便携式测距仪系统设计

题目: 便携式测距仪系统设计（硬件）

英文题目：Design of System on Portable Rangefinder

作者声明

本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）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。本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。

特此声明。

毕业设计（论文）作者（签字）：

签字日期：年月日

本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。

学位论文指导教师签名：

年月日

摘要

STC89C52单片机是STC单片机中应用中一款最为广泛的单片机，在自动化及其相关领域具有相当高的价值，STC89C52单片机具有低功耗、高性能以及便于操作等特征受到了广大爱好者的好评。超声波测距仪在生活中能够稳定的测量出精确的距离，超声波具有低能耗、易于传播等特性，因此在生活中得到了广泛的应用。

本次设计主要以STC89C52单片机为核心加上超声波传感器来完成本次超声波测距仪的制作，以STC89C52为主控芯片，发射模块发射超声波，接收模块接受发回的超声波，利用超声波传感器对距离的测量以及单片机的运算与处理得出相应的距离，显示结果。本次设计的系统方案通过软件和硬件以及各个模块的相互配合得以实现。

论文最后通过综合实验证明，设计出的系统能够稳定运行，实现简便及人性化的输入操作以及显示界面，实现了一定的测量精度，基本完成设计的预计要求,对超声波测距仪低成本化的最终实现具有参考意义。

关键字：超声波传感器；测距仪；模块；单片机

Abstract

ABSTRACT

STC89C52 single chip microcomputer is the most widely used in the application of a single chip microcomputer STC，It has a high value in the field of automation and its related fields，STC89C52 MCU with low power consumption, high performance and easy to operate, and other features by the majority of fans，Ultrasonic distance measuring instrument can be stable in life to measure the precise distance，Ultrasound has the characteristics of low energy consumption, easy to spread, so it has been widely used in life.

This design mainly uses the STC89C52 single chip microcomputer as the core and the ultrasonic sensor to complete the production of the ultrasonic distance measuring instrument.，STC89C52 as the main control chip, transmitter module transmits ultrasonic, receiving module to accept the returned ultrasonic, using ultrasonic sensors for distance measurement and MCU operation and processing that the appropriate distance, the result will be displayed. The design of the system program through the software and hardware as well as the interaction between the various modules to achieve.

Finally through comprehensive experiments demonstrate that designed the system to stable operation, the realization is simple and user-friendly input operation and display interface, to achieve a certain measurement accuracy, and basically complete the design of the expected requirements of the low cost of ultrasonic range finder the ultimate realization of the reference value.

Key words: Ultrasonic sensor; distance measuring instrument; module; single chip microcomputer

目录

绪论 (3)

1. 系统总体方案设计 (6)

1.1 本论文主要研究内容 (6)

1.2 超声波测距仪需求分析 (6)

1.3 超声波距离测量的方案 (6)

1.3.1 超声波传感器测距原理 (6)

1.3.2 超声波传感器的原理 (7)

1.4 系统主控芯片的方案与选择 (8)

1.5 系统设计方案 (9)

1.6 本章小结 (10)

2. 超声波测距仪的原理分析 (11)

2.1 超声波的基本概念及其特性 (11)

2.2 超声波传播速度 (12)

2.3 回声探测法超声波测距仪原理简介 (14)

2.4 本章小结 (15)

3. 系统硬件电路设计 (16)

3.1 主控电路 (17)

3.2 电源部分 (17)

3.3 超声波测试模块 (18)

3.4 时钟电路模块 (19)

3.5 复位电路模块 (19)

3.6 按键模块 (20)

3.7 声音报警模块 (21)

3.8 显示模块 (21)

3.9 本章小结 (22)

4. 系统软件设计 (23)

4.1 系统总体软件设计思路 (23)

4.2 超声波探测模块的流程图 (24)

4.5 程序抗干扰处理 (26)

4.6 本章小结 (27)

5. 实验最终调试与结果 (28)

5.1 焊接调试 (28)

5.2 硬件以及软件调试 (28)

致谢...................................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献. (32)

