基于单片机的超声波测距仪的设计与实现.docx
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基于单片机的超声波测距仪的设计与实现
基于单片机的超声波测距仪的设计与实现
中文摘要
本设计基于单片机AT89C52，利用超声波传感器HC-SR04、LCD显示屏及蜂鸣器等元件共同实现了带温度补偿功能可报警的超声波测距仪。
我们以AT89C52作为主控芯片，通过计算超声波往返时间从而测量与前方障碍物的距离，并在LCD显示。
单片机控制超声波的发射。
然后单片机进行处理运算，把测量距离与设定的报警距离值进行比较判断，当测量距离小于设定值时，AT89C52发出指令控制蜂鸣器报警，并且AT89C52控制各部件刷新各测量值。
在不同温度下，超声波的传播速度是有差别的，所以我们通过DS18B20测温单元进行温度补偿，减小因温度变化引起的测量误差，提高测量精度。
超声波测距仪可以实现4m以内的精确测距，经验证误差小于3mm。
关键词：
超声波；测距仪；AT89C52；DS18B20；报警
DesignandRealizationofultrasonicrangefinderbased
ABSTRACT
Thedesignobjectiveistodesignandimplementmicrocontrollerbasedultrasonicrangefinder.ThemainuseofAT89C52,HC-SR04ultrasonicsensoralarmsystemcompleterangingproduction.WeAT89C52asthemainchip,bycalculatingtheround-triptimeultrasoundtomeasurethedistancetoobstaclesinfrontof,anddisplayedintheLCD.SCMultrasonictransmitter.Thenthemicrocontrollerforprocessingoperationtomeasurethedistanceandsetalarmvaluesarecomparedtojudgedistance,whenmeasureddistanceislessthanthesetvalue,AT89C52issuecommandstocontrolthebuzzeralarm,andcontroleachmemberrefreshAT89C52measuredvalues.Becauseatdifferenttemperatures,ultrasonicwavepropagationvelocityisadifference,soweDS18B20temperaturemeasurementbythetemperaturecompensationunit,reducingerrorsduetotemperaturechanges,andimprovemeasurementaccuracy.Gooddesigncanachievepreciserangeultrasonicdistancewithin4m,provenerrorislessthan3mm.
Keywords:
Ultrasonic；Location；AT89C52;DS18B20;Alarm
第一章前言
1.1课题背景及意义
1.1.1超声波特性
众所周知，振动产生声波。
通常每秒声波振动的次数被称为频率，单位是Hz。
人的听觉范围为20〜20,000Hz，即我们无法获取振动频率小于20Hz和大于20,000Hz的声波。
所以科学家把声波按照人类的听觉范围进行了分类：
振动频率大于20,000Hz的成为超声波，小于20Hz的称为次声波。
超声波是一种超越人类听力极限的声波，频率大于20KHz，是在弹性介质中的机械振荡。
超声波能够在固体、液体和气体中传播，不同的传播介质传播的速度不相同。
超声波和其他机械波一样，在传播的过程中也会因折射和反射而衰减。
超声波有以下特性：
1．波长
通常我们把波的传播速度用波长乘以频率来表示。
电磁波传播的速度非常快，高达3×108m/s，但是声波传播的速度很慢，在空气中常温常压下仅为343m/s（20℃、101KPa）。
在波传播的速度比较低的情况下，波长非常短，更容易辨识，如果用超声波来测距，也就代表着我们能够在距离和方向上获得更高的分辨率。
有了更高的分辨率，才可能使我们在测量过程中得到更高的精度。
2．反射特性
通过捕获在目标上反射的超声波，从而检测到物体的存在。
因为金属、水泥、玻璃、木材、橡胶与纸能够反射将近100%的超声波，用超声波能够很轻易地找到这些对象。
