1 绪论
随着21世纪科学技术的飞速发展，超声波测距将会得到广泛的使用。然而受限于现在的技术水平，超声波测距技术的使用还受到各种因素的限制。超声波测距仪在未来将成为一种新型测量的工具，在各个领域发挥着其重要作用。不可否认的是，未来的超声波测距仪将具有自动判断的能力，融合其他测距仪的特点，形成功能更加强大的测距仪。随着测距仪技术的突飞猛进，测距仪将从只有单一的判断功能向着具有学习功能的方向发展，最终发展到拥有创造力。在不久的将来，超声波测距仪将以全新的面貌出现在人们面前并扮演着其重要角色。
随着时代与科技的进步，人民生活水平的不断提高，城镇化建设的步伐加快，城市地下排水系统也得到较快发展，而且其状况也明显的改善。但是，由于历史原因等许多不可预见因素使得城市排水系统的建设远远落后于城市的建设。因此经常能够看到拆掉已经建设好的建筑设施来改造和改善排水系统的现象。城市污水给人们的生活带来了许多不便之处，因此对排污系统的研究将对改善人们的生活环境显得非常重要。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。而超声波测距是其重要组成部分，因此需要研制功能更加完善的超声波测距仪。
1.1 课题背景及意义
本课题主要涉及超声波测距技术和单片机系统这两方面的应用，下面就这两方面的概念、发展和应用分别进行介绍。
1.1.1 超声波以及超声波测距技术
超声波是指频率大于20000Hz的声波，它具有穿透能力强，指向性好，易于获得集中的声能等优点，因此被广泛用于各行各业中(例如测距、测速、清洗、焊接、杀菌消毒等)。
每个生产领域都可以使用到超声波技术，超声波可分为检测超声和功率超声，检测超声一般用于信号系统中；功率超声一般用于机械方面，生物医学领域，化学领域等。
由于超声波频率较高，可以定向发射，穿透能力强，方向性好，传输过程中能量衰减少，消耗缓慢，能够在介质中传播比较远的距离，遇到杂质或分界面时会将超声波反射回来，因此超声波常常被用于非接触式测量。并且超声波对光线、色彩和电磁
场不敏感，信息处理简单、成本低、速度快，因此超声波测距对各种环境具有较好的适应能力。
随着机器人技术在其诞生后的短短几十年中得到飞速发展,它的发展应用也逐渐从工业机器人朝着家庭生活机器人方向发展。如此广泛的应用使得人们对机器人有了更多的了解。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,应用方便，将它与红外、灰度传感器等相结合共同实现机器人寻线和绕障功能。鉴于超声波方向性好、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常被用于测量距离。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、工业测井、移动机器人的研制、管道长度测量、建筑施工工地以及一些工业现场等。使用超声波测距往往比较快捷、方便，而且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业控制领域的要求，因此被得到了广泛的应用。本课题的研究是非常具有实用价值的。
为了更好的利用超声波，科学家已经设计出了许多超声波发生器。有压电型、磁致伸缩型和电动型的超声波发生器，也有靠机械方式(加尔统笛、液哨和气流旋笛等)的超声波发生器。不同的超声波发生器因其频率、功率和声波特性各不相同，因而都有各自不同的应用领域。
1.1.2 单片机系统
单片机是一种集成度很高的芯片，是采用超大规模集成电路技术把各种模块电路集成在一块芯片上，其包括了具有数据处理能力的中央处理器、随机存储器、只读存储器、多种I/O口、中断系统、定时器/计时器等，有点甚至还包括了显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路等。
自从1971年美国Inter公司制造出第一块4位处理器以来，在短短的20余年里，单片机技术已发展成为计算机技术中一个非常有活力的分支，拥有自己的技术特征、规范、发展道路和应用环境。
1971年11月，Inter公司设计了集成度为2000只晶体管/片的4位微型处理器，并配有RAM、ROM和移位寄存器，成为第一台4位微处理器。这种微处理器虽然仅用于简单控制，但价格便宜，至今仍不断有多功能的4位处理器问世。
1976年9月，Inter公司首先推出了8位单片机，随后单片机发展进入一个崭新阶段，各种8位单片机应运而生。
在1978年以前各厂家生产的8位单片机，由于受集成度的限制，一般没有串行端口，并且寻址范围小，从性能上看属于低档8位单片机。
1982年Mostek公司首先推出了16位单片机68200，随后Inter公司于1983年推出16位单片机8096，其他公司也相继推出同档次产品。由于16位单片机采用了最新的制造工艺，其计算速度和控制功能也大幅度提高，具有很强的实时处理能力。
2 总体方案论证
2.1 系统方案设计
系统设计主要介绍了超声波测距原理、超声波测距系统电路设计和软件设计。 2.1.1 超声波测距原理
超声波测距的原理是当超声波发射的同时开始计时，当接收到超声波时停止计时，根据这一段时间从而计算出超声波传播的距离。具体的由单片机通过控制超声波的发出，并且通过单片机不断检测其外部中断信号来检测超声波的回波信号，读取单片机中的时间，即发射超声波和接收回波的时间差t(即渡越时间法)，然后根据公式(1)可求出距离s 。
t
c s ??=
21 (1)
其中，公式中的c 为超声波波速(m/s)。 2.1.2 超声波测距系统电路设计
由于超声波属于声波范围，由表2.1可知，其波速c 与温度有关，因此系统中还需采用温度补偿电路提高系统测量精度。
表2.1 在某些特定温度下的声速
根据设计要求并综合各方面因素，本次设计采用51单片机作为控制器，超声波驱动信号用单片机的定时器溢出中断来控制，接收电路采用两级反向放大，并采用比较器将模拟信号转换为数字信号，通过接收电路将回波信号送至单片机的外部中断来计算测量距离，用数码管显示测量结果。
超声波测距原理框图如图2.1所示。
图2.1超声波测距原理框图
2.1.2 超声波测距系统程序设计
本软件系统采用模块化设计结构，主要由主程序和8个子程序组成。8个子程序分别为定时/计数器0中断服务程序CTC0_INT、定时/计数器1中断服务程序CTC1_INT、外部0中断服务程序serve_INT0、距离计算子程序Timetojuli、数码管显示子程序display、温度补偿子程序ReadTemperature、延时子程序。
(1) 主程序
