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。
介绍了一种以A T 89C2051 单片机为核心, 利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Psp ice 对硬件的主要部分进行了模拟仿真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进, 电路达到了预期的效果。
关键词：AT89C2051; 超声波；测距
Abstract
With the development of science and technology, the improvement of people's tandard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban rainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However,due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction.Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder.
A kind of u lt rason ic telem eter based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem eter is provided w ith som e m er it s such as low co st and h igh2accu racy becau se of the u lt rason ic w ave character ist ic. The hardw are p r incip le elect r ic circu it and them ain sof tw are design idea are show ed. The sim u lat ion of the m ain par t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A t last, acco rding to the theo ret ical analysis and the exper ience som e imp rovem en t s of the design are m ade. The system has ach ieved the an t icipated effect.
Key words:AT89C2051; Silent Wave；Measure Distance
一、设计任务和性能指标
1.1设计任务
利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个超声波测距仪器，用LED数码管把测距仪距测出的距离显示出来。要求用Protel 画出系统的电路原理图，印刷电路板，绘出程序流程图，并给出程序清单。
1.2性能指标
距离显示：用三位LED数码管进行显示（单位是CM）。测距范围：25CM到 400CM之间。误差：1%。
二、超声波测距原理概述
超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。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。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。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。
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，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随温度变化，其对应值如表2-1 ，根据计时器记录的时间t (见图2-1)，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即: s = v t / 2 。
表2-1 声速与温度的关系
温度(℃) －30 －20 －10 0 10 20 30 100
声速(m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386
图2-1 超声波测距时序图
2.1超声波传感器
2.1.1 超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，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、磁致伸缩型和电动型等; 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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2.1.2 压电式超声波发生器原理
压电型超声波传感器的工作原理：它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图2-2所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
图2-2压电逆效应图
2.1.3单片机超声波测距系统构成
单片机AT89C2051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，读出时间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数码管进行显示。
限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
图2-3 超声波测距系统框图
三、设计方案
按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。
单片机主控芯片使用51系列AT89C2051单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。
发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。
接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。
图3-1：系统设计框图
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接收电路三部分。单片机采用AT89C2051。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P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端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3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
3.1 AT89C2051单片机
AT89C2051是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-5l 指令系统，片内置通用8位央处理器和Flash存储单元，功能强大。AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
1）性能参数：与MCS-51 产品指令系统完全兼容；2k字节可重擦写闪速存储器；1000次擦写周期；2.7V－6V 的工作电压
范围；全静态操作：0Hz－24MHz；两级加密程序存储器；128×8字节内部RAM；15个可编程I／O 口线；2个l6位定时／计数器；6个断源；可编程串行UART 通道；可直接驱动LED 的输出端口；内置一个模拟比较器；低功耗空闲和掉电模式。