但是像布匹、棉毛等材料，它本身吸收超声波，用超声波来检测它们很困难。
同时，要想探测位于凹凸表面和斜坡表面上的物体，由于被测物的不规则使得反射波变得不规则，测量难度会加大。
超声波本身的特性决定了空旷的场所是超声波的理想测试环境，并且被测物体一定要能够反射超声波。
3．温度效应
超声波在空气中传播是随环境温度温度变化的，可以用c=331.5+0.607t（m/s）来表示声波的传播速度。
其中“c”为声波传播速度（m/s），“t”表示温度（℃）。
所以，要想
精确地测量障碍物的距离，实时检测环境温度并进行补偿是非常必要的，尤其冬季室内外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用温度补偿模块来减小温度变化所带来的测量误差。
考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要是用于实现避障功能，对测量精度要求不高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。
超声波在空气中传播时，温度与速度的关系会在附录中，供查阅。
4．衰减
在空气中传播的超声波，会因为在球形表面上发生衍射现象导致能量扩散损失，也会因介质吸收能量造成吸收损失，并且波强衰减量与距离是成正比的。
超声波的衰减率还与频率成正比。
如图6所示，超声波的频率增高，衰减率就越高，传播的距离也就越短。
由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传播的有效距离。
1.1.2超声波测距
在现实生活中某些特殊场合，有些传统的测距方式存在着难以克服的缺陷，例如电极法测量液位，运用差位分布电极，通过给电或发射脉冲来进行液面检测，由于电极长时间浸泡在液体中，非常容易被腐蚀和电解，进而失去灵敏性。
使用超声波测距就能够很好地解决这些问题。
当下市面上超声波测距系统存在体积庞大、价格昂贵、精度偏低等种种问题，使其在一些中小规模的测距中难以得到普遍的使用。
在这样的背景下，本文设计了一款基于AT89C52单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。
超声波较之于其他机械波，具有以下特有性质：
超声波为定向传播，绕射少，反射能力强；超声波衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度较慢，也可在液体固体中传播；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、衍射等现象。
因此，它在军用，农牧业，医学，工业有广泛的应用。
并且能够实现洗涤、焊接、粉碎、测速测距等功能。
虽然目前的技术水平，人类利用超声波传感器的技术成果还是很有限的，但是随着科学技术的飞速发展，超声波传感器的应用领域将越来越广泛。
这是一个蓬勃发展的技术和工业领域，有着无限的发展前景。
展望未来，超声波传感器在各方面都是一个新的重要的工具，将有巨大的发展空间。
在运动测距中将有更高精度的方向定位，以满足社会日益增长的需求。
声纳定位的精度的提高，可以满足未来秘密武器进行打击的需要。
无需多言，未来的超声波传感器、自动化智能集成联合其他的传感器，可以实现多传感器的一体化协同作业。
伴随传感器技术的进步，传感器将具有简单的学习功能，自动确定发展方向的功能，并最终具有创造性。
1.2超声波模块基本介绍
1.2.1超声波的电器特性
1．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1所示为几种常用超声波传感器的声压图。
图1超声波传感器的声压图
2．灵敏度特性
灵敏度是一个用来表示声音接收级的单位，如下式所列。
灵敏度=20logE/P（dB），此式中,“E”是产生的电压（V），“P”是输入的声压（μbar）。
超声波收发器的灵敏度直接决定系统的测距范围，如图8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2超声波传感器灵敏度示意图
3．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。
图3展示的是几种常见的超声波传感器的辐射特性。
图3超声波传感器的辐射特性
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，这为设计中选择合适的超声波传感器指明了方向。
1.2.2超声波的工作原理
市面上常见的超声波传感器多为开放型，