主程序进行系统的初始化操作，主要是进行定时/计数器0、定时/计数器1、外部中断0的初始化。
(2) 定时/计数器0中断子程序
使用定时/计数器0中断的目的是为了停止计数器计数。
(3) 定时/计数器1中断子程序
使用定时/计数器1中断的目的是为了停止超声波的发射，等待超声波的回波信号。
(4) 外部中断0子程序
使用外部中断的目的是为了关闭计数器0，读取TL0和TH0的数值，并且调用温度补偿子程序读取温度c和调用距离计算子程序计算出距离s。
(5) 距离计算子程序
使用距离计算子程序是为了将采集到的温度转换为相应的波速c，并根据公式计算出距离d，同时将变量d的十位、个位、十分位和百分位保存到数组number中。
(6) 数码管显示子程序
该程序采用单片机P0口控制数码管的段选通，P2.1、P2.3、P2.5和P2.7控制数
码管的位选通，然后以字节形式赋值给单片机的P0口，采用动态扫描，在数码管中显示出当前的测量结果。
(7) 温度补偿子程序
该子程序是为了读取当前的环境温度，使超声波波速更精确，并将温度值保存在变量t中。
(8) 延时子程序
延时子程序主要是用于数码管的显示以及温度采集过程，使其能完成相应的功能及达到预期的效果。
2.2 设计方案论证
2.2.1 传感器的选择
(1) 概述
传感器的选择是否合适将影响着实验的测量结果。在选择传感器时考虑很多因素，例如测量对象与测量环境、传感器的灵敏度、反应时间、线性范围、稳定性和精度。在某些特殊场合，现有的传感器无法满足要求时，则要自己设计合适的传感器，以满足使用要求。
(2) 温度传感器
温度传感器按输出结果可以分为模拟型和数字型。表2.2为常用温度传感器的对比一览表。
表2.2温度传感器
(3) 超声波传感器
超声波传感器可以分为两种：一种是电气式超声波换能器，另一种是机械式超声波换能器。由于超声波在空气中传播时会发生能量衰减，衰减的程度与频率的高低成正比，频率高分辨率也高，所以测量距离比较短时应选择频率高的传感器，而测量距离比较长时应用低频率的传感器。电气式超声波换能器是一种采用压电效应的传感器，其采用压电陶瓷制作而成。
目前压电式超声波换能器(例如TCT40-16T/R)常被用于近距离测量，因此本次设计采用压电式超声波换能器。表2.3为TCT40-16T/R的一些性能指标，其中图2.2为TCT40-16T/R指向特性。
表2.3TCT40-16T/R性能
性能发射接收
标称频率(KHz) 40 40 发射声压KHz(0dB=0.02mPa) 117min ——
接收灵敏度at40KHz (0dB=V/Pa) ——－67min 静电容量at1KHz,<1V (PF) 2000±30％
－6dB 指向角600
图2.2TCT40-16T/R指向特性图
(4) 选用过程
①电源选择
由于单片机和一些集成芯片的电源一般都要求为DC+5V，所以温度传感器电源电压也选择DC+5V。
②选择结果
在满足以上要求的基础上再参考价格与接线的复杂度，经过综合考虑：温度传感器选用DS18B20，超声波传感器选用TCT40-16R/T(后面附录有详细说明书)。
2.2.2 单片机的选用及系统设计
(1)单片机的选用
采集数据通过I/0并行口输入，LED显示也要占用很多口并行控制，所以选用较
常用的40引脚的STC89C51单片机。
(2) 单片机系统分析 ① 复位电路
当单片机在运行时受到电磁干扰等情况时会出现程序跑飞的现象，此时需要按下复位按钮使单片机重新开始执行工作。
单片机在开始工作前都需要复位，以便单片机中各功能部件都做好准备工作，并从这个状态开始工作。复位信号是从复位引脚进入单片机的。只有当复位电平为高电平时有效，且需要保持24个时钟周期以上，单片机才能复位。本系统中单片机的晶振采用12MHz 的，则复位信号至少保持2us 。
方案一：上电复位电路
在单片机上电瞬间，如图2.3所示，复位引脚的电位与电源电压相同，而电容的充电电流随着充电时间而减小，复位端电位逐渐下降。上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期的时间，在这段时间里，振荡建立时间不超过10ms 。复位电路的典型参数为：C 取10uF ，R 取8.2k ，故时间常数
ms
RC 8210
2.810
103
6
=???==-τ 以满足要求
图2.3 上电复位
方案二：外部复位电路
当按下复位按钮时，电源通过电阻开始对外接电容进行充电，充电完成后，复位端变为高电平，松开复位按钮后，电容通过下拉电阻放电，逐渐使复位端恢复为低电平。图2.4即为外部复位电路。
图2.4 外部复位
方案三：上电外部复位电路
上电外部复位电路既具有上电复位又具有外部复位电路。图2.5为上电外部复位电路，在上电瞬间，C 与Rx 构成微分电路，复位引脚端出现微分脉冲，只要其脉冲宽度足够长，单片机就能够复位。
一般取C=22uF ，R=200,Rx=1k,此时
ms
2210
110
223
6
=???=-τ
当按下按钮，复位端出现
V
2.451200
1000=?时，使单片机复位。
本设计选用第三种方案，因为它综合了上两种方案，且并电路不复杂。
图2.5 外部上电复位
② 单片机的最小系统
单片机系统拓展一般是以基本的最小系统为基础的。最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统。对于80C51单片机，由于片内带有程序存储器，只要在芯片上外接时钟电路和复位电路就组成了最小系统，图2.6所示即为单片机的最小系统。
图2.6 单片机最小系统
2.2.3 测距方法的确定
(1)测距方法
当前超声波测距主要有如下三种方法：
①相位检测法
②声波幅值检测法
③渡越时间法
相位检测法其检测法精度高，但是检测范围小。声波幅值检测法容易受到介质的影响。因此就目前而言超声波测距最长用的是渡越时间法。渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差，求出目标障碍物距信号发射源的距离基于此，综合考虑三种测距方法，本次设计采用渡越时间法来测量超声波传播时间。
(2) 测距方式
超声波测距测距方式有两种：一种是在被测距离的两端放置超声波传感器，一端用于发射超声波，另一端用于接收超声波的直接波方式；另一种是检测超声波回波信号的方式。因此，本次设计采用反射波方式。
2.2.4 显示方案的确定
对于系统输出测量结果的显示电路，主要是由LED数码管组成。