2）特性概述：AT89C2051提供以下标准功能：2k字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O 口线，两个16位定时／计数器，—个5 向量两级断结构，一个全双工串行通信口，内置—个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降至0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2 超声波测距系统构成
本系统由单片机A T 8 9 C 2 0 5 1控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图3-1 所示。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接收电路三部分。单片机采用AT89C2051。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P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端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3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.7输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.7由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。
3.2.1 超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：A T 8 9 C 2 0 5 1单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。如图3-2。
图3-2：超声波测距单片机系统
3.2.2 超声波发射、接收电路
超声波发射、接收电路如图3-3。超声波发射部份由电阻R2及超声波发送头T40板成；接收电路由BG1、BG2X组成的两组三级管放大电路组成；检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。
40kHz的方波由A T 8 9 C 2 0 5 1单片机的P 3 .5驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到40kHz 的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。
该测距电路的40kHz方波信号由单片机A T 8 9 C 2 0 5 1 的P 3 .5发出。方波的周期为1/40ms，即25μs，半周期为12.5μs。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1μs，所以只能产生半周期为12μs或13μs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。
图3-3：超声波测距发送接收单元
由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3.3 所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是I N 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。
3.2.3显示电路
本系统采用三位一体L E D 数码管显示所测距离值，如图(见下页) 。码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
图3-4：显示单元图
四.系统软件设计
4.1 主程序设计
超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言编程。
主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。置位总中断允许位EA。进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位cl==1，即进行测量一次，程序设计中，超声波测距频度是2次/秒。测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生6-8个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5 -2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.7脚的电平判断程序。当检测到P3.7脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。由于采用单片机采用的是12 MHz 的晶振，计时器每计一个数就是1μs，当超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。
设计时取15℃时的声速为340 m/s则有：d=(c×t)/2=172×T0/10000cm其中，T0为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
4.2 超声波测距子程序
void csbcj() //超声波测距子程序
{
if(cl==1)
{
TR1=0;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
i=20; //超声波脉冲个数10个
while(i--)
{
csbout=!csbout;
}
TR0=1;
i=150;
while(i--)
{
}
i=0;
while(csbint) //判断接收回路是否收到超声波的回波
{
i++;
if(i>=2450) //如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint置零,退出接收回波处理程序
csbint=0;
}
TR0=0;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
t=TH0;
t=t*256+TL0;
s=t*csbc/2; //计算测量结果
TR1=1;
cl=0;
}
}
4.3 超声波测距程序流程图
4.4 超声波测距程子序流程图
超声波测距程子序流程图如图（）所示。
图（）
五.调试及性能分析
5.1调试步骤
我们的步骤是先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的AT89C2051机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。如果一直显示“- - -”，则需将下限值增大。本测距板1S钟测量两次，若要修改测量间隔，可将程序“if(csbds>=40) //1S测量一次。”中的“40”增大或减小即可。超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s。
5.2 性能分析
从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到5到7米左右，而我们所能实现的最大距离只有4.00米，测量结果受环境温度影响。分析原因如下：1）超声波发送部份为了简化电路,没加设置专门的超声波驱动电路,而是用单片机的P3.5输出端加了一个上拉电阻后就直接驱动超声波发送头。理论上，驱电电压只有5伏。2）本测距板没设计温度补偿电路，来对测量结果进行修正。
参考文献
