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基于stm32单片机的超声波测距仪设计报告1. 引言超声波测距仪（Ultrasonic Distance Sensor）是一种常用的测距设备，通过发送超声波脉冲并接收其反射信号来测量目标与测距仪之间的距离。
本报告将详细介绍基于stm32单片机的超声波测距仪的设计过程。
2. 设计原理超声波测距仪的基本原理是利用超声波在空气中的传播速度和反射特性来计算目标物体与测距仪之间的距离。
其中，stm32单片机作为测距仪的控制核心，通过发射超声波脉冲并测量接收到的回波时间来计算距离。
2.1 超声波传播速度超声波在空气中的传播速度约为340m/s，可以通过测量超声波往返的时间来计算出距离。
2.2 超声波反射信号当超声波遇到障碍物时，会产生反射信号，测距仪接收到这些反射信号并测量其时间差，再通过计算即可得到距离。
3. 硬件设计本设计使用stm32单片机作为核心控制器，并搭配超声波发射器和接收器模块。
3.1 超声波发射器超声波发射器负责产生超声波脉冲，并将脉冲信号发送到待测物体。
3.2 超声波接收器超声波接收器负责接收从物体反射回来的超声波信号，并将其转换为电信号。
3.3 stm32单片机stm32单片机作为测距仪的核心控制器，负责发射超声波脉冲、接收反射信号并计算距离。
4. 软件设计本设计涉及的软件设计包括超声波信号发射、接收信号处理和距离计算等。
4.1 超声波信号发射使用stm32单片机的GPIO口控制超声波发射模块，产生一定频率和周期的脉冲信号。
4.2 接收信号处理通过stm32单片机的ADC模块，将超声波接收器接收到的模拟信号转换为数字信号，并对信号进行处理和滤波。
4.3 距离计算根据接收到的超声波反射信号的时间差，结合超声波的传播速度，使用合适的算法计算出距离。
5. 实验结果与分析经过实际测试，基于stm32单片机的超声波测距仪达到了预期的效果。
能够精确测量目标与测距仪之间的距离，并显示在相关的显示设备上。
超声波测距仪的设计一、设计目的本设计利用超声波传输中距离与时间的关系，采用STC51单片机进行控制和数据处理，设计出能够精确测量两点间距离的超声波测距仪。
同时了解单片机各脚的功能，工作方式，计数/定时，I/O口的相关原理，并稳固学习单片机的相关内容知识。
二、设计要求1.设计一个超声波测距仪，能够用四段数码管准确显示所测距离2.精度小于1CM，测量距离大于200CM三、设计器材元器件数量STC51单片机 1个超声波测距模块URF-04 1个电阻〔1K 200 4.7K〕 3 个晶振〔12MHz〕 1 个共阳极四位数码管 1 个极性电容〔33pF〕 2 个非极性电容〔22uF〕 1 个四、超声波测距系统原理331.45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到达毫米级。
超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米〔15℃时〕。
X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，那么有340m×0.03S=10.2m。
由于在这10.2m 的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：图1 测距原理超声波测距器的系统框图如下列图所示：图2 系统框图五、设计方案及分析〔包含设计电路图〕4.1硬件电路设计4.1.1 单片机最小系统控制模块设计与比拟方案二：采用STC51单片机控制。
STC51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8KB的系统可编程Flash 存储器。
AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，能够满足题目设计的所有要求，而且我们对STC51单片机也比拟熟悉，因此我们选择方案二。
最小系统电路图如图3所示图3 单片机最小系统显示模块设计采用四位共阳极数码管显示，连接电路简单，显示电路连接图如图4所示图4 数码管显示电路超声波测距模块a.本系统采用超声波模块URF04进行测距，该模块使用直流5V供电，理想条件下测距可达500cm，广泛应用于超声波测距领域，模块性能稳定，测度距离精确，盲区〔2cm〕超近。
超声测距仪的设计与制作
超声测距仪（Ultrasonic Distance Meter）是一种通过超声波
来测定物体距离的仪器。
其基本原理是：以超音速在介质中传播的
特点，发送器产生超声波，通过传感器接收到物体反射回来的超声波，并通过处理器将接收到的信息转化为距离数据。
超声波测距的
优点是适用于大多数物体，测量精度高，反应时间快，常用于工业
领域、机器人控制、防盗报警等应用。
下面是超声测距仪的设计与制作步骤：
1. 制定设计方案：首先确定设计的目标、功能和应用范围。
确
定测量范围、分辨率、测量精度和可靠性要求，选择适当的传感器、发声器和处理器等元件和模块。
2. 确定电路原理图和PCB板图：采用EDA软件设计电路原理图
和PCB板图，按照元器件的连接方式设计电路，选择合适的PCB板，进行布线、连接、焊接等工作。
3. 组装调试：按照PCB板图进行组装，连接电源及显示器，并
进行初步测试，包括实际测量距离与显示距离的比对，测量精度的
测试，以及各种异常处理。
4. 调整优化：主要是对电路和程序进行优化以保证测距精度和
响应速度，同时还要考虑功耗、噪音、温度和湿度等因素的影响。
5. 装箱上线：将电路和PCB板固定在合适的外壳中，加上电池、电源适配器、传感器和发声器等部件，修整外观和按钮等位置，进
行最后的功能测试和运行稳定性测试。