超声波传感器的内部结构如图4所示，复合式振动器巧妙地固定在底座上。
这种复合振动器是由谐振器、金属片和电陶片构成的双压电晶片的元件振动器。
谐振器是圆锥形的，目标是可以有效辐射因振动而产生的超声波，而且能够有效地聚合超声波于振动器中心。
当电压被施加到压电陶瓷，用于机械形变的电压与频率将会改变。
另外，振动会使压电陶瓷产生电荷。
运用这个原理，由两片压电陶片或者一片压电陶片和一片金属片组成的振子称作双压电晶片元件，当向其时间电信号时，它将弯曲振动产生超声波。
反向操作，即将超声波振动施加到双压电晶片元件，就会产生电信号。
图4超声波传感器内部结构图
图5声压在不同距离下的衰减特性
1．3主要研究内容和关键问题
因为超声波检测更加快捷、便利，并且运算简便，更易完成实际控制。
所以超声波测距在移动机器人领域得到广泛使用。
在实际工业运用中，用超声波测距可以使机器人在移动中自动避开障碍物。
也因此要求系统必须能够及时获取障碍物的位置信息（距离和方向）。
因为超声波测距系统的这些特点，其在车辆倒车雷达的制造上也已被广泛使用。
本设计主要研究通过单片机控制各模块工作，是通过单片机来控制各模块协同工作，控制超声波发射器发射超声波信号，使超声波接收器捕捉辨识回波信号，利用发射回收波信号的时间差，再利用温度补偿函数从而换算测量距离。
生活中运用本设计时，测量距离可能会随时改变，为了及时捕捉改变的距离值，即提高超声波测距仪的灵敏度，通过设定采样周期来实现实时测距。
主要有以下问题需要解决：
1．超声波回波检测
超声波信号发送后，会在障碍物表面进行反射和衍射，有些反射波可能会经过多次反射，超声波接收器会接收到多个回波信号，如何在众多回波中正确辨别是一个难点。
因为本设计研究的是短距离测距，那么如果在发射波后，一段时间内没有接收到回射波，我们就判定为超距，结束本次作业，返回清零，重新开始测距。
2.温度的影响
超声波在空气中传播时，它的速度是受外部温度影响的，我仔细的查阅了不同温度下对应超声波速度值，发现温度会严重影响测量精度。
所以使用一种方法将外部温度对超声波测距精度的影响降到最低显得十分迫切。
3.如何报警
当测量距离小于一定范围时，属于危险范围，因为不论是机器人还是汽车，在与障碍物距离很近时，由于惯性原因难以避免与其相撞，所以与障碍物相距一定范围内时，要求系统会自动报警。
报警通过什么实现，用什么方式，如何判定，这便成为我研究的另一个问题。
我们考虑的是设计的实用性，用何种方法简便快捷的实现是研究重点。
第二章方案总体设计
2.1超声波测距仪功能
为了实现测距，本设计由硬件和软件两部分组成。
主要由MCU控制单元、温度补偿模块、超声波模块、按键输入模块、显示模块、报警模块等组成。
在这个设计中的核心模块是单片机。
其中硬件有单片机、各功能模块、输入输出设备和各组成电路，软件是所有工作程序的统称。
单片机通过系统急性比较处理，从而控制蜂鸣器报警。
系统总体的功能方框图如图5所示。
图5系统功能方框图
主控制模块由AT89C52构成，就相当于人的大脑，主要起到控制协调各模块作业的作用。
通过超声波发射接收的往返时间差，利用L=vt/2精确测量出障碍物的距离，并显示在液晶屏上，同时显示当前温度T及该报警设定值。
由AT89C52控制的定时器负责产生超声波脉冲并计时，遇到障碍物后反射，超声波接收模块对声波进行捕捉，再次计时。
然后根据超声波往返的时间差、当前温度下超声波传播的速度代入温度补偿后的算式L=vt/2算得障碍物距离。
超声波接收模块以及超声波发射模块就相当于人的眼睛，是获取外部信息最主要的通道。
按键输入模块有四个按键组成，主要作用是设置超声波测距仪的最小报警距离。
测温模块由主要作用是测量实际温度，把数据传输到主控模块，从而提取出相应温度下超声波在空气中传播的速度
显示模块由LCD1602构成，主要作用是显示测距结果、温度、以及最小报警距离。
报警模块由蜂鸣报警器组成，主要作用是在所测距离小于设置最小距离时发出蜂鸣、报警。
应用如倒车雷达，当车尾离障碍物的实际距离小于一定值后，倒车雷达会报警提示。
信号通过单片机的各个模块处理进行综合分析，实现超声波测距仪的功能。
在此基础上，完成系统方案的总体设计，并最后通过硬件和软件实现各功能。
并附有硬件电路图、程序流程图、功能框图，特定系统配置、电路的原理与程序设计相伴。
该系统的控制是很容易的、可靠的、测距精度高、可读性和流程明了等优势。
实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。
2.2设计要求
考虑到设计的应用，本设计主要有以下设计要求：
1.主控模块
本设计旨在设计实现微型超声波测距仪，语言要求：
C语言