绪论

自从文明起源的伊始，人类的测量方法就随着时代的进步也跟着发生变化，工具也是五花八门。随着时代的进步人类测量距离的方法也从简单的尺子测量发展到可以利用超声波对距离进行精准的测量。人们发现超声波具有能耗低、指向性强、传播距离较远等优点，因此利用传感器技术与自动控制系统相结合制作可以利用超声波进行距离测量的精密仪器。目前超声波测距已经是最为广泛的一种测距方法了，其具有方便、快捷、精准等优点，在工业、农业、电力等社会各行业领域中都有了它的身影。

1.背景与意义

早期我国的超声波测距仪也是依赖于机械原理而进行工作的，但随着世界的电子技术的迅猛发展国内的测距仪在各方面不甘落后，甚至在一些方面科技含量甚至更高、更好。但国内的超声波测距器，精度比较小误差比较大，而且用于多方方向的测距仪也并不是很普及。然而随着科学技术的迅速发展，超声波测距仪的作用将会越来越大。但是，然而就目前技术水平而言，人们可以准确利用的测距技术还是相当的局限。因此，这是一个正在蓬勃发展而又有前途无限的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的仪器在各方面都将有很大的进步以及发展的空间，它将朝着更加高定位、高精度的方向而发展，以达到人类日益发展的需求。目前超声波测距仪在测量距离时都是利用超声波在空气中的传播速度与时间之间关系进行计算然后得出结果。常见的技术主要有微波雷达测距和利用超声波测距以及利用激光测距这三种方法。因为超声波具有指向性强、能耗慢而且在介质中传播的距离比较远的这些优点，所以经常用于距离的测量。超声波测距仪主要用于一些工业现场的方位查看、汽车的倒车、移动机器人的自动避障操作、建筑工地的施工，可以在高温、潮湿以及多尘等非常恶劣的环境下进行工作。相比较于其他的测量距离的技术而言，超声波定位技术成本非常低，但是精度却非常的高而且在操作上也非常简便，工作稳定又可靠，是非常适合于短距离的定位以及测量。

由于人类生理所决定超声波的振动频率只有在一定范围内才能被人的耳朵所识别，该范围为20~20000赫兹。超声波的频率下限大约和人所能听到的频率上限相等。因此，我们就把频率高于20000赫兹的声波称为之为“超声波”。超声波的各种性质决定他是机械波，机械振动与波动是超声波探测的物理基础。超声波在生活中有很多应用，例如可用于距离测量、速度的测量、障碍物的测量、清洁功能、金属焊接技术、杀灭细菌、检查金属物件的缺陷、以及焊接铝金属、清洁衣物、玻璃打孔、以及寻找沉没了的轮船...等。超声波的波长相比较于其他的声波而言显得特别长，因为通常的障碍物都会比超声波的波长大很多，所以说在衍射能力方面超声波并不是很强，而且在介质密度不

发生任何改变的情况下，超声波能够沿着波的方向一直沿直线传波，超声波的波长越短

它的直射能力就会越好。当声音在空气中传播时，带动空气中的微粒往返振动而对微粒做功。声波的功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同情况下，声波的频率越高，

它所具有的功率就会越大，所以说超声波跟声波相比较，超声波的功率比声波要大的多。

目前在国内外的超声波测距方面的能力和主要研究的方面是各不相同的，主要体

现在对距离的精确度以及能量损耗上、不同的超声波不同的操作频率，超声波信号的使用方法和超声波测距处理器的选择以及应用上。因为超声波指向性强非常的强而且能量消耗比较小，在很多的介质中传播的距离非常远，因此超声波经常用于距离的测量以及距离的判断，使用超声波测距往往都比较方便、迅速、便于计算、容易做到实时控制。研究可以语音播报的无线测距仪将在工业控制、能源水利勘探方面发挥重大意义，具有极大的优势和广阔的前景。超声波的测量并不需要接触，并不会受到光照、电磁波或者粉尘等外来因素的干扰，超声波的测距过程是利用了计算超声波在被测物的物体和超声波传感器之间的传输时间然后通过计算来测量距离的，然而对于被测物体是没有任何损害的。而且超声波的传播速度在一定范围内与频率是没有关系的。超声波的这些独特优点被越来越多的人们所追捧。目前对于超声波精确测距的要求也越来越广，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，金属冶炼，航海运输，航空事业、石油、车辆交通、化工等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料应用、生物进化等领域中也占具重要地位。