以上是超声测距仪的设计和制作步骤，需要选用适合的元器件和材料，按照标准的工艺流程，进行精密的组装和调试，保证生产出稳定、可靠、精准的超声测距仪。
超声波测距仪的设计1. 引言超声波测距仪是一种常用的测量设备，可以通过发射超声波信号，并接收反射信号来测量物体与测距仪之间的距离。
本文将介绍超声波测距仪的设计原理、硬件设计和软件设计，并提供该测距仪的详细设计过程。
2. 设计原理超声波测距仪的设计原理基于声波在空气中传播的特性。
当超声波信号发送器发出一束超声波信号时，该信号会在物体表面反射，并被接收器接收到。
通过测量超声波信号的发送和接收时间差，可以得到物体与测距仪之间的距离。
3. 硬件设计3.1 发送器设计发送器的设计主要包括超声波发射器和电路控制部分。
超声波发射器是一个压电陶瓷片，通过电路控制部分提供的电压信号激励，产生高频的超声波信号。
在设计过程中，需要考虑发射器的共振频率和驱动电压的选择，以及电路控制部分的电流保护和输出功率控制等。
3.2 接收器设计接收器的设计主要包括超声波接收器和信号处理部分。
超声波接收器接收反射回来的超声波信号，并将其转换为电信号。
信号处理部分对接收到的电信号进行放大、滤波和后续处理，以提取出有效的距离信息。
3.3 距离计算通过测量发送超声波信号和接收超声波信号的时间差，可以计算出物体与测距仪之间的距离。
距离的计算公式如下：距离 = 速度 × 时间差 / 2其中，速度是超声波在空气中传播的速度，通常可以取340米/秒。
3.4 显示与输出设计中可以添加LED显示屏或者数码管等显示设备，以显示测得的距离。
同时，还可以通过串口或者无线通信等方式，将测得的距离输出到计算机或其他外部设备上进行进一步处理。
4. 软件设计在超声波测距仪的软件设计中，通常需要实现以下功能:•控制发送器和接收器的开关状态和工作频率；•读取接收器接收到的信号，并进行处理；•根据接收到的信号计算距离；•将测得的距离输出到显示设备或者外部设备。
在设计过程中，可以使用C/C++等编程语言，结合相关的硬件接口库来实现软件功能。
5. 总结本文介绍了超声波测距仪的设计原理、硬件设计和软件设计。
自制不用单片机的超声波测距仪电路本超声波测距仪通过测量超声波发射到反射回来的时间差来测量与被测物体的距离。
可以测量0.35-10m的距离。
本款是国外不使用单片机的超声波测距仪。
实物图如下：一、电路原理原理图如下：1 超声波发射电路由两块555集成电路组成。
IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。
条件: RA =9.1MΩ、RB=150KΩ、C=0.01μFTL = 0.69 x RB x C= 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 10-6 = 1 msecTH = 0.69 x (RA + RB) x C= 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6 = 64 msecIC2组成超声波载波信号发生器。
由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止64ms。
计算公式如下：条件: RA =1.5KΩ、RB=15KΩ、C=1000pFTL = 0.69 x RB x C= 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12 = 10μsecTH = 0.69 x (RA + RB) x C= 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12 = 11μsecf = 1/(TL + TH)= 1/((10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHzIC3（CD4069）组成超声波发射头驱动电路。
2 超声波接收电路超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。
反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。
由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。
超声波测距仪的制作
这里介绍一款国外的不用法的超声波测距仪。
本超声波测距仪通过测量超声波放射到反射回归的时光差来测量与被测物体的距离。
可以测量
0.35-10m的距离。
实物图如下：
原理图如下：
一、原理
1 超声波放射电路
由两块组成。
IC1（555）组成超声波脉冲，工作周期计算公式如下，实际电路中因为元器件等误差，会有一些差别。
条件: RA =9.1MΩ、 RB=150KΩ、 C=0.01μF
TL = 0.69 x RB x C = 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 10-6= 1 msec
TH = 0.69 x (RA + RB) x C
= 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6= 64 msec
IC2组成超声波载波信号发生器。
由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止64ms。
计算公式如下：
条件: RA =1.5KΩ、 RB=15KΩ、 C=1000pF
TL = 0.69 x RB x C
= 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12= 10μsec
TH = 0.69 x (RA + RB) x C