显示器采用4个共阳极的七段LED数码管显示器，4个七段LED的a～dp字段的引脚分别与单片机的P0端口相连，并在P0端口串入510 限流电阻，以防止电流过大而损坏数码管。LED数码管的片选是分别与单片机的P2.1、P2.3、P2.5和P2.7端口相连，并通过PNP三极管9012提供驱动，当P2端口输出低电平时，数码管中没有电流流入，当P2端口输出高电平时，数码管中会有电流流入，当某一字段需要亮时，该字段所对应的P0端口的输出端必须是低电平输出。
2.2.5 小结
经过简单的理论分析，本设计温度采集部分采用DS18B20，超声波传感器采用TCT40-16R/T，单片机系统选用80C51构成的最小系统，用LED数码管显示测量的数据。
3 硬件电路设计
硬件电路包括单片机系统、显示电路、温度补偿电路、超声波发射电路和超声波接收电路等部分。显示电路采用4位共阳数码管。温度补偿电路采用DS18B20传感器。
3.1 单片机内部系统
3.1.1 复位电路
单片机的复位可以使用外部电路实现。在振荡器正常运行的情况下，复位引脚保持两个机器周期以上的高电平，系统即可复位。在复位端出现两个周期的高电平，执行内部复位，以后每个周期执行一次复位，直到复位端变成低电平。本文采用上电外部复位电路，如图3.1所示，图中相关参数为典型值。
图3.1 上电外部复位电路图
3.1.2 振荡源
振荡电路如图3.2所示。在单片机的XTAL1引脚和XTAL2引脚之间跨接晶振并分别接上两个电容c1和c2，使其构成并联谐振电路，振荡电路中晶振频率选择范围一般可在2～12MHz之间。本设计选用的是12MHz，以提高单片机的运行速度。虽然振荡电路对外接电容值没有什么要求，但是电容值的大小会对单片机振荡器的稳定性、振荡频率的高低、起振的快速性和温度的稳定性有一定影响。此电路中电容c1和c2的值选择30pF。
图3.2 振荡电路
3.2 显示电路系统
3.2.1 译码方法
译码方法有硬件译码和软件译码。
方案一：硬件译码
硬件译码是指需要数码管显示的段码全部由硬件来处理，单片机只要送出对应的BCD码，但是对电路接线有一定的要求。
方案二：软件译码
软件译码是指用软件编程来代替硬件电路，显示段码完全用软件来处理。此方法硬件电路接线比较灵活和简单。
本设计选用的是方案二。
3.2.2 显示方法
显示方法有静态显示和动态扫描显示。
在该单片机系统中，使用7段LED显示器构成4位显示器，段选线控制显示的字符，位选线控制显示位的亮或灭。
方案一：静态显示
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不用再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次数据。简单的编程，方便管理，稳定的数据显示，较少占用单片机运行时间，但是电路接线较多，线路比较繁琐，硬件成本比较高。
方案二：动态显示
动态显示需要单片机定时刷新显示器数据，当刷新时间较长时，数据显示会出现闪烁，并且占用的较多的单片机运行时间。
这两种显示方式各有利弊：静态显示虽然数据稳定，占用单片机运行时间少，但是每个数码管都需要单独的驱动电路，使用的硬件电路较多；动态显示虽然会出现闪烁现象，占用单片机运行时间多，但是使用的硬件电路少。当显示系统中采用多个数
码管时，通常采用动态扫描的方法，节省成本。本次设计采用的是动态扫描驱动电路。
3.2.3 显示电路
本次设计的显示电路部分采用的是4位共阳LED数码管，显示电路如图3.3所示。
图3.3 4位共阳LED数码管
数码管动态扫描显示是单片机系统中较为常见的显示方式，通过将4位数码管的8个二极管的同名端分别连在一起，如图3.4所示，同时给每个数码管的公共端设计一个位选通控制电路，当单片机P0口输出段码时，所有数码管都接收到相同的段码，此时通过单片机控制位选通电路，使对应的数码管显示出数字。通过分别轮流控制各个数码管的位选通电路来控制数码管的公共端，使每个数码管的显示都被分别受到控制。在数码管依次被点亮的过程中，每位数码管的点亮时间很短，仅为几毫秒，但是由于人眼睛自身的限制，虽然每个数码管并不是同时点亮，但是人眼睛看到的却是一组稳定的数字。
图3.4 显示电路
3.3 发射电路设计
3.3.1 信号发生器
图3.5 多谐振荡器图3.6 工作波形如图3.5所示是由555定时器构成的多谐振荡器。从图中可知555定时器由比较器C1和C2、RS触发器与非门、非门和三极管等组成，其各个引脚功能如图3.7所示。555定时器的输出状态如表3.1所示。
图3.7 555定时器的引脚功能图
表3.1 555集成定时器功能表
多谐振荡器因其没有稳定的输出状态，因此又称为无稳态触发器。多谐振荡器的输出只有两个暂稳态。当多谐振荡器输出为某一暂稳态时，经过一段时间后，其输出会自行变为另一暂稳态。因其两个暂稳态的交替出现，构成一系列矩形波。因此多谐振荡器可用作方波发生器，所以本次设计采用多谐振荡器作为40kHz的方波信号发生器。
当555定时器刚接通电源时，电容电压u c=0，定时器输出电压u o=1。当u c升至2/3U CC后，比较器C1输出低电平，RS触发器置0，定时器输出电压u o由高电平变为低电平。同时，三极管T被导通，电容C通过电阻R2放电，电容电压u c下降。在1/3U CC < u c <2/3U CC期间，定时器输出电压u o保持低电平状态。在电容电压u c下降至1/3U CC以后，比较器C2输出低电平，使触发器置1，定时器输出电压u o由低电平变为高电平。同时三极管T截止，于是电容C再次被充电。如此不断重复上述过程，多谐振荡器的输出端就可得到一串矩形波。工作波形如图3.6所示。
两个暂稳态的持续时间决定了定时器振荡周期。第一个暂稳态时间t p1为电容C 的电压u c从1/3U CC充电至2/3U CC所需时间，第二个暂稳态时间t p2为电容C的电压u c从2/3U CC放电至1/3U CC所需时间。
3.3.2 发射电路
40kHz超声波的发射电路有很多种，由于555振荡器的电路结构比较简单，工作状态比较稳定，因此常被用于各种信号发生器电路中。
本次设计的发射电路由555多谐振荡电路、74LS02或非门电路、CD4069反相器电路和74LS02或非门电路等组成。555多谐振荡器振荡输出40kHz方波信号，方波信号如图3.11所示，其发射电路如图3.8所示。
图3.8 发射电路
其中74LS02或非门的集成芯片的引脚如图3.9所示。74LS02芯片中共有4个或非门，此电路中只用了其中一个或非门，主要用来控制超声波的发射。其真值表如表3.2所示，当其中一路输入为高电平时，输出即为低电平，当其中一路输入为低电平时，输出即与另一路输入端的电位相反，这就是控制超声波发射的原理。
图3.9 74LS02集成芯片引脚图
表3.2或非门真值表
输入输出
