超声波测距仪的设计
摘要：电子测距仪要求测量范围在0.10～5.00m，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。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，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。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。
该测距仪采用NE555电路、两级放大电路和电平比较电路实现了超声波的发射与接收。单片机为该测距仪的核心单元，实现发射电路的控制和接收数据的处理。本系统在10～200cm的距离内测量精度可达±0.5cm，并且易于调试，成本低廉，具有很强的实用价值和良好的市场前景。
关键字：超声波传感器，测距仪，PIC16F876A
Abstract：Ultrasonic Ranging, can be used in car reversing, the construction site and the location of some industrial site monitoring, can also be used if the level, depth and length of the pipeline, such as measurement occasions. Measurement of the requirements in the 0.10-5.00 m, precision 1 cm, with the measurement of detected objects without direct contact, being able to clearly show stable measurement results. Because of the strong point of ultrasonic energy consumption slow, medium of communication in the longer distance, thus frequently used ultrasonic distance measurement, such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by ultrasound. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient and simple terms, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry, in the mobile robot has been developed on a wide range of applications.
The range finder only NE555 circuit，two amplifier circuit and the level achieved a comparison of launching and receiving ultrasound. SCM range finder for the core elements for launching the circuit control and receive data processing. 10-200 cm in the system of distance measurement accuracy up to ±0.5cm，and easy to debug，low-cost，with strong practical value and good market prospects. Keywords:Ultrasonic sensors, range finder, PIC16F876A
目录
一、系统方案比较与选择 (4)
方案一：利用分立模块的超声波测距仪 (4)
方案二：基于PIC16F876A单片机的超声波测距仪 (4)
二、理论分析与计算 (6)
1、测量与控制方法 (6)
2、理论计算 (6)
三、电路与程序设计 (7)
1、检测与驱动电路设计 (7)
2、总体电路图 (12)
3、软件设计与工作流程图 (14)
四、系统调试 (15)
1 超声波测距误差分析 (15)
2 提高精度的方案及系统设计 (16)
3、测量结果 (18)
五、创新发挥 (19)
六、设计结论 (20)
一、系统方案比较与选择
方案一：利用分立模块的超声波测距仪
系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分。
超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制（如图1所示）；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。
显示模块是一个8位段数码显示的LCD；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。
电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供系统各部分电路使用。
系统结构
图1 超声波测距模块组硬件框图
优点：具有历史数据存储功能、出错管理功能。
缺点：能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高。
方案二：基于PIC16F876A单片机的超声波测距仪
超声波测距仪主要以单片机PIC16F876A为核心，其发射器是利用压电晶体
的谐振带动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，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=340×t/2，这就是常用的时差法测距。
在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步;当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。
双向超声波测距仪的系统主要有几下部分组成（如图2所示）： LED显示模块，PIC16F876A芯片，超声波发射模块，超声波接收模块，电源模块等五大模块组成。
图2 系统设计总体框图
优点：双向测距，精度高，功耗低。
在电路中我们采用PIC芯片它的优点是：精简指令使其执行效率大为提高；
彻底的保密性；
其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。
基于上述两种方案的比较，方案一，测量盲区较长，结构复杂且稳定性不高。方案二，能进行双向测距，精度高，功耗低，模块简单，稳定性高。所以选用方案二。
二、理论分析与计算
1、测量与控制方法
声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波传感器的结构如图3所示。
图3 超声波传感器结构
由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距选择就以自动选择功能来实现。
2、理论计算
图4 测距的原理
如图4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S=C*(T/2)其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T=T1+T2），可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。这样可以求出距离：
S=C(T1-T2)/2
本次设计是用555时基电路振荡产生40Hz的超声波信号。其振荡频率计算公式如下：
f=1.43/((R9+2*R10)*C5)
三、电路与程序设计
1、检测与驱动电路设计
A、器件选择：
本系统在设计过程中主要选取了以下一些器件：
1.PIC16F876A：测距仪的核心单片机
2.HEF4052B：双4通道的模拟选择器/分配器
3.NE5532P：双低噪声运算放大器
4.发射探头R40-16
5.接受探头T40
6.电位器5332
7.变压器
B、芯片介绍：