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[6] 王守中 51单片机开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2009
附录一：基于AT89C2051单片机超声波测距系统电原理图
附录二基于AT89C2051单片机超声波测距系统PCB图
附录三基于AT89C2051单片机超声波测距系统焊接组装图
附录四基于AT89C2051单片机超声波测距系统C语言原程序
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// A T89C2051超声波测距系统//
//
// //
// //
// 晶振：12M //
// 系统盲区值：25厘米//
// 测量上限：400厘米//
////////////////////////////////////////////////////////////
#include
#define csbout P3_5 //超声波发送
#define csbint P3_7 //超声波接收
#define csbc=0.034
#define bg P3_4
unsigned char csbds,opto,digit,buffer[3],xm1,xm2,xm0,key,jpjs,ki;//显示标识
unsigned char convert[10]={0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9段码unsigned int s,t,i,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1,sjtz,sja,sjb;
bit cl;
void csbcj();
void delay(i); //延时函数
void scanLED(); //显示函数
void showOnce(); //显示循环函数
void timeToBuffer(); //显示转换函数
void offmsd();
void main() //主函数
{
EA=1; //开中断
TMOD=0x11; //设定时器0为计数，设定时器1定时
ET0=1; //定时器0中断允许
ET1=1; //定时器1中断允许
TH0=0x00;
TL0=0x00;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
csbds=0;
csbint=1;
csbout=1;
cl=0;
opto=0xff;
sj1=25;
sj2=100;
sj3=400;
ki=0;
TR1=1; //设定时值1为20ms
while(1)
{
csbcj(); //调用超声波测距程序
if(s>sj3) //大于时显示"CCC"
{
buffer[2]=0x39;
buffer[1]=0x39;
buffer[0]=0x39;
}
else if(s { buffer[2]=0x40; buffer[1]=0x40; buffer[0]=0x40; } else timeToBuffer(); //调用转换段码功能模块 offmsd(); //调用判断百位数为零模块，百位为零时不显示 scanLED(); //调用显示函数 } } void scanLED() //显示功能模块 { digit=0x04; for( i=0; i<3; i++) //3位数显示 { P3=~digit&opto; //依次显示各位数 P1=~buffer[i]; //显示数据送P1口 delay(20); //延时处理 P1=0xff; //P1口置高电平（关闭） if((P3&0x10)==0) //判断3位是否显示完 key=0; digit>>=1; //循环右移1位 } } void timeToBuffer() //转换段码功能模块 { xm0=s/100; xm1=(s-100*xm0)/10; xm2=s-100*xm0-10*xm1; buffer[2]=convert[xm2]; buffer[1]=convert[xm1]; buffer[0]=convert[xm0]; } void delay(i) //延时子程序 { while(--i); } void timer1int (void) interrupt 3 using 2 //终断处理程序，1秒测量一次 { TH1=0x9E; TL1=0x57; csbds++; if(csbds>=15) { csbds=0; cl=1; } } void csbcj() //超声波测距子程序 { if(cl==1) { TR1=0; TH0=0x00; TL0=0x00; i=20; //超声波脉冲个数10个 while(i--) { csbout=!csbout; } TR0=1; i=150; while(i--) { } i=0; while(csbint) //判断接收回路是否收到超声波的回波 { i++; if(i>=2450) //如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint置零,退出接收回波处理程序 csbint=0; } TR0=0; TH1=0x9E; TL1=0x57; t=TH0; t=t*256+TL0; s=t*csbc/2; //计算测量结果 TR1=1; cl=0; } } void offmsd() //百位为数0判断模块 { if (buffer[0] == 0x3f) //如果值为零时百位不显示 buffer[0] = 0x00; } 附录五元件清单 编号型号、规格描述数量编号型号、规格描述数量 R1 10k 1/4W电阻器 1 BG2 9013 NPN 1 R2 1k 1/4W电阻器 1 BG3 9013 NPN 1 R3 4.7k 1/4W电阻器 1 LED HS310561K 三位数码管 1 R4 150k 1/4W电阻器 1 C1 220uF 电解电容器 1 R5 4.7k 1/4W电阻器 1 C2 104 瓷片电容器 1 R6 150k 1/4W电阻器 1 C3 10uF 电解电容器 1 R7 4.7k 1/4W电阻器 1 C4 30pF 瓷片电容器 1 R8 4.7k 1/4W电阻器 1 C5 30pF 瓷片电容器 1 R9 4.7k 1/4W电阻器 1 C6 104 瓷片电容器 1 R10 470 1/4W电阻器 1 C7 104 瓷片电容器 1 R11 470 1/4W电阻器 1 IC1 A T89C2051 单片机 1 R12 470 1/4W电阻器 1 Y1 12MHz 晶振 1 R13 470 1/4W电阻器 1 T T40-16T 传声波传感器 1 R14 470 1/4W电阻器 1 R T40-16R 传声波传感器 1 R15 470 1/4W电阻器 1 D1 IN4148 开关二极管 1 R16 470 1/4W电阻器D2 IN4148 开关二极管 1 BG1 9013 NPN 1 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。 目录 一、课程设计目的 (2) 二、内容及要求 (2) 2.1、设计内容 (2) 2.2、设计要求 (2) 三、超声波传感器的工作原理 (2) 四、系统框图 (3) 五、单元电路设计原理 (3) 5.1、51系列单片机的功能特 (4) 5.2、超声波发射电路 (4) 5.3、超声波检测接收电路 (5) 六、完整的电路图………………………………………………………………… 七、程序流程图 (6) 八、参考文献 (7) 九、设计中的问题及解决方法 (7) 十、总结 (7) 一、课程设计目的 通过《传感器及检测技术》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、内容及要求 超声波测距系统设计 2.1设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量范围：30cm～200cm。 3）误差＜0.5cm。 4）其它。 