A B Y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
其中4069取反器的集成芯片的引脚如图3.10所示。芯片中共有6个非门，此次设计采用其中5个非门，用于推挽电路。
图3.10 4069集成芯片的引脚图
74LS02或非门的一个输入端接入40 kHz方波信号，另一个输入端连接单片机的P1.7引脚，通过单片机改变P1.7引脚的电平控制或非门的输出信号，输出信号一分为二，一路经过一级反相器后反其极性被反相，然后送至超声波发射传感器的一个电极，另一路两次经过反相器后保持原有极性送至另一个电极，超声波换能器两端波形如图3.12所示。方波信号采用推挽方式加到超声波发射传感器的两端，此方式能提高发射超声波的驱动能力。或非门输出端采用两个并联的反相器，也能够提高驱动能力。超声波发射传感器两端的上拉电阻既能提高反相器的驱动能力，也能增加传感器的阻尼效果，使振荡尽早结束。
图3.11 多谐振荡器输出的40kHz信号波形图3.12 超声波换能器两端波形
3.4 接收电路设计
超声波接收电路(如图3.13所示)由两个低噪声运算放大器LM833N等组成两级反向放大电路，由两个高频二极管等组成整流电路，由运算放大器LM358N等组成比较电路。
图中Rx为超声波接收传感器，其接收到的超声波信号波形如图3.14所示，电阻R9(10k)是超声波接收传感器的负载电阻，通过改变此电阻的阻值来改变超声波接收传
感器的频率特性曲线。当电阻R9很大时(大于100k)，频率特性曲线趋于尖锐，通频带较窄，此时灵敏度比较高；当电阻R9很小时(小于10k)，频率特性曲线趋于舒坦，通频带较宽，此时灵敏度比较低。
电容C3(1000pF)和电容C1(1000pF)为耦合电容。电容C6(1uF)和电阻R10(10)为退耦电路。电阻R2(10k)和电阻R3(10k)分别是两个运算放大器的输入电阻，电阻R1(1M)和电阻R4(470k)分别是两个运算放大器的负反馈电阻，通过改变输入电阻和负反馈电阻的阻值可以改变放大电路的放大倍数。根据图中电阻数值可知第一级运算放大电路放大倍数为100倍(100
10
1010
13
62
11-=??-
=-
=R R A )，其输出波形如图3.15所示，
第二级运放电路放大倍数为47倍(47
10
10104703
3
3
42-=??-
=-
=R R A )，其输出波形如图
3.16所示。电容C4(0.1uF)、电阻R5(10k)和电阻R6(10k)组成运算放大器同向输入端的滤波分压电路，使运算放大电路的同向输入端电压为电源电压的一半，从而可以简单地使用单电源供电，省去了使用双电源的麻烦。在运算放大电路的反向输入端输入的信号源不管是正半周还是负半周都能够被放大。运算放大电路输出的负半周电压信号流经二极管D1，其信号被电容C2(1000pF)储存起来，当正半周电压信号输出时，正半周电压信号和存储在电容C2上的负半周电压信号叠加，流经二极管D2构成倍压整流电路。由于运算放大电路放大的信号是模拟信号不能够被单片机识别，所以还需使用比较电路把模拟信号转换为数字信号。比较器同向输入端的比较电压由电阻R7(47k)、电阻R8(100k)和电容C5(0.1uF)组成的分压滤波电路提供。再将倍压整流信号加到比较器的反向输入端上，与同向输入端上的比较电压进行比较。当接收电路没有接收到超声波信号时比较器输出高电平，当接收电路接收到超声波信号时比较器输出低电平。最后将低电平传送给单片机外部中断使之做相应处理。
图3.13 接收电路
图3.14 超声波接收器接收到的信号
图3.15 第一级放大电路输出波形
图3.16 第二级放大电路输出波形
3.5 温度补偿电路设计
根据公式(2)可知，超声波的声速与温度有关，如果温度变化较小时，基本上可以认为声速保持不变。如果温度变化较大时，则声速变化较大。当应用场合对测距要求比较高，则应采用温度补偿电路来提高测量精度。因此，为了提高系统的测量精度，加入了温度补偿电路，温度补偿电路如图3.17所示。
温度补偿电路主要采用DSl8B20温度传感器来采集温度。DSl8B20是单线串行数字温度计，可直接与单片机P2.0引脚连接而且线路连接简单。虽然DSl8B20的电路比较简单，但其对温度采集时的时序要求比较高。DSl8B20是以二进制形式直接输出温度值，其测量范围为-55～125℃。再根据实际温度的值，利用公式(2)可计算补偿声速。
根据表2.1可知，超声波在空气中的波速与温度T(单位:摄氏度)有如下近似关系:
T
C c 607.00+≈ (2)
其中，C 0是在0℃时的波速为331.45m/s ，T 为环境温度(℃)。在常温下，超声波速度随着温度每变化1℃，其波速的变化约为0.607m/s ，因此通过温度补偿电路测出当前环境的温度，就能够计算出超声波此时的波速c 。
图3.17 温度补偿电路
//晶振:11.0592 //TRIG:P1.2 ECH0:P1.1 //波特率：9600 #include
{ j=10; while(--j); } } } void zd0() interrupt 1 //T0中断用来计数器溢出，超出测距范围{ flag=1; //中断溢出标志 } void StartModule() //T1中断用来扫描数码管和计800ms启动模块{ TX=1; //800MS启动一次模块 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TX=0; } void main(void) { TMOD=0x21; //设T0为方式1,GATE=1; SCON=0x50; TH1=0xFD; TL1=0xFD; TH0=0; TL0=0;