PIC16F876A：28引脚器件有3个I/O端口，而40/44-pin装置有5。28引脚器件有14中断，而该装置有40/44-pin 15。28引脚器件有5个A / D输入渠道，而40/44-pin装置有8。其引脚图如图5所示。
图5PIC16F879A系列引脚图
NE5532P：1引脚A放大器输出，2引脚A放大器反相输入端，3引脚A放大器同相输入，4引脚负电源，5引脚B放大器同相输入端，6引脚B放大器反相输入端，7引脚B放大器输出，8引脚正电源。其引脚图如图5所示。
图6NE5532P引脚图
HEF4052B：HEF4052B是双4通道的模拟选择器/分配器，即可作为从4路的输入信号中选择一路作为输出的选择器，也可作为将一路输入信号分配到4路输出通道中的一路输出的分配器。通道之间是双向的。IC内置的译码器有4个间接的模拟开关输出，对2*4个通道进行选择/分配。MT#用作对A V1，A V2/DVD(共用),YPRPB/VGA（共用），TV四路伴音信号的选择。其引脚图如图6所示。1脚、2脚、4脚、5脚的Y0B to Y3B和11脚、12脚、14脚、15脚的Y0A to Y3A为独立的输入/输出通道；9脚A1、10脚A0为地址输入（选择端）；6脚E\为使能端（低电平有效）；3脚Z B、13脚Z A为公用的输入/输出通道；7脚V EE为输入/输出信号的下限值；8脚V SS为接地端；16脚V DD为供电端。其引脚图如图7所示。
图7 HEF4052B引脚图
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。
C、发射电路原理：
图8 发射电路原理
由图9所示发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器及超声换能器组成。单脉冲发生器在振荡器的每个周期内都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，来自单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声换能器发射超声波。
图9 发射电路组成图
由555型电路组成多谐振荡器，它的振荡频率为40kHz。RPI用来校准振荡频率。多谐振荡器产生的40kHz的脉冲由3脚输出，经D1、D2两级缓冲、整形后，通过超声波发射器UCM40-T向外发射。
D、接收电路原理：
图10 接收电路原理
本电路包括超声波接收头，电压器、检波电路和单稳态延时电路，如图11所示。超声波接收头 UCM4a-R将运动物体反射的超声波接收并转换为电脉冲信号后，由R5、C4组成的高频滤波电路滤除干扰脉冲后，经RP2分压调节，由C5、R6藕合至电压放大器进行电压放大。RP2兼作超声波接收头的负载与接收灵敏度的调节电位器。
在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一的能量来源，稳压电源的主要任务是将50Hz的电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足负载的需要，直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。其电路图如图11所示。其中，变压器将交流电源（220V/50Hz）变换位符合整流电路所需要的交流电压；整流电路是具有但方向导电性能的整流器件，将交流电压整流成单方向脉动的直流电压；滤波电路滤去单向脉动直流电压中的交流部分，保留直流成分，尽可能供给负载平滑的直流电压；稳压电路是一种自动调节电路，在交流电源电压波动或负载变化时，通过此电路使直流输出电压稳定。
F、显示电路原理
超声波测距仪显示模块如图12所示。通过单片机的15、16、17三个管脚的信号控制三个三极管的B级，利用三极管的开关特性，实现数码管的点亮，从而实现动态显示。
图12 显示模块
采用LED动态显示，数据经过PIC芯片的计算后传到LED上，显示精度是厘米。
2、总体电路图
本系统采用双向测距，通过双向收发来实现，两方发送分别由082D和NE5534P两个运放来控制，将信号放大由超声波传感器发送；再经过超声波传感器接收，由变压器进行耦合经三极管放大，将左右（分别由红绿两盏灯区分）两组数据送入CD4052数据选择器进行数据选择，选出信号强（测量距离近）的那个信号送入PIC主芯片，再由PIC进行处理将结果送到数码管显示。其总体电路图如图13所示。
图13 超声波测距仪总体电路图
3、软件设计与工作流程图
超声波测距仪的软件设计主要由主程序、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。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪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语言和汇编语言混合编程。程序流程如图14所示：
图14 软件设计流程框图
其工作流程是：上电后首先对系统进行初始化，紧接着调用显示子程序，显示完后判断有没有超声波被接收，若有，则停止计时并将计时值送入距离计算子程序，然后将所测距离显示1秒，最后返回进行下一轮液位测量，若没有信号进来，则继续调用显示子程序。其流程图如图15所示。
图15 工作流程图
四、系统调试
超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.10～5.0m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
1 超声波测距误差分析
1、发射接收时间对测量精度的影响分析
采用TR40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般
要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。
设测量设备基准面距被测物距离为h ，则空气中传播的超声波波动方程为：
()()()-==k h t+kt e t+kt 20A A cos A cos ωωω
(1)
由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。
经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。
2、当地声速对测量精度的影响分析
当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即：
=
s C (2)
由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下：
=0C C (3)
式中C0=331.4m/s ； T 为绝对温度，单位K 。
此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降 1oC, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。
2 提高精度的方案及系统设计
（1）温度校正的方法提高测距精度
由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 ⑷ 求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。
采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。
为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用DALASS 公司生产的DS18B20 集成温度传感器。DS18B20 采用了DALASS 公司的1-WIRE 总线专利技术，能够仅在占用控制器一个I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电），极大的方便了使用者的调试使用，而且其在－10oC ～＋85oC 的工作环境下可以保持± 0.5% 的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。