2.2设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。 三、超声波传感器的工作原理 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。 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。 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。 理论计算 如图1所示为反射时间法，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式(T/2) C S=其中，S为被 * 测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T2 =），这样可以求出距离： T1 T+ 第一章绪论 1.1课题设计目的及意义 1.1.1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。 1.1.2设计的意义 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、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。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.2超声波测距仪的设计思路 1.2.1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。 题目：超声波测距仪的设计 超声波测距仪的设计 一、设计目的： 以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。 通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。 二、设计要求： 设计一个超声波测距仪。要求： 1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离； 2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。 三、设计器材： STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块 SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管（4） 按键（1） 电容（30PF2，10UF1） 排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子， 导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。 四、设计原理及设计方案： （一）超声波测距原理 超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C 式中 L——要测的距离 T——发射波和反射波之间的时间间隔 C——超声波在空气中的声速，常温下取为344m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。 根据本次设计所要求的测量距离的围及测量精度，我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了，硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路，软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时，只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。 当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值，此值就为此次测距的时间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。 （二）超声波测距模块HC-SR04简要介绍 HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述： 1. 主要技术参数： ①使用电压：DC5V ②静态电流：小于2mA ③电平输出：高5V 10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪，可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米，测量精度1cm，测量时与被测物体不接触，并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1．单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，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40Hz方波信号，利用外中断0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳极LED数码管，段码用74LS244驱动，位用PNP8550驱动。 2．超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3．超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片，可利用它做接收电路。 4．系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序： 开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化，设置T0为方式1，EA=1，P0，P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器，需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz，计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s，则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序：通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号，脉宽12us，同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波，一旦接收到返回的信号，立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波 中北大学 物联网工程专业 无线传感器网络课程设计 报告 课题名称：超声波测距系统设计 班级： 13270841 指导教师：马永 开设时间： 2016 年 6 月 目录 一、课程设计目的 (1) 二、课程设计题目 (1) 三、课程设计内容、要求 (1) 1、设计内容 (1) 2、设计要求 (1) 四、传感器工作原理 (1) 1.超声波传感器 (1) 2.温度传感器DS18B20 (3) 五、系统框图 (3) 六、单元电路设计原理 (4) 1、超声波发射电路 (4) 2、超声波检测接收电路 (4) 3、单片机最小系统 (5) 3.1、STC89C52芯片 (5) 3.2 复位电路 (5) 3.3 晶振电路 (6) 4、显示部分 (7) 5、温度检测电路 (7) 七、软件设计与系统调试 (8) 1、主程序流程图 (8) 1.1发射程序与接收程序流程图 (9) 1.2 中断子程序流程图 (10) 1.3 距离计算与显示子程序 (11) 2.