测控技术与仪器专业课程设计报告 班级姓名学号起始时间 课程设计题目： 测控技术与仪器专业课程设计报告 摘 要：本文介绍了一种基于单片机的超声波测距仪的设计。详细给出了超声波测距仪的工作原理、超 声波发射电路和接受电路、测温电路、显示电路等硬件设计，以及相应的软件设计。设计中采用升压电路，提高了超声换能器的输出能力；采用红外接收芯片，减少了电路间相互干扰，提高了灵敏度;同时，考虑了环境温度对超声波测距的影响，采用温度传感器，提高了测量精度。该设计试验运行良好，系统结构简单、操作方便、价格低廉，具有广阔的推广前景。 关键字：超声波测距仪；超声波换能器；单片机；温度传感器 1 对题目的认识和理解 目前，常用的测距方法主要有毫米波测距、激光测距和超声波测距三种。超声波测距较前两种测距方法而言，具有指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小等特点，广泛应用于如井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。 超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45m/s ，由单片机负责计时，单片机使用12.0M 晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。 目前比较普遍的测距的原理是：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。 本设计选用频率为40kHZ 左右的超声波，它在空气中传播的效率最佳。由于超声波测距主要受温度影响较大，所以本设计增加了温度补偿电路。本设计具有电路简单、操作简便工作稳定可靠、测距精确和能耗小、成本低等特点，可实现无接触式测量，应用广泛。 1.1 超声波测距原理 超声波测距是通过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反射回来，超声波接收器收到回波就立即停止计时。根据计时器测出发射和接收回波的时间差t ，可以计算出发射点距障碍物的距离s ：2 = t c s ，其中t c 为超声波在空气中的传 播速度，它随温度的变化而变化，其变化关系如下：331.50.6=+t c T 式中T 为环境摄氏温度，可由温 度传感器获取。
芀一、超声波测距原理 肅超声波测距原理是通过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时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v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S , 即: 膂S = v·△t /2 ① 芀这就是所谓的时间差测距法。 蝿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。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。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（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： 螅V = 331.45 + 0.607T ② 芄 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。 薂二、系统硬件电路设计 腿图2 超声波测距仪系统框图 蒆基于单片机的超声波测距仪框图如图 2 所示。该系统由单片机定时器产生 40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机 是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单 片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10 个脉冲信号加到超声 波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后， 单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数， 这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 莅1 、超声波发射电路 螀超声波发射电路如图3所示，89C51 通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250 μ s , 40kHz 的10 个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发 射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远, 可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 薈图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应 将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它 上面的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。市售的超声 波传感器有专用型和兼用型,专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接
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
基于51单片机带温度补偿的HC-SR04超声波测距系统利用从网上购买的HC-SR04超声波模块制作了一个测距装置，HC-SR04自身不带温度补偿功能，所以加上一个使用DS18B20做的温度测量模块。整个系统包括：51单片机最小系统，超声波测距模块、温度测量模块、液晶显示模块。使用了如下主要元器件： 元件说明数量 STC90C516RC51单片机1 HC-SR04超声波测距模块1 DS18B20温度测量模块1 lcd1602液晶显示模块1 系统电路图
51单片机最小系统 单片机型号：STC90C516，晶振：12Mhz。自己动手焊接的最小系统板。
LCD1602A液晶显示模块： HC-SR04超声波测距模块 HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm；模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。 实物正反两面图 HC-SR04电气参数：