通过DS18B20 芯片获得的数据信号经由1-WIRE 总线传至MCU ，由软件进行声速换算。为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推出的STC12C5410 单片机实现超声波测距的各项功能。STC12C5410 采用了低成本、低功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持48MHz 的前提下能够实现 1 个时钟/ 机械周期的运行速度。由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有效的减少由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪的设计要求。
（2）标杆校正的方法提高测距精度
在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。标杆校正的示意图如图15 所示。
图16 标杆校正的示意图
超声波测距装置首先测量距离已知为h 的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测得的时间和距离h 根据公式⑷求出当地声速。通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。因此，只用为测距设备设定“标定”和“测量”两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。
3、测量结果
按照设计的硬件电路和软件，做成成品，调试好后，对系统进行测试，测试数据如表1和表2所示。其中表1为左边测距数据（绿灯亮时），表2为右边测距数据（红灯亮时）。测量单位：cm。
表1左边测距数据
表2 右边测距数据
五、创新发挥
①能实现双向测距。我们所设计的电路能实现双向测距，分别由两个发光二极管来去分测距方向，并且自动选择测量距离短的一面。
②可以校准。当测距不是很准确的时候可以用定位器来进行校准，反应速度在0.1ms内，测量精确度在1cm内。
本次超声波测距仪器设计，能实现双向测距而且单项测距范围13cm-300cm，所以双向测距的总长度达到了600cm。而且在测距1m内，测量误差小于3cm精度较高，最小分辨率也达到了1cm，测试盲区13cm，而且精度高。
因为声波的速度与温度有关，测量值在非室温下准确度会下降，所以测距仪受温度的影响，每升高1度距离加快4m/s。在本应用中引入了一个电位器来进行测距距离补偿，可以使系统在很大的温度范围内精确测量。如果需要测得的距离数据可以存储在FLASH 存储器中。加上额外增益和使用多态LCD 来读出尽可能多的位数也可以增大测量范围。
六、设计结论
对所设计的电路进行测量、校准发现其测量范围15cm~300cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为3cm，显示最小分辨率为0.01 m，测量盲区小于0.15米，且重复性好。
该测距仪具有准双向测距功能，稳定性比较高、灵敏度比较高，盲区范围小，分辨率小于0.01m, 被测目标不需要垂直于超声波测距仪角度保持在正负30度，被测目标表面不需要平坦；但是在检测过程中会有一些不便的地方：
1.测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体，由于发射功率有限，测距仪无法测量5m外的物体。
2.因为实现双向测距所以电路的电流相对比较大。
3.不能够实现不同温度下的测距功能。
4.因为超声波是将空气作为媒介所以受电磁干扰比较大。
超声波测距仪电路设计实验报告 轮机系楼宇071 周钰泉2007212117 实验目的：了解超声波测距仪的原理，掌握焊接方法，掌握电路串接方法，熟悉电路元件。 实验设备及器材：电烙铁，锡线，电路元件 实验步骤：1,学习keil软件编写程序2、焊接电路板3、运行调试 超声波测距程序： #include
unsigned char i; sbit ST=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^4; sbit CLK=P3^5; sbit M1=P3^6; sbit M2=P3^7; sbit SPK=P2^6; sbit LA=P3^3; sbit LB=P3^2; sbit LC=P2^7; sbit K1=P2^4; sbit K2=P2^5; bit wd; bit yw; bit shuid; bit shuig; unsigned int cnta; unsigned int cntb; bit alarmflag; void delay10ms(void) { unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); } void main(void) { M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) { if(K1==0) { delay10ms(); if(K1==0) { yw=1; wd=0; } } else if(K2==0) { delay10ms(); if(K2==0) { wd=1; yw=0; } } else if(LC==1) { delay10ms(); if(LC==1) { M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; } } else if((LC==0) && (LB==1)) { delay10ms(); if((LC==0) && (LB==1)) { M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; }
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电子烧友会基于51单片机的超声波测距仪 之倒车雷达作品设计毕业论文 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，他广泛应用于防盗、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STC公司的STC89C52的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不足并加以改进，将温度引起的误差考虑在内并且加以修正，给出了以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、液晶显示超声波测距系统的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单并且做到了可设计报警范围的功能,在测量精度方面能达到工业使用的要求。 关键词：单片机；液晶显示；报警；测距 I
Ultrasonic distance measurement based on single chip Abstract:Ultrasound has a strong point, the energy consumption of the slow spread of the advantages of distance, so the use of sensor technology and automatic control technology, the program combines distance, ultrasonic distance measurement is the most common one, and he widely used in security, parking sensor, water level measurement, construction sites and some industrial sites. This subject introduces the principles and characteristics of ultrasonic sensors, and microcontroller STC89C52 STC's performance and characteristics, and the analysis of the ultrasonic distance measurement based on the principle that the lack of design ranging system and make improvements, will into account the error due to temperature and should be amended to STC89C52 given low-cost microcontroller as the core, high-accuracy, liquid crystal display ultrasonic ranging system of hardware and software design methods. The system circuit design is reasonable, stable, good performance, fast detection of simple calculation and can be designed to achieve the alarm range of functions to achieve precision in the measurement requirements for industrial use. Keywords:microcontroller; LCD display; alarm; ranging