系统调试 (12) 八、设计中的问题及解决方法 (12) 九、总结 (13) 十、参考文献 (14) 一、课程设计目的 通过《无线传感器网络》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、课程设计题目 超声波测距系统设计 三、课程设计内容、要求 1、设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。采用发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。根据温度传感器DS18B20所采集的温度数据来修正测距系统中的声速，从而使超声波测得的距离更准确。 功能：1）所有测距和温度数据均通过液晶显示器LCD1602 显示出来，距离精确到毫米，温度精确到小数点后一位（单位：摄氏度）。 2）测量范围：30mm～2000mm。 3）误差＜5mm。 4）其它。 2、设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图 四、传感器工作原理 1. 超声波传感器 本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波传感器分机械方式 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。 介绍了一种以A T 89C2051 单片机为核心, 利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Psp ice 对硬件的主要部分进行了模拟仿真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进, 电路达到了预期的效果。 关键词：AT89C2051; 超声波；测距 Abstract With the development of science and technology, the improvement of people's tandard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban rainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However,due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction.Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. A kind of u lt rason ic telem eter based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem eter is provided w ith som e m er it s such as low co st and h igh2accu racy becau se of the u lt rason ic w ave character ist ic. The hardw are p r incip le elect r ic circu it and them ain sof tw are design idea are show ed. The sim u lat ion of the m ain par t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A t last, acco rding to the theo ret ical analysis and the exper ience som e imp rovem en t s of the design are m ade. The system has ach ieved the an t icipated effect. Key words:AT89C2051; Silent Wave；Measure Distance 高精度超声波测距系统设计。 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差， 然后按照下式计算，即可求出距离： 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， 因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上， 给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播 的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μｓ的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在 1 mm的测量范围内。 For personal use only in study and research; not for commercial use 第一章绪论 1.1课题设计目的及意义 For personal use only in study and research; not for commercial use 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。 For personal use only in study and research; not for commercial use 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、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。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.2超声波测距仪的设计思路 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 Design and Realization of ultrasonic range finder based ABSTRACT The design objective is to design and implement microcontroller based ultrasonic range finder. The main use of AT89C52, HC-SR04 ultrasonic sensor alarm system complete ranging production. We AT89C52 as the main chip, by calculating the round-trip time ultrasound to measure the distance to obstacles in front of, and displayed in the LCD. SCM ultrasonic transmitter. Then the microcontroller for processing operation to measure the distance and set alarm values are compared to judge distance, when measured distance is less than the set value, AT89C52 issue commands to control the buzzer alarm, and control each member refresh AT89C52 measured values. Because at different temperatures, ultrasonic wave propagation velocity is a difference, so we DS18B20 temperature measurement by the temperature compensation unit, reducing errors due to temperature changes, and improve measurement accuracy. Good design can achieve precise range ultrasonic distance within 4m, proven error is less than 3mm. Keywords:Ultrasonic；Location；AT89C52;DS18B20;Alarm （一）题目 超声波测距系统设计 （二）内容及要求 1）设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LCD液晶显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量方式可通过硬件开关预置。 