= 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12= 11μsec
f = 1/(TL + TH)
= 1/((10.35 + 11.39) x 10-6)= 46.0 KHz
IC3（CD4069）组成超声波放射头驱动电路。
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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。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。
基于51单片机超声波测距仪设计超声波测距仪是一种应用较为广泛的测量设备，可以用于测量物体与超声波传感器之间的距离。
本文将基于51单片机设计一个简单的超声波测距仪，并介绍其原理、硬件电路和程序设计。
一、原理介绍：超声波测距仪的工作原理是利用超声波传感器发射超声波，并接收其反射回来的波，通过计算发射和接收之间的时间差，从而确定物体与传感器之间的距离。
超声波的传播速度在空气中近似为331.4m/s，根据速度与时间关系，可以通过测量时间来计算距离。
二、硬件电路设计：1.超声波模块：选用一个常见的超声波模块，包括超声波发射器和接收器。
2.51单片机：使用51单片机作为控制器，负责控制超声波模块和处理测距数据。
3.LCD显示屏：连接一个LCD显示屏，用于显示测距结果。
4.连接电路：将超声波发射器和接收器分别连接到单片机的引脚，将LCD显示屏连接到单片机的相应引脚。
三、程序设计：1.初始化：包括初始化单片机的GPIO引脚、定时器以及其他必要的设置。
2.发送信号：发射一个超声波信号，通过超声波模块的引脚控制。
此时，启动定时器开始计时。
3.接收信号：当接收到超声波的反射信号时，停止定时器，记录计时的时间差。
根据超声波传播速度，可以计算出距离。
4.显示结果：将测得的距离数据显示在LCD显示屏上。
四、实现效果：通过以上设计，可以实现一个简单的超声波测距仪。
在实际应用中，可以根据需求扩展功能，例如增加报警功能、计算速度等。
总结：本文基于51单片机设计了一个超声波测距仪，包括硬件电路设计和程序设计。
通过该设备可以实现对物体与超声波传感器之间的距离进行测量，并将结果显示在LCD显示屏上。
该设计只是一个基本的框架，可以根据需要进行进一步的改进和优化。
超声波测距仪的制作
时间:2007-04-23 来源:/srm.htm 作者: 点击：6950 字体大小:【大中小】
这里介绍一款国外的不使用单片机的超声波测距仪。
本超声波测距仪通过测量超声波发射到反射回来的时间差来测量与被测物体的距离。
可以测量0.35-10m的距离。
实物图如下：
原理图如下：
一、电路原理
1 超声波发射电路
由两块555集成电路组成。
IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。
条件: RA =9.1MΩ、RB=150KΩ、C=0.01μF
TL = 0.69 x RB x C
= 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 10-6 = 1 msec
TH = 0.69 x (RA + RB) x C
= 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6 = 64 msec
IC2组成超声波载波信号发生器。
由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止64ms。
计算公式如下：
条件: RA =1.5KΩ、RB=15KΩ、C=1000pF
TL = 0.69 x RB x C
= 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12= 10μsec
TH = 0.69 x (RA + RB) x C
= 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12= 11μsec
f = 1/(TL + TH)
= 1/((10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHz
IC3（CD4069）组成超声波发射头驱动电路。
2 超声波接收电路
超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。
反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。
由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。
C9、D1、D2、C10组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。
IC5、IC6、IC7、IC8、IC9组成信号比较、测量、计数和显示电路，即比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差。
它是超声波测距电路的核心，下面分析其工作原理。
由Ra、Rb、IC5组成信号比较器。
其中
Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb) = (47KΩ x 9V)/(1MΩ + 47KΩ) = 0.4V
所以当A点（IC5的反相端）过来的脉冲信号电压高于0.4V时，B点电压将由高电平"1"到低电平"0"。
同时注意到在IC5的同相端接有电容C11和二极管D3，这是用来防止误检测而设置的。
在实际测量时，在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测。