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。
毕业设计 毕业设计题目：超声波测距仪的设计 学生姓名： 学号： 系别： 专业班级： 指导教师姓名及职称： 起止时间：
摘要 现代的社会已经进入了飞速发展的阶段，人们在各个领域对测距仪的应用，有越来越广泛的需求。针对愈发广泛的应用需求，设计一种经济实用﹑准确度高﹑响应灵敏的测距仪很有必要，而本文设计的超声波测距仪恰好满足以上要求。 由于超声波具有指向性强和传送距离远等优点，人们很容易利用超声波制成测距仪。为了实现测距功能，本设计以AT89S51芯片为核心，再结合4位一体共阴LED数码管、超声波传感器模块和12.0M晶振等器件。系统里包括了单片机系统，LED显示电路，复位电路以及超声波发射接收电路。 关键词超声波测距仪 AT89S51芯片
Abstract Modern society, has entered a stage of rapid development. Application of range finder in many fields , has a growing demand. In order to meet the increasing demands , it is necessary to design an economical range finder, which has a high accuracy and a sensitive response. The ultrasonic range finder designed in this thesis just satisfies the above requirements. Because of good directivity and long transmission of ultrasonic, it is easy to fabricate an range finder by ultrasonic. In order to achieve the function of measuring distance , ultrasonic range finder is designed with AT89S51 chip as the core. It also contains four in one common cathode LED digital tube, ultrasonic sensor module, and 12.0M crystal . The ultrasonic range finder is made up ofa single-chip system, LED display circuit, reset circuit, and an ultrasonic transmitting and receiving circuits. Key words：Ultrasonic Range finder AT89S51 chip
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
1 绪论----------------------------------------------- 2 1.1 课题背景、目的和意义 ------------------------------------------------------------------------------------------- 2 1.2 课题主要内容 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 2 系统概述------------------------------------------- 3 2.1 超声波测距仪的原理 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.2 两种常用的超声波测距方法 ------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.3 超声波的介绍 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 2.4 超声波传感器 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 2.5 本章小结 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10 3 系统设计------------------------------------------ 10 3.1 系统组成 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 3.2 超声波测距仪硬件设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 11 3.3 超声波测距仪软件设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 13 3.4 本章小结 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 16 4 系统调试------------------------------------------ 17 4.1 软硬件的调试 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 17 4.2 仪器精度分析及如何提高超声测距精度---------------------------------------------------------------------- 17结论-------------------------------------------------- 20致谢-------------------------------------------------- 21参考文献 ------------------------------------------ 22附录 A ------------------------------------------------ 23附录B ---------------------------------------------- 24
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
摘要 随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。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的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波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越来越受到人们的重视。 目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，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，宇航，石油化工，交通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。 随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。 （2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。 （3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单