3）测量范围：30cm～200cm， 4）误差＜0.5cm。 5）其它。 2）设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。（三）传感器工作原理 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,然后求出距离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，表1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。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。 （四）系统框图 图1 超声波测距系统框图 （五）单元电路设计原理 1、AT89C2051的功能特点 AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。 AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0t Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。 图2 ATC2051示意图 2、LCD的工作原理 在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。 LCD器件是由背光源发射的光通过偏振片和液晶盒时，控制投 毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号： 所在学院： 专业：通信工程 设计(论文)题目：基于STM32的超声波测距仪 指导教师： 2014年2月25日 开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 毕业设计（论文）开题报告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述： 文献综述 一、课题研究背景、目的和意义 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术主要包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外线传感器、压力传感器等等，其中超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制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，并且测量精度较高。 超声波测距是一种典型的非接触测量方式。超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。且超声波测距系统结构简单、电路易实现、成本低、速度快，所以在工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等领域应用非常广泛。 超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性、反射、折射、干涉、衍射、散射与物理紧密联系，应用灵活。它是一种指向性强，能量消耗慢的波。它在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，可解决超长度的测量。二、超声波测距仪的整体设计思路 超声波测距一般采用渡越时间法。超声波测距的实质是时间的测量，即：用超声脉冲激励超声探头向外发射超声波，同时接收从被测物体反射回来的超声波（简称回波），通过精确测量从发射超声波至接收回波所经历的射程时间t（渡越时间），按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离S，即 S=12ct 其中，c 为空气介质中声波的传播速度。在常温下，超声波的传播速度为340 m/s， 电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪 目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18) 摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波 超声波测距系统设计 论文题目：超声波测距系统设计 摘要 超声波具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，超声波测距作为一种有效的非接触式测距方法已被应用于多个领域。 本设计采用渡越时间法，硬件系统分为发射模块、接收模块、显示模块、中央处理模块四个部分。本设计采用STC89C52单片机作为微型中央处理器并由软件实现40kHz脉冲经放大电路从超声波发射探头T-40发射出超声波，接收探头R-40收到声波后经集成芯片CX20106A放大滤波整形后回送到单片机计算，通过发射与接收的时间差和声速计算出距离。本系统使用四位共阳极LED数码管显示距离，能实时显示即时距离。 经测试,在30cm～200cm范围内，误差能控制在2cm以内。根据实验数据进行了误差分析，并提出了解决方案，最后对超声波测距技术的发展进行了展望。通过系统的调试和测试，本设计基本完成了设计要求。 【关键词】单片机，超声波，测距，渡越时间法； 【论文类型】应用型 Title: The design of ultrasonic distance measurement system Major:Electronic and Information Engineering Name: Zhang Yankun Signature:_______ Supervisor: Zhang Xiaoli Signature:_______ ABSTRACT The advantages of ultrasound without the influence of outside light and electromagnetic fields and other factors , ultrasonic distance measurement as an effective non-contact distance measurement method has been used in many fields. This design uses the transit time method, the hardware system is divided into transmitter module, receiver module and display module, the central processing module. This design uses a microcontroller STC89C52 as micro central processing unit and 40 kHz pulse by the software, The ultrasonic emission from the ultrasonic probe the