存储器程序。
当
=0时，CPU仅访问片外程序存储器。
VPP：
在对8952内部EPROM编程时，此引脚应接21V编程电源。
4.并行I/0口P0~P3口引脚
（1）P0口即P0.0~P0.7（Pin39~Pin32）
P0口是一个8位漏极开路型双向I/0端口，P0口可做为通用I/O口使用。
在CPU访问片外存储器时，P0口自动做为地址/数据复用总线使用；定义为I/O端口时，需要外接上拉电阻，是准双向I/O口；在对EPROM编程时，由P0口输入指令字节，在验证程序时，P0输出指令字节（验证时应接上拉电阻）。
P0口能以吸收电流的方式驱动8个LS型TTL负载。
（2）P1口即P1.0~P1.7（Pin1~Pin8）
P1口是8位准双向的并行I/O端口，当需要某位先输入的时候，应该在输入操作前，加一条输出1的指令，然后再输入才正确。
P1口是内部具有上拉电阻的8位准双向I/O口，能驱动4个TTL负载。
对于AT89S52，P1端口的某些引脚还可以有第二功能。
P1.0引脚定时计数器2的外部事件计数输入端口，P1.1引脚用于定时计数器2的外部控制端口。
P1.5~P1.7还用于片内Flash的编程。
（3）P2口即P2.0~P2.7（Pin21~Pin28）
当P2口用做高8位地址时，控制信号用电子模拟开关MUX接通地址端，高8位地址信号便加到输出端口，从而实现9位地址的输出。
P2口做输入输出脚，为8位准双向并行的I/O口；当P2用做普通I/O口时，P2口可以驱动4个LS型TTL负载。
（4）P3口即P3.0~P3.7（Pin10~Pin17）
P3口是8位准双向并行的I/O口，一个具有第二变异功能且可位操作的端口。
当作为普通I/0端口时，P3口可以进行位操作，是准双向端口，可以驱动4个LS型TTL负载。
当系统需要扩展外部器件时，P3口可以作为第二功能使用，其各位的功能如表3.1所示。
表3.1P3端口的第二功能
I/O端口
第二功能名称
功能介绍
P3.0
RXD
串行通信数据接收端口
P3.1
TXD
串行通信数据发送端口
P3.2
外部中断0请求端口
P3.3
外部中断1请求端口
P3.4
T0
定时/计数器0外部事件计数输入端
P3.5
T1
定时/计数器1外部事件计数输入端
P3.6
外部数据存储单元写选通信号
P3.7
外部数据存储单元读选通信号
3.2系统硬件设计组成部分
系统硬件设计主要有STC89C51控制模块，显示模块，超声波发射接收模块以及声光报警模块组成。
3.2.1AT89C51单片机最小系统
单片机最小系统是单片机能够工作的最小硬件组合。
最小系统电路主要包括复位电路、电源、晶体振荡器等。
89X51单片机的最小系统如图3.2所示。
最小系统中，时钟脚XTAL1和XTAL2外接12MHZ石英晶振并通过两个22pf的电容接地，同时采用了手动加上电复位电路。
复位电路中的电容和电阻的取值根据其充放电时间常数来定。
例如图3的最小系统中的充电时间常数=10×10-6×10×103s=10ms,此时间常数足以使RST在保持为高电平的时间内完成复位操作。
P0口定义为I/O口时，需外接上拉电阻，为准双向I/O口。
3.2.2数码管显示模块
数码管显示电路由一个四位一体的共阳数码管、上拉电阻、PNP做开关组成，数码管显示电路如图3.3所示。
显示电路是通过单片机控制，将距离的百位、十位、个位的十六进制数送至P0口，经过上拉电阻送到数码管的数据输入端，并通过P2.0~P2.3控制PNP的开通与关闭。
当PNP导通时，相应的三极管控制的数码管就会工作，从而数码管就会显示障碍物到传感器的距离。
其中P2.2控制个位，P2.1控制十位，P2.0控制百位。
图3.2单片机最小系统
3.2.3超声波发射接收模块
方案一：
采用HC-SR04型超声波测距模块
HC-SR04超声波测距模块能够测量2cm-400cm距离的障碍物，具有非接触式距离感测
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