低成本的51单片机是很好的选择，要求使用者要熟悉51单片机集成开发环境，单片机的内部结构、资源以及硬件和软件调试设备的基本方法和技能，而且可以使用C语言编写项目文件。
2．测量距离范围：
4m
超声波测距仪，由于超声波方向性强、渗透力强、容易得到声能等较集中的优势，因为声衰减问题，因此并不适用于长距离范围。
目前主要应用于倒车雷达，导航失明，视力矫正等。
盲人导航主要是判断当前方向的障碍物距离，从而帮助盲人选择正确的路线，此设计可以搭配GPS导航、语音播报等系统共同协助视力障碍者选择正确的前进路线。
视力矫正主要适用于坐姿不正确，读书、看电视、玩电脑离书本和屏幕太近的人群，首先根据实际需要设定报警距离，当使用者超过报警距离后自动报警。
以上都是短距测距，所以本设计4m的测量距离完全可以满足测量需要。
3.误差范围：
3mm
超声波测距可能因为障碍物不规则、温度影响等原因影响测量精度，本设计添加了温度补偿模块，大大提高了测量精度，知道老师要求精度优于1％，考虑到在实际中的应用，我查取了相关资料，觉得控制在
3mm误差范围内是比较合适且可实现的。
4.温度补偿
自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现
5.显示
利用数显装置显示障碍物的距离值（以cm为单位，误差不超过1cm）；了解超声波测距原理，温度补偿实现方法。
6.报警
当被测距离小于预定的距离时，向蜂鸣器发送信号报警。
2.3系统基本方案
2.3.1方案比较
1.主控制器模块
方案1：
系统的核心部件选择一块CPLD（复杂可编程逻辑器件，诸如EPM7128LC84-15），以实现功能的控制和处理。
CPLD具有速度快、易于编程、资源丰富、开发周期短等优点，可以用VHDL语言开发编写。
与单片机相比，CPLD在控制上有很大的不足。
还有，CPLD的处理速度是异常迅速的，但是超声波测距处理速度的要求不会太高，则对系统处理信息的要求也不会过高，在这一点上，MCU足以胜任了。
使用该方案，在控制上会遇到很多困难。
出于这个原因，我们不使用这种方案的，所以产生第二个方案。
方案2：
机为系统的核心，用其超声数据处理，以实现其既定的性能指标。
进行系统的全面分析，关键在于实现超声波测距，但在这一点上，单片机展示了其优势——控制简单、方便、快捷。
其结果是，该微控制器可以充分发挥其资源丰富，有更强大的控制功能和位寻址的操作功能，价格低廉等特点。
所以，较为理想的是第二个方案。
综上所述，我们选择了方案2。
2.超声波模块
方案1：
由一块T40-16作为超声波模块。
此模块具有1-1000cm非接触式的测距功能，但其造价高，很难有更广泛的应用。
故放弃此方案。
方案2：
使用HC-SR04来实现超声波的收发，它可以进行2—400cm的非接触式距离检测，其测距误差不超过3mm。
该模块包含反射超声波的超声波发射器、接收回波的接收器和控制电路。
其物美价廉，测距精度高，故采用第2方案。
3.电源模块
出于本设计使用便捷性的考虑，选择便携电源供电，故提出以下两种供电方案。
方案1：
采用12V蓄电池向系统供电。
蓄电池拥有很强的电流驱动能力，和稳定的电压输出性能。
但是蓄电池的体积太大，使用非常不方便。
所以我们放弃了这个方案。
方案2：
采用3节1.5V干电池共4.5做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。
综上所述采用第2套方案。
4.显示模块
方案1：
数码管显示。
由于数字显示速度快、简单易用、简洁的显示等特点使它得到广泛应用。
在这里我们需要显示的是测得的距离值和温度值以及报警距离的设置，不足以满足使用需要，因此我们放弃了此方案。
方案2：
使用LCD1602液晶显示屏。
由于其清晰的液晶显示屏、丰富的内容、清晰地显示信息、便于使用、显示速度快等优点已被广泛使用。
对于此系统我们要求不仅能显示测量距离、温度，还要显示报警距离的设定，故用物美价廉的LCD1602显示，充分发挥出LCD的显示优势。
因此我们选择了此方案。
5.温度补偿模块
方案1：
使用PT100温度传感器用于温度补偿电路。
PT100铂电阻传感器是利用其随温度变化的阻值、并显现出一定的函数关系的特点来进行温度补偿的，具有抗震动性、稳定性、精度高、耐高压等特点。
但其操作较为复杂。
方案2:
温度补偿电路使用DS18B20作为温度传感器。
通过“一线”总线（1-Wire是一种独特的数字信号的总线协议，独特的电源线和信号线的复合一起只使用一个口线;每个芯片独有的编码，支持网络寻址和零功耗等待等，这条总线需要的硬件连线最少）。