HC-SR04工作原理及说明： 1、给Trig触发控制信号IO端口至少10us的高电平信号； 2、模块自动发送8个40khz的方波，并自动检测是否有信号返回； 3、有信号返回时，Echo回响信号输出端口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到 返回的时间； 4、两次测距时间间隔最少在60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响； 超声波时序图 单片机控制HC-SR04超声波测距说明： 原理图中，单片机的P1.7口接HC-SR04的Trig端口，P1.6口接HC-SR04的Echo端口，超声波在传播时碰到障碍物即返回，HC-SR04模块收到回波信号后Echo口输出一个高电平，单片机检测到高电平后即启动计数器开始计数，直到单片机检测到Echo口变成低电平后结束计数，计数器的计数值乘以单片机计数周期就是超声波从发射到接收的往返时间，即距离S=v*t/2； 由于在室温下，声速受温度的影响，其变化关系为：V=334.1+T*0.61(T为当前温度)，利用DS18B20温度传感器可以得到环境温度，补偿温度对声速的影响。当温度高于26度或低于14度时，上述公式不能完全满足对测量的修正了，所以高于26度时取26度，低于14度时取14度。 距离计算公式为：S=(334.1+T*0.61)*N*T0/2
超声波测距程序（详细C语言数码管显示） #include
自制一个由你掌控的 —— 超声波测距传感器（硬件篇） 一、背景 四年多前，我曾尝试自己制作一个超声波测距传感器。 当时是想为 LEGO 的 RCX 配套，因为我是Semia 的技术支持，那时RCX 还没有配置任何测距传感器。由于可查阅的资料有限，且不详细，最后以失败告终 /（也许在网络搜索上我属于“菜鸟”）。 为了达到目的，只好选用了 Sharp 公司的 GP2D12。但自制超声波测距传感器的愿望一直没被遗忘。一是觉得超声波用于测距从原理上讲应该效果不错（GP2D12的测距范围太小，只有 10 — 80 cm）；二是市售成品不够灵活，为了适应它还得做转换接口，费力耗财。 前段时间协助一个单位搞项目，涉及到超声波测距；有幸的是解剖了一款进口的超声波测距传感器 —— SensComp公司的6500，使我对相关原理和技术有了比较透彻的了解。 本想项目结束后立刻动手设计一个自己的传感器，后因忙于“圆梦小车”耽搁了。 现在圆梦小车已初具雏形，可以腾出一点时间，而且小车也需要一些传感器与之配套，便着手实现了这个夙愿。
基于嵌入之梦工作室的宗旨 —— 为学习单片机的大学生服务，将设计和制作的细节与大家分享，希望能有助于读者做出属于你自己的超声波传感器，也让和我有类似想法的人不至于再次失望于网络。 二、需求分析 ?能在测距范围上弥补 GP2D12 的不足，将距离延伸到 80cm以外； ?可以提供给大学生和爱好者 DIY，具有学习功能； ?方便自己随时修改程序，使学习的作用得以充分发挥； ?成品具有一定的使用价值，可方便的应用于小车等需要测距的装置上。 三、概要设计 总体设计参照 SensComp公司（https://www.doczj.com/doc/2a4863844.html,）6500测距模块，其核心是两片专用的超声波测距IC：TL851和TL852。 TL852是一片专门设计用于超声波接收、放大、检测的芯片，集成了可变增益、选频放大器，可通过四根控制线变换11级增益，对于检测超声波信号十分有效。 TL851 与TL852 配套，它可实现超声波发射及控制TL852的增益变换，通过定时控制增益，使TL852的增益与回波时间相匹配，一方面提高了检测的灵敏度，同时减小了干扰。 如果不能随时间变换增益，为增加检测距离，就需要加大灵敏度；而开始时灵敏度就很高，无疑会收到一些不想要的信号。（6500测距模块的相关资料及芯片资料见附件） 解剖此模块时，对TL852的功能十分感兴趣，当初我制作时就是“栽”在这个环节；而TL851的功能基本属数字控制范畴，输出还需要配合单片机才能得到结果，接口也不是十分灵活，笔者认为完全可以用单片机替代。 所以，本次设计的主要改变就是用单片机替换6500模块的TL851。 单片机还是选用圆梦小车所用的STC12系列，一是考虑是51兼容，符合国内多数教材；二是下载程序方便。此次选用的是 STC12LE4052（4K FlashROM，256 RAM）。考虑体积因素，选择了SOP20封装。
摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以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
Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring,building construction site and some industrial scenes extensively. This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision. Key words AT89C51; Ultrasonic Wave; Measure Distance
单片机课程设计 一、需求分析： 超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量围在１m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，起到智能操作，实时监控的作用。 关键词单片机AT82S51 超声波传感器测量距离 二、硬件设计方案 设计思路 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为340米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。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要求。 超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，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完成，超声波测距器的系统框图如下图所示： 超声波测距器系统设计框图 主要由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组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
基于单片机的超声波测距系统实验报告
