(完整版)基于单片机的超声波测距系统的设计与实现毕业设计40设计41

武汉长江工商学院毕业论文(设计)学院：工学院专业：电子信息工程年级：08级题目: 基于单片机的超声波测距系统的设计与实现指导教师：刘少敏职称:2012年5月18日武汉长江工商学院本科毕业论文（设计）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。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：年月日目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Key wards (1)1 绪论 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 研究意义 (2)1.3 超声波测距原理 (2)1.3.1 超声波测距基本组成 (2)1.3.2 超声波测距基本原理 (2)1.3.3 温度对超声波测距的影响 (3)2 系统设计方案论证 (3)2.1 系统概述 (3)2.2 方案论证 (4)2.2.1 单片机模块方案论证 (4)2.2.2 超声波模块方案论证 (4)2.2.3 显示模块方案论证 (4)2.2.4 电源模块方案论证 (5)3 硬件设计 (5)3.1 单片机模块 (5)3.1.1 单片机模块电路 (5)3.1.2 时钟电路 (5)3.1.3 复位电路 (6)3.2 超声波模块 (6)3.2.1 US-100超声波测距方法 (6)3.2.2 US-100模块电路 (7)3.3 人机交互模块 (7)3.3.1 液晶显示器 (7)3.3.2 显示器硬件电路 (7)3.3.3 按键与开关 (8)3.4 电源模块 (8)4 软件设计 (9)4.1 软件设计概述 (9)4.2 软件设计思路和流程图 (9)4.3 超声波模块驱动程序 (11)4.3.1 发射接收程序 (11)4.3.2 防溢出中断程序 (11)4.4 测距算法 (12)4.5 液晶模块驱动程序 (13)4.6 系统暂停中断程序 (13)5 系统调试 (14)5.1 系统调试概述 (14)5.2 硬件调试 (14)5.3 软件调试 (15)6 总结 (15)参考文献 (15)附录一 (17)附录二 (18)基于单片机的超声波测距系统的设计与实现摘要：本论文所研究的基于单片机的超声波测距系统可以被广泛的应用在实时近距离测距场合，如倒车雷达、液位测量等。

该系统能够对大体积的静止物体，实现3cm到400cm的测距，测距精度为1cm。

系统利用超声波模块US-100作为测距传感器，ATMEL89C52单片机作为核心处理器，1602ZFA型液晶屏作为距离数据显示器，此外本系统能够通过一个按键控制测距状态。

本文将围绕此超声波测距系统的工作原理、电路设计、软件设计、系统调试、改进与完善等展开论述。

经过实验证明，本系统不仅制作成本较低，而且具有良好的稳定性和实用性。

关键词：超声波测距；US-100模块；1602ZFA液晶显示器The system of ultrasonic ranging of using theSingle-chip MicrocomputerAbstract：This thesis introduces a system of ultrasonic ranging of using the Single-chip Microcomputer, which can be used in closed ranging. This system can achieve measuring a distance which is from 3cm to 400cm, but the object which is measured should be quiescent condition and own an enough large volume. This system uses ultrasonic ranging module US-100 to be a ranging sensor, makes ATMEL89C52 Single-chip Microcomputer into the core processor, and uses 1602ZFA LCD screen to display the distance data. At same time, you can press a button to make this system entering into the pausing state. This thesis will analyze the system of ultrasonic ranging, embaying its operating principle, circuit design, software design, system debug, improvement and perfection. Through experiment proving, This system does not only have a low production cost, but also have a better stability and practical applicability.Key wards: ultrasonic ranging;US-100 module;1602ZFA LCD;1 绪论1.1 研究背景超声波定义为频率大于20kHz的声波，属于机械波的范畴，是一种人耳不能识别的声信号。

它具有良好的方向性，穿透力强的特点，并且在媒质中存在反射、折射、衍射、散射等传播规律。

随着现代电子技术和工业技术的发展，超声波在各个领域都有了广泛的应用，如在工业控制方面，利用超声波衍射制造超声波流量计；在医疗方面，利用超声波的折射和反射进行医学超声波检查；在集成电路制造中对大规模集成电路进行检查等。

而本论文介绍的超声波测距则是应用超声波的折射规律完成距离测量。

近些年来在人们的生活和生产中，超声波测距技术已得到较广泛的应用，通常能完成对大体积静态物体的测距，如房屋墙壁和液面高度等。

1.2 研究意义超声波测距的研究意义主要表现在以下四个方面：（1）它是一种非接触式的测距，可以应用在探测领域或者危险作业的领域；（2）超声波具有良好稳定性、方向性的特性，除了温度因素外，受其他环境因素影响非常小，这样的特性使它很适合用来作为距离测量。