DS18B20数字温度输出这种独特的方法允许多个DS18B20容易建立传感器网络，从而提供更多地可能性给整个测量系统的建立和组合。
这已经比其他的温度传感器在转换时间、测量精度、分辨率、传输距离等有了长足的进步，为用户提供了更便捷的使用和更让人满意的结果。
相比之下，DS18B20数字温度直接输出，无需采取纠正措施，故选择方案2。
6.报警模块
方案1：
使用语音芯片进行提示，优点可以自由设定要提示的声音。
缺点使用复杂，需要专门的编程软件，成本高控制复杂，不便于普及。
方案2：
采用蜂鸣器提示，电路简单实用，可靠性高。
综上所述我们选择方案2。
2.3.2方案汇总
我们最终确定了如下方案：
1、主控芯片采用AT89C52单片机作为主控制器。
2、使用HC—SR04超声波模块
3、用3节干电池供电。
4、用LCD1602显示。
5、采用DS18B20做温度补偿。
6、使用蜂鸣报警器报警
第三章系统硬件设计
3.1单片机最小系统
对单片机的认识源于大一时电子爱好者协会的一次讲座。
当时大三的学长们在做智能车，精彩的演讲和有趣的知识吸引了我，也让我对单片机产生了兴趣。
他告诉我，单片机就相当于人的大脑，它不能像电脑那样做出特别复杂的运算，但它足以完成很多操作任务。
他当时用的也是51单片机，因为感觉性能比较稳定，运算速度快，而且物美价廉。
后来通过大三对单片机课程的学习，进一步对AT89C52了解，因此本次设计选用AT89C52作为主控制器。
主控制系统电路如图6所示。
图6单片主控电路
单片机通过发送信号来控制主控制电路协调超声波发射模块，超声波接收模块，显示模块，温度模块，报警模块。
超声波测距仪中各模块主要由单片机主控电路进行控制和协调，从而有条不紊的进行工作。
3.2超声波测距模块
使用现成的超声波模块HC—SR04，它的工作原理是：
向IO口TRIG发送信号，加大于10us的高电平;该模块能够自动发送8个频率40KHz的方波，且处于工作状态是检测是否有回波信号;如有返回信号，会在IO口向ECHO传输一个高电平信号，此高电平延续的时间便是超声波的往返时间。
l（测试距离）=v（声速）t（高电平时间）/2。
实物如下图7。
其中VCC能够提供4.5V电源，GND为接地，TRIG可以触发输入信号，ECHO则为含有回波信号的四条线。
图7超声波模块实物图8超声波接口
T/R-40-12型超声波传感器的震荡频率为40KHz，传播10米超声波信号强度便衰减到40个声压级，此时超声波接收探头就很难接收到回波信号。
因此，从理论上分析，本设计超声波测距部分的实际范围是10cm—400cm，理想的避障范围是10cm—100cm,所以实际壁障安全距离应设在50cm—80cm之间。
图9避障原理
图9中，超声波指向性地发送一段超声波并计时，超声波经过在空气中传播后，遇到障碍物反射回来被超声波接收器捕捉到，同时停止计时。
利用时间差计算法算出距离。
图10超声波接口电路图
3.3显示模块
显示模块采用数LCD1602，连接图如图所示
图11LCD显示电路
显示模块主要用来显示测量的距离值、温度传感器测量的温度值以及最小的报警距离。
3.4温度补偿电路
温度补偿电路采用DS18B20传感器，P2.4接DS18B20数据总线，由单片机控制DS18B20温度转换和数据的传输，并且将10k的上拉电阻连接到数据总线。
该系统采用外接电源DS18B20的优点是I/O接口不需要强拉，总线控制器并不需要在温度很高的
情况下转换。
因此转换在可以允许的范围内，单线总线上附加数据的传输，如图15所示的硬件结构。
图12温度补偿电路DS18B20
3.5蜂鸣报警电路
如图13所示，蜂鸣报警电路由蜂鸣器、三极管、接到单片机上P13引脚上的电阻组成。
图13蜂鸣报警电路图
第四章系统软件设计
4.1AT89C52程序流程图
如图14所示为超声波测距单片机AT89C52程序流程图。
图14系统软件的整体流程图
流程图具体细分如下：
1、系统初始化
单片机AT89C52、LCD1602、蜂鸣报警器、超声波测距模块通过上电复位并自行运行单片机清零程序。
2、发射超声波
自动读取超声波测距程序，AT89C52控制HC—SR04指向性地发射超声波并且记录时间，待捕捉到回波时终止计时，算得回波时间。
3、判断是否检测到回波
超声波接收电路出于运行状态。
如超声波接收电路收到回波，则将信号发送到单片机并再次计时，通过温度补偿后的算式算得障碍物当前距离；如超声波接收电路未在设定时间收到回波，则返回。
4、显示
显示距离、当前温度、设置的报警距离。
5、是否小于超声波报警距离
将测得距离与报警值进行比较，如
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