可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。 关键词：超声波；测距；电子电路
Abstract With the development of society, the traditional ranging method on many occasions has failed to meet the demands of the people, for example in the well depth, liquid level, pipe length and so on, the traditional ranging method can't finish the task of measurement. And in many requirements under the condition of the real-time location, the traditional method is also difficult to perform a complete measurement range of tasks. These unique advantages of ultrasonic more and more attention by people. At present the demand for ultrasonic accurate location is more and more big, such as oil terminal and the liquid surface water tank precise measurement and control, the object of the stomata size in testing and mechanical internal damage detection, etc. transportation and other industrial areas also have widely application. In addition, in material science, medicine, biological sciences and also accounted for a important position in. Along with the computer technology, automation technology and the development of industrial robots and the widespread application, location problem is becoming more and more important Compared with other ranging method, ultrasonic ranging has the following advantages: (1) to light and color ultrasonic not sensitive, can be used to identify transparent and diffuse sexual difference of objects (such as glass, polishing body). (2) ultrasonic outside light and the electromagnetic fields to not sensitive, and
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
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
目录 前言 1课题设计目及意义----------------------------------------------- 1 1.1设计目----------------------------------------------------- 1 1.2设计意义----------------------------------------------------- 1 1.3课题设计任务和规定------------------------------------------- 1 正文 1 课程方案设计------------------------------------------------- 2 1.1系统整体方案--------------------------------------------------- 2 1.2系统整体方案论证-------------------------------------------- 2 2系统硬件构造设计------------------------------------- 2 2.1 51系列单片机功能特点及测距原理------------------------------ 3 2.1.1 51系列单片机功能特点------------------------------------- 3 2.1.2 单片机实现测距原理 ----------------------------------------- 3 2.2 超声波电路构造------------------------------------------------ 4 2.3 超声波测距系统硬件电路设计---------------------------------- 4 2.4 PCB版图设计---------------------------------------------------- 5 3 系统软件设计----------------------------------------- 6 3.1 超声波测距仪算法设计---------------------------------------- 7 3.2 主程序流程图--------------------------------------------------- 7 3.3单片机某些C语言程序-------------------------------------------- 8 3.4超声波测距某些C语言程序-------------------------------------- 11
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
《微机原理及应用》课程设计 超声波测距器的设计 学生姓名郝强 学号20110611113 学院名称机电工程学院 专业名称机械电子工程 指导教师王前 2013年12月27日
摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以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。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。 关键词：超声波；传感器；测量距离；控制
目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.设计目的 (4) 2.总体方案 (4) 3.硬件设计 (5) 3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5) 3.2.1单片机芯片的选择 (6) 3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6) 3.3超声波发射电路设计 (6) 3.3.1选择超声波发生器类型 (6) 3.3.2 超声波发射电路设计 (7) 3.4超声波接收电路设计 (8) 3.5超声波显示电路设计 (9) 4.软件设计 (9) 4.1波测距器的算法设计 (10) 4.2系统的主控制程序设计 (11) 4.3发生子程序设计 (12) 4.4接收中断程序设计 (13) 4.5显示程序设计 (14) 4.6距离计算程序 (15) 5.结论 (17) 参考文献 (18)