一、实验目的 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； 3.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； 4.以数字的形式显示所测量的距离； 5.用蜂鸣器和发光二极管实现报警功能。 二、实验容 1.认真研究有关理论知识并大量查阅相关资料，确定系统的总体设计方案，设计出系 统框图； 2.决定各项参数所需要的硬件设施，完成电路的理论分析和电路模型构造。 3.对各单元模块进行调试与验证； 4.对单元模块进行整合，整体调试； 5.完成原理图设计和硬件制作； 6.编写程序和整体调试电路； 7.写出实验报告并交于老师验收。 三、实验原理 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。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，单片机(AT89C51)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,得出时间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显示电路进行显示。 （一）超声波模块原理： 超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;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*声速(340M/S))/2。实物如下图1。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。
安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了SensComp公司生产的Polaroid 6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。 1、超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转 化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）[2]。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的
声源与障碍物之间的距离，即 1、硬件电路设计 我们设计的超声波测距系统由Polaroid 600系列传感器、Polaroid 6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机构成。 2.1 Polaroid 600系列传感器 此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VAC pk-pk的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4kHz的超声波。当接收回波时，Polaroid 6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。 Polaroid 600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角[3]，如图1所示：
单片机课程设计 题目基于单片机的超声波测距设计
目录 1 课程设计的目的 (1) 2 课程设计任务与要求 (1) 3 方案论证 (2) 4 设计原理及功能说明 (3) 4.1 超声波测距原理 (3) 4.2 STC89C52RC单片机原理 (4) 4.3 超声波测距系统框图 (5) 5 单元电路的设计 (6) 5.1 超声波模块电路 (6) 5.2 数码管显示电路 (7) 5.3 单片机最小电路 (7) 5.4 键盘连接 (8) 6 硬件的制作与调试 (8) 6.1 硬件的制作 (8) 6.2 调试 (9) 7 总结 (9) 参考文献 (11)
附录1：总体电路原理图 (12) 附录2：实物图 (13) 附录3：元器件清单 (14) 附录4：编程程序 (15)
1 课程设计的目的 1)单片机课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计与制造出具有较复杂功能的小型单片机系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“单片机”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型单片机系统设计的基本方法。 2)通过课程设计，培养综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一实际问题的实际本领，加深对该课程知识的理解。主要培养以下能力：查阅资料：搜集与本设计有关部门的资料(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；方案的选择：树立既考虑技术上的先进性与可行性,又考虑经济上的合理性,并注意提高分析和解决实际问题的能力；迅速准确的进行工程计算的能力,计算机应用能力；用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 3)培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。培养学生综合运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力。培养学生独立思考、独立收集资料、独立设计规定功能的单片机系统的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、仿真绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。 2 课程设计任务与要求 1)使用51系列单片机、超声波模块等设计超声波测距系统； 2)利用超声波模块进行测量系统到前方障碍物之间的距离； 3)通过数码管显示出测距的距离。
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。
超声波测距C语言源程 序代码 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