T-40 via the amplifier circuit. Acoustic 超声波测距在机器人避障中的应用毕业论文 目录 绪论 (1) 1课题设计目的及意义 (1) 1.1设计的目的 (1) 1.2设计的意义 (1) 2超声波测距仪的设计思路 (1) 2.1超声波测距原理 (1) 3课题设计的任务和要求 (2) 第一章超声波测距系统硬件设计 (2) 1 系统设计 (2) 2 51系列单片机的功能特点 (3) 3系统硬件结构的设计 (3) 3.1 单片机显示电路原理 (4) 3.2 超声波发射电路 (4) 3.3 超声波检测接收电路 (4) 3.4超声波测距系统的总电路 (5) 第二章超声波测距系统的软件设计 (5) 1 超声波测距仪的算法设计 (5) 2主程序流程图 (6) 3超声波发生子程序和超声波接收中断程序 (7) 4 系统的软硬件的调试 (7) 第三章超声波测距系统在智能机器人中的应用 (7) 1 避障系统设计思想 (8) 2 硬件设计 (8) 3 软件设计 (9) 总结 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14) 附录 (15) 绪论 1课题设计目的及意义 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。 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。 2超声波测距仪的设计思路 2.1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。 表1-1 超声波波速与温度的关系表 开题报告 电子信息工程 超声波测距系统的设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 现在认为，超声波最先是从1876年F.Galton的气哨实验开始，这是人类首次产生高频声波。在以后30年内，人们对超声波仍然了解的比较少，发展较为缓慢，对超声波研究没有非常重视。接着在第一次世界大战中，超声波的研究慢慢的受到各国的重视。这时期法国人Langevin使用了一种晶体传感器，并使其在水下接收一些相对较低频率的超声波，并且提出是否可以使用超声波对水中的潜艇进行检测或者在水下利用超声波进行通信。 在1929年，前苏联科学家Sokolov最先提出了利用超声波探进行检查金属物内部是否存在缺陷的想法。在间隔两年后，德国人Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，但是他却没有在这方面进行深入的探索研究。在1934年Sokolov发表了关于超声波在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，使用了多种方法用来检测穿过试验物品的超声波中含有的能量，在这些方法中最为简单的是使用光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹的大小。 之后德国人Bergrnann发布了关于超声波的经典著作《uLTRAsoNIC》，在该著作中对超声波早期的大量资料进行了详细的论述，这本著作也一直被认为是超声波领域中的经典之一。美国的Firestone和英国的Sproulels两人对超声波脉冲回波探伤仪进行了首次介绍，并使超声波检测技术发展到了更为重要的一个阶段。在各种各样的超声波检测系统中，这是最为成功的一种检测系统，因为它具有最广泛的代表性，而且其检测结果也是最容易解释的。这种方法除了可用于手工检测外，还可以和各种先进的系统进行联用。直至当前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍然是应用最为广泛的一种。 在50年代由于雷达的快速发展大大的促进了超声波技术的发展；而后随着电子技术的不断快速发展，又使超声波的发展有了一次快速的飞跃。超声波被广泛的应用于医疗诊断、无损检测及工业控制中。在60年代，随着新材料新技术的应用以及对超声波的深入研究，产生了一些超过 100GHz的超高频超声波，而且这些超高频的超声波开始应用于物理学基础研究、通信和计算机技术等领域当中。 在1992年FigneroaJ.F提出一种新的超声回波计时方法，该方法利用峰值和相位相加得到回波时延冈。利用这种测量方法能够达到18一34米的测量范围，误差精度为2%。在2007年， 毕业设计（论文） 设计（论文）题目：基于单片机的超声波测距 仪的设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 第一章绪论 1.1测量的概念 测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。 1.2测量的分类 从不同观点出发，可以将测量方法进行不同的分类，常见的方法有： 1、直接测量、间接测量和组合测量 直接测量是将被测量与与标准量进行比较，得到测量结果。 间接测量是测得与被测量有一定函数关系的量，然后运用函数求得被测量。 组合测量是对若干同名被测量的不同组合形式分别测量，然后用最小二乘法解方程组，求得被测量。 2、绝对测量、相对测量 绝对测量是所用量器上的示值直接表示被测量大小的测量。 相对测量是将被测量同与它只有微小差别的同类标准量进行比较，测出两个量值之差的测量法。 3、接触测量、非接触测量 这是从对被测物体的瞄准方式不同加以区分的。接触测量的敏感元件在一定测量力的作用下，与被测物体直接接触，而非接触测量敏感元件与被测对象不发生机械接触。 4、单项测量与综合测量 单项测量是对多参数的被测物体的各项参数分别测量，综合测量是对被测物体的综合参数进行测量。 5、自动测量和非自动测量 自动测量是指测量过程按测量者所规定的程序自动或半自动地完成。非自动测量又叫手工测量，是在测量者直接操作下完成的。 6、静态测量和动态测量 静态测量是对在一段时间间隔内其量值可认为不变的被测量的测量。动态测量是为确定随时间变化的被测量瞬时值而进行的测量。 7、主动测量与被动测量 在产品制造过程中的测量是主动测量，它可以根据测量结果控制加工过程，以保证产品质量，预防废品产生。 被动测量是在产品制造完成后的测量，它不能预防废品产生，只能发现边挑出废品。 1.3测量技术的发展趋势 近年来，精密测量技术发展迅速，成果喜人。例如在线测量技术，已可进行加工状态的实时测量与显示，及时检测加工是否出现异常状况，从而可大幅度提高生产效率。 在高精度加工和质量管理过程中，随着光机电一体化、系统化的发展，光学测量技术有了迅速发展，相应的测量机产品大量涌现，测量软件的开发也日益受到重视。 随着非接触、高效率测量机的大量出现，专家预计，21世纪测量技术的发展方向大致如下： （1）测量精度由微米级向纳米级发展，测量分辨力进一步提高； （2）由点测量向面测量过渡（即由长度的精密测量扩展至形状的精密测量），提高整体测量精度； （3）随着图像处理等新技术的应用，遥感技术在精密测量工程中将得到推广和普及；（4）随着标准化体制的确立和测量不确定度的数值化，将有效提高测量的可靠性。 总之，测量技术必须实现高精度化，同时也要XX现高速化和高效率化，因此，非接触测量和高效率测量也必然成为新世纪精密测量技术的重要发展方向。 面向21世纪的我国工程测量技术的发展趋势和方向是：测量数据采集和处理的自动化、实时化、数字化；测量数据管理的科学化、标准化、规格化；测量数据传播与应用的网络化、多样化、社会化。GPS技术、RS技术、GIS技术、数字化测绘技术以及先进地面测量仪器等将广泛应用于工程测量中，并发挥其主导作用。 1.4超声波测距的定义和内容 1.4.1超声波测距的定义 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。 1.4.2超声波测距的内容 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，超声波在空超声波测距系统设计
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