为避免这种情况发生，这里用D3直接引入检测脉冲来适当提高IC5比较器的门限转换电压，并且这个电压由C11保持一段时间，这样在超声波发射器发出检测脉冲时，由于D3的作用使IC5的门限转换电压也随之被提高，并且由于C11的放电保持作用，可防止这时由于检测脉冲自身的干扰而形成的误检测。
由以上可知，当测量距离小到一定程度时，由于D3及C11的防误检测作用，其近距离测量会受到影响。
图示参数的最小测量距离在40cm 左右。
减小C11的容量，在环境温度为20 时可做到30cm测量最短距离。
此时其放电时间为1.75ms。
IC6组成R-S触发器构成时间测量电路。
可以看出，在发出检测脉冲时（A端为高电平），D端输出高电平，当收到反射回来的检测脉冲时，C端由高变低，此时D端变为低电平，故输出端D的高电平时间即为测试脉冲往返时间。
计数和显示电路由IC6、IC7、IC8、IC9组成，IC7组成计数电路脉冲发生器，原理图如下。
其工作频率f = 1/(2.2 x C x R)。
电路频率设计在17.2kHz左右。
这个频率是根据声波在环境温度为20℃时的传播速度为343.5m/s确定的。
我们知道在不同的环境温度下，声波的传播速度会有所改变，其关系为v＝331.5+0.6×t,其中v的单位为m/s,t为环境温度，单位为℃。
有关计算如下：
测量距离为1m的物体时，声波的往返时间为：2m/343.5(m/s)=5.82ms。
这时计数器显示应为100，即1m，此时计数电路脉冲发生器的频率f＝100/(5.82×10-3)=17.18(kHz)。
如电容C(即C14)为2200pF，此时电阻
R = 1/(2.2 x C x f)
= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 103) = 12KΩ
由于在不同的环境温度下，声波的传播速度会不同，为适应不同环境温度下测量的需要，我们要求电阻R具有一定的调节范围，这里用VR2,VR3进行调节，其中VR2为粗调电阻，VR3为精调电阻。
同样我们可以算出在不同温度下的计数脉冲频率值，如：温度为46.5℃时，
f = 1/(2.2 x C x R)
= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103) ＝17.97KHz
环境温度为1.5 ℃时f = 1/(2.2 x C x R) )
= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103) = 16.53KHz
实际上，在不同环境温度下时，我们只要测试标准距离1m，调节计数电路脉冲发生器的频率（VR2和VR3），使其显示为100即可。
这里简单介绍一下计数器的清零及数据锁存过程。
A点波形即表现测试脉冲往返的时间，当A点电位由低变高时，由于C1电压不能突变，故B点会产生一个复位脉冲信号使计数器清零，同时IC6内与非门被打开，IC8开始通过CLOCK脚计数；同样当A点电位由高变低时，由于C2电压不能突变，故C点会产生一个锁存脉冲信号使计数器数据被锁存，同时IC6的有关与非门被关闭，IC8开始停止计数，完成计数过程。
C15
用于控制显示部分的刷新频率，当
C15为1000pF时，刷新频率为1100Hz，由IC9、LED1-LED3、TR1－TR3组成显示电路。
二、元件选择
这里采用的超声波发射头为T40-16,接收头为R40-16.参数和外形如下：
Item Specifications
Center frequency (KHz) 40
Overpressure value (dB) 115 <
Sensitivity (dB) -64 <
Major diameter size
(mm)
Diameter 16.2
Height 12.2
[rito]゙interval 10.0
三、印刷电路板
四、调试
1 调整发射接收电路
把IC1从插座上拔下，并短接IC1插座的1和3脚，这时IC2的4脚应为高电平，并会持续发出高频载波信号，频率约为40KHz，此时可用示波器监测IC4的1脚信号。
让超声波探头朝向一面墙，使发出的超声波返回而被接受器检测到，同时用示波器检测IC4的1脚信号，慢慢调节VR1，使IC4的1脚输出信号最大。
断开IC1插座的1和3脚短接线并插上IC1，此时再用示波器监视IC4的1脚信号，应能看到超声波脉冲串。
2 调整误检测电路
通常该部分电路不需要调整，但如果发现测量几米外的物体，电路始终显示为0.40，这表明该仪器受到自身发出的检测脉冲干扰。
这时我们需检查或稍许增多C11的容量，说明
第1条线测得于IC6的第1脚，第2条线测得于IC5的3脚，第3条线测得于IC4的1脚，第4条线测得于IC6的10脚。
3 调节计数电路脉冲频率
让电路板垂直于墙面1m处，调节VR3在中间位置，再调节VR2使显示1.00，但在环境温度改变时，一般需再次调节VR2，校准测距仪。
4 关于短距离的测量
当我们将测距仪逐渐靠近被测物体，最终读数显示在34cm左右。
因为这个电路C11取值为0.1uF，由于防误检测电路的保护作用，所以最小测试距离限制为34cm左右，如要进一步缩短测试距离，由前面分析可知，我们必须让发出的测试脉冲宽度更窄，同时减小防误检测电路C11的容量。
但由于超声波发射器的输出功率有限，如果缩短测试脉冲时间，意味着减小了测试脉冲的输出功率，在测试距离增加时，会使反射回来的信号很弱，造成仪器在长距离测量时受到影响。
5 关于长距离测量
长距离测量由于各种因素的影响会困难一些。
有几点测量时我们必须注意：
1）被测目标必须垂直于超声波测距仪。
2）被测目标表面必须平坦。
3）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10m外的物体。