/*{HZ即单位s的倒数}本晶振为12MHZ,因此外部的时钟频率为12MHZ,所以内部的时钟频率为(12M H Z)/12=1M H 即1000000HZ,而机械频率为1/(1MHZ),即每完成一次计算(即定时器的值加一)用时, 即1us(微秒).*/ /*************************************************************************** ********/ #include<> #define UC unsigned char #define UI unsigned int void delay(UI); sbit BX = P3^0;void TimeConfiguration(); a = 0; b = 0; c = 0; P2 =~ 0x00; goto loop; } time = TL0 + TH0*256; juli = ( int )( (time*/2 ); BAI = ( (juli%1000)/100 ); SHI = ( (juli%100)/10 ); GE = ( juli%10 ); /******************************************两种模式的距离显示 ********************************************/ if(juli > MAX) { Hong = 0; Lv = 1; while( t1-- ) { a = 0; b = 1; c = 1; P2 =~ CharacterCode[BAI]; delay(400); a = 1; b = 0; c = 1; P2 =~ CharacterCode[SHI]; delay(400); a = 1; b = 1; c = 0; P2 =~ CharacterCode[GE]; delay(390);
前言 随着我国科学技术的迅速发展，许多场合都需要测距仪器的应用，如汽车倒车，建筑工地的施工以及一些工业现场的位置监控，还有矿井深度、水位位置、管道长度等场合都需要用到测距仪器。要求仪器简单，方便，易操作控制，而超声波测距仪，就能实现以上的要求。它测量范围在0.10-1.20m，测量精度1cm，测量时仪器与被测物体不会直接接触，而且能够清晰稳定的在液晶显示屏上显示出测量结果。 但就目前整体的技术水平来说，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。展望未来数十年，超声波测距仪作为一种新型的非常重要且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。 本设计采用以AT89C51单片机为控制器核心的高精度、低成本、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、中断程序、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。 1总体方案设计介绍 所谓的超声波就是指频率高于20MHZ的机械波。既然是以超声波为检测工具，那么肯定要产生超声波和接受超声波的工具，这就需要用到我们的传感器，俗称探头。它有发射器和接收器之分，主要原理就是利用电效应把电能和超声波相互转换，利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。 本文所研究的超声波测距仪利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、中长距的高精度测距等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，将电能转换，发射超声波，同时在发射的时候单片机就开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波回波时，将超生振动转换成电信号，同时单片机停止计时。超声波测距原理一般采用渡越时间法TOF，设超声波在空气中的传播速度为C，从发射到遇到障碍物反射回来在空气中的传播时间为T，声源与障碍物的距离为L，则易知L=C*T/2，这样可以测出声源与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上稳定的显示出来[1]。 传感器的工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声
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江苏经贸职业技术学院毕业设计（论文）
单片机的超声波测距仪设计基于题目：MCS51 ) 信息技术学院系 (院 12应用电子专业 班级1227031128 号学学生姓名万小伟董李江职校内导师称老师 职夏国平企业导师称工程师 职企业导师潘仕美称研究生 5年2015月日12 基于MCS51单片机的超声波测距仪设计 摘要：伴随着社会的发展，人们的生活质量不断地提高，各个的城市不断地在 发展，当然城市的排水系统得到了很大的发展和改进，由于很多的原因和很多的因素，每个城市的排水系统，现在的城市的发展和建设往往忽略一些重要的项目
那就是排水系统。所以好多的城市经常出现开挖已经建设好的建筑和工程设施来改进排水系统因此他们忽视到这个问题的严重性。 因此，我的论文设计是采用以AT89C51单片机为核心的高精度、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它还有一个重要的指标那就是低成本一种的设计方法。 通过一系列的实验反馈，这个软件设计的非常的合理、低成本、实时性良好，经过开发和研究，因此在许多的方面得到很多的发展和有效的解决一些重要的问题比如在汽车的倒车，建筑的工地上，还有一些重要的工业现场的重要的位置等等。 关键词：超声波测距仪AT89C51 The design of ultrasonic range finder based on MCS51 Abstract:With the development of science and technology, the improvement of people's standard of living, speeding up the development and construction of the city. urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving. control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. At the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. Keywords: Silent Wave Measure Distance AT89S52