超声波测距的意义在于：距离检测是一个非常重要的手段，我们可以利用这个原理制作出许多不同的传感器，现在的超声波测距装置已经相当普及而且价格也非常便宜。超声波在不同介质中传播的速度不一样，就比如超声波在气体中传播的速度并不等于超声波在液体中传播的速度，超声波具有定向性好、能量释放集中、传输过程中衰减较小、反射能力相当强等优点。超声波能以一定速度按照固定方向传播，在碰到障碍物后产生反射，所以利用这一特点，我们可以通过测定超声波往返所用时间然后就可以计算出相离的距离，从而实现无接触从而测量物体的距离。超声波测距具有迅速、快捷、方便等优点，而且不受光线等因素的影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。本文设计的数字式超声波测距仪通过对超声波往返时间内输入到计数器特定频率的时

钟脉冲进行计数，进而显示对应的测量距离。

2.研究现状

随着科学技术在近几十年的迅猛发展，超声波测距仪的应用范围也逐渐从工业工业生产慢慢走进了人们生活，如此广泛的应用使得提高人们对测距仪的了解显得特别重要。随着超声波传感器处理声波方法的不断改善，该如何研发新型、高性能超声波换能

器以进一步拓宽超声波测距的应用，作为解决超声波测距功能不足的一个根本手段，受到了国内外越来越多的学者所关注，目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽。

现阶段，我们国内的一些科学家在对超声波发射电路的优化以及发射功率和发射频率的控制，优化最大探测距离的提高等方面做出了卓越的贡献。对新型超声波传感器进行研究并取得了一定成果，但对新款的超声波传感器的组成材料、超声波传感器的创新方面的研究还是很不尽人意。超声波测距功能因为其原理比较简单而且很容易达到效果以及成本低廉等优点，在水位测量、自动化机器人的定位和避障、汽车防护功能和曲面仿形检测等领域得到了广泛的应用。超声波测距凭借其原理简单、易于实现以及成本低等优点得到了广泛的应用。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，因此同样适用于机器人的研制上。用使移机器能自避障行走必须装备测距系统使其及获取距障碍物距离信息（距离向）超声波测距系统机器解其前、左侧右侧环境提供运距离信息。利用超声波检测往往比较迅速、便且计算简单、易于做实控制测量精度面能达工业实用要求广泛应用本课题研究非实用商业价值。

3. 设计任务

基于单片机以及超声波传感器原理，设计用于距离测量的超声波测距仪的硬件电路和相应的软件并且制作样品。要求实现样品可以通过超声波的测量得出准确的距离。

4. 论文内容安排

论文首先介绍了国内外超声波测距仪以及超声波传感器的发展历程、现状，分析了设计需求，对比论证了各种实现方案，确定系统总体方案的选择。然后介绍了基于超声波测距仪的原理，硬件部分的选择。本文重点研究了超声波测距仪的硬件模块：数据采集模块、按键控制模块、数码管显示模块等以及一些软件设计部分的相关原理和工作流程。论文最后通过综合实验检测设计出的系统，并总结了课题研究中出现的问题，对造成流量测量误差的各种因素进行了详细的研究、分析。

5. 本章小结

本章节主要介绍了了超声波测距仪的发展历程和现状，特别介绍了超声波测距仪的历史背景以及现在国内超声波测距仪的主要情况，进而阐明了本课题的研究意义；概述了本次设计任务与论文内容安排。

1. 系统总体方案设计

1.1 本论文主要研究内容

本论文需要充分了解超声波的传播特性，以及在实际测量过程中各种干扰对于测量精度的影响，选择相应的硬件策略并采取合适软件抗干扰措施确保测量的稳定。设计系统对应的控制测量电路，并综合仪器在设计方面的自身实际情况与现场环境解决出现的问题并提出改进方案。