（3）超声波测距易于实现，它的产生和接受可以方便控制，并且测距数据处理简单。

（4）超声波测距的实时性较好，能够迅速的完成距离测量。

1.3 超声波测距原理1.3.1 超声波测距基本组成超声波测距功能的实现必须包含三个基本的组成部分，分别为超声波发生器、超声波反射物体和超声波接收器。

超声波发生器是用来产生和制造超声波的装置，超声波反射物体也就是测距中的被测对象，而超声波接收器即是用来识别被测物反射回来的超声波的装置。

其三者的关系如图1-1所示。

图1-1 超声波测距系统组成超声波测距中主要应用超声波的反射现象，所以被测物体应该具有较大的声波反射面，体积相对较大。

而对于超声波接收装置则是根据发生器产生的超声波频率特性来设计的，超声波的频率不同则相应的接收装置也不同。

基本办法是使得装置在没有接收特定频率超声波的时候是低电平，在接收到超声波的时候是高电平，这样就可以完成声波信号到电信号的转变。

目前市场上的超声波测距模块基本上都已经包含了相匹配的超声波发生器和超声波接收器，使用起来比较方便。

1.3.2 超声波测距基本原理超声波发发生器器向某一方向对被测物体发射超声波，在启动发生器，发射超声波的同时记录此时的时刻,超声波在空气中传播，途中碰到被测物体就会发生反射现象，被反射的超声波再经空气传播，到达超声波接收器，记录此时的时刻,那么得到发射和接收的时间间隔。

利用超声波在空气中的传播速度为已知，此时我们假设发生器TX和接收器RX与被测物体表面均平行，且TX和RX相隔距离为。

那么我们可以得到被测距离值公式：其中的为声波的反射角，且，其物理模型如下图1-2所示。

图1-2 测距系统数学模型那么当被测距离远大于TX、RX间距时，即L远大于d，那么反射角0，即，那么得到L的近表达式为公式：在常温下空气中超声波的传播速度为340m/s ,通常计算距离。

1.3.3 温度对超声波测距的影响由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关，因此对于超声波测距而言，环境温度成为影响测距精度的主要原因之一。

不同的温度，导致声速的变化，使得大范围测量的距离误差变大，所以温度是超声波测距必须考虑的问题。

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 超声波在空气传播速度与温度关系2 系统设计方案论证2.1 系统概述本论文的主要任务是完成一个应用超声波传感器，并且以单片机为核心控制器的实时携便式超声波测距系统。

本系统设计的测距范围是完3cm到400cm的范围，测距精度达到1cm。

被测物体运动状态为静止，物理状态为固态或者液态，且具有较大的声波反射面或者较大的体积，例如墙壁、门宽、液位高度等。

基于本系统的功能要求，将本系统划分为以下四个基本模块：（1）单片机模块，实现测距数据处理，为系统的核心部分；（2）超声波模块，主要任务是完成超声波产生和超声波接收，作为该系统的传感器；（3）人机交互模块，该模块包括显示器和按键开关两个部分，其中显示部分主要完成系统状态指示和测距结果的显示，按键开关用来暂停系统和重启系统；（4）电源模块，提供稳定的5V电压，为各个模块提供工作电压。

本系统构成如下图2-1所示。

在2.2节和第三章的论述中，也将以这四个基本模块为线索展开。

图2-1系统硬结构图2.2 方案论证本系统的方案论证将围绕上节划分的四个基本模块展开论述。

2.2.1 单片机模块方案论证对于单片机模块，在单片机的选择方面以低价格、低功耗且能完成系统控制性为标准。

因为超声波测距系统的数据处理通常较容易，所以一般的8位单片机都可以满足系统要求，如A VR公司的ATmegea-16系列单片机、Freescale公司的08系列单片机、ATMEL公司的51系列单片机等。

本系统选用了传统的51系列单片机作为核心控制器，即ATMEL公司的AT89C52型号单片机[1]，这款单片机不仅价格低廉操作简单，并且它的定时器模块，中断模块已足够实现本测距系统的控制，丰富的外部引脚也能好满足本系统的其他模块接入。

2.2.2 超声波模块方案论证对于超声波模块的方案有两种基本方案，一种是采用分离式的超声波模块，即超声波发生电路和超声波接受电路为分开的独立电路单元，这里超声波发生电路通常用超声波换能器和电流驱动电路构成，而超声波接受电路则由频率敏感元件和单稳态触发电路构成。