1.2 超声波测距仪需求分析

超声波测距仪涵盖了超声波传感装置、蜂鸣器、单片机模块（硬件控制模块以及软件控制模块），设计的超声波测距仪须达到以下功能：

（1）距离测量

超声波测距仪的最主要功能就是对距离的测量，因此该实物需要达到能对距离进行精准的测量，以及准确、直观的显示在数码显示管上。

（2）数据计算

利用超声波传感装置对声波的发送以及接受得到相应数据，通过单片机对相应的数据进行计算，得出所要测量的距离。

（3）显示模块

显示模块采用了四位显示数码管，在超声波传感装置以及单片机对声波处理和计算得出的距离数据能够准确的显示在四位数码管上。

（4）键盘输入

实物中含有3个按键，通过按键能够分别实现设定、加、减这三种功能。

（5）报警功能

通过三个按键分别实现设定、加、减这三种功能，以实现报警的要求距离。通过蜂鸣器产生报警功能。

（6）电源设计

在电源设计方面采用了3节5号干电池，以达到4.5v的电压。

1.3 超声波距离测量的方案

1.3.1 超声波传感器测距原理

利用超声波装置的发射器往任意一个方向发射超声波，在发射的时候同时按下计时器开关开始计算时间，超声波在空气中的传播规律就是只要碰到任何障碍物便会反射回来，因此超声波装置中的接收器在接受到反射波的同时就会立刻停止计时。在空气中超声波传播的速度为V，声波传播的时间为T，所以我们能通过计算得到发射点距离障碍物的长度S=VT。本仪器在超声波发射以后，对超声波的发射一直到接收进行计时。

系统定时发射出超声波，在启动发射超声波的同时打开系统内部的定时器，然后再利用定时器的计数功能来记录超声波发射的时间和收到的反射回来的超声波的时间。当收到超声波的反射波的同时，接收电路输出端产生一个负跳变，控制系统在检测到这个负跳变信号后，会停止计时器记时，读取时间，计算距离,测量结果输出给显示设备。

超声波测距由于多种方法，例如：有渡越时间检测法、相位检测法以及声波幅值检测法等。声波幅值检测法受到反射波的干扰相对来说比较大。相位检测法虽然得出的结果精度非常的高但是所能检测范围相当有限。所以渡越时间法最为适合超声波测距仪。渡越时间检测法的原理：检测超声波（超声波发射装置所发射的），渡越时间就是超声波通过空气传播返回超声波接受装置的时间。在气体介质中的声速与渡越时间相乘，就是超声波所经过的路程，也就是测得的距离。目前超声波测距已经得到了相当高的重视，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距的原理设计各种各样的测距仪器，然后专用集成电路的成本相对来说比较高、而且功能单一。而以单片机为核心的测距仪器则可以实现预先设置、多端口检测、显示数据、蜂鸣报警等多种功能，并且成本低廉、精度较高、操作简便、工作稳定性高、可靠。以8052为内核的单片机系列，其硬件结构系统具有功能部件齐全、性能强大等特点。尤其值得一提的是，除了8位CPU以外，还具备一个很强的8位处理器，它本质上是一个完整的8位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAMROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。因此，8052是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面相当有效，而8

位处理则在数据采集和处理等方面具有相当明显的优势。

1.3.2 超声波传感器的原理

能够发射超声波以及能够接收超声波的装置就叫超声波传感器，一般称之为为超声换能器，有些时候也叫超声波探头。超声波传感器主要是由压电晶片所构成，既可以发出超声波，也能够收到超声波。小功率的超声换能器多用于一些勘探方面。它有很多不同的结构部分，可以分成直探头（发射纵波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）、斜探头（发射横波）、表面波探头（发射表面波）、兰姆波探头（可以发射兰姆波）等。

超声传感器的核心是一块压电晶片一般处于他的塑料外套中或者有的是存在于金属外套中。构成晶片可以利用很多种材料，因为晶片的直径、大小和密度、厚度都会有所差异，因此不同的传感器的性能都是不同的，在我们准备操作前必须预先了解清楚该探头的属性以及性能情况。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率：压电晶片在工作时产生的振动频率就是工作频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，可以输出最大的能量，在这时灵敏度也是

最大值。

（2）工作温度：压电材料的居里点一般都很高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间的工作而且也不会失去效果。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高。

图1-1超声波传感器结构

1.4 系统主控芯片的方案与选择

系统芯片的选型影响到系统总体性能，根据要求提出了两个可行的芯片选型方案：（1）51单片机

主控芯片为STC90C516RD+单片机，该款芯片工作电压为3.5V-5.5V拥有Flash 64K, SRAM 1280字节，51单片机一共有39个I/O口并且机器周期可选择，有EEPROM、看门狗功能，共3个16位定时器/计数器，外部中断4路，掉电模式可由外部中断唤醒。该芯片具有低廉的价格，相关技术资料成熟全面，但只有8位的处理能力。

（2）52单片机

52单片机使用的是MCS-51内核而且具有低能耗、高性能CMOS8位微控制器具8k字节系统可编程Flash存储器。相比与51单片机，52单片机有着更多的优势。相比较与51单片机，52单片机多了一个定时器，在串行通信中可以设置更高的波特率，RAM 方面51是128而52却是256。51单片机的晶振只有24MHz，而52单片机最高可以达到33MHz，而且在看门狗,在掉电、数据指针等方面也远远胜过51单片机。

1.5 系统设计方案 本次的超声波测距仪的设计包括了软件以及硬件两个部分，主要的相关模块分成了数据信息的收集模块、键盘按键的控制模块、四位数码显示管显示模块、报警等子模块等。而在电路结构方面则分成了3个部分，分别是：超声波传感器的相关电路、蜂鸣器相关电路以及单片机的控制电路。就对本次设计来说，本次的核心模块也就是中心单元则是靠单片机完成，所以本次的设计系统也算是单片机应用系统的相关应用。单片机的组成包括了硬件以及软件，硬件部分主要是由单片机本身还有相关的输入、输出设备以及外部电路等所组成。软件则是各种各样的程序所构成。单片机的系统研发过程主要包括总体的设计以及对软硬件分别进行设计等3个阶段。本次设计的超声波测距仪利用了STC89C52单片机作为核心的控制单元,每次当测距仪所测到的距离小于所设定的距离时，主控芯片则将测到的数据与我们开始设置的距离进行计算比较然后处理。最后控制蜂鸣器产生报警。系统总体的设计方框图如下图所示：

图1-2 系统设计方案框图

结合需求分析与系统总体方案的选择，本设计的总体流程图1-3如下：

图1-3本设计的总体流程图

1.6 本章小结

本章首先介绍了整个系统的功能实现的要求与目标，阐明了在总体目标基础的系统设计大致步骤，接着对比分析了各个可行性方案的优劣，最后提出了实现系统设计功能的最终方案。

2. 超声波测距仪的原理分析

在确定了超声波测距系统的总体设计方案之后，想要达到超声波测距的具体功能，我们还需要了解以及掌握超声波以及超声波传感器的一些基本理论与知识。本章主要介绍了超声波的相关信息以及超声波传感器的相关信息，并详细的阐述理论条件下的测量公式，从而进行实验，以达到预期的效果。

2.1 超声波的基本概念及其特性

超声波是一种人耳无法听到的波因为它的频率超过20KHz，超声波分横向振荡和纵向振荡两种形式，超声波可以在气体、液体及固体中传播，超声波在不同的介质中传播的速度也会有所差异。超声波的特性如下：

波长：电磁波波的传播速度为3×108m/s，而声波的传播速度却很慢约340m/s。一来说波的传播速度是用其频率乘以波长然后得出来的，然而在仅仅只有340m/s的传播速度的情况下波长比较短也就意味着可以在方向上获得很高的分辨率以及对距离的清晰判断。正因如此使得我们在测量时获得了高精准度。

反射：超声波只有通过反射才能确定物体的存在，因为金属材料、木材、泥土、玻璃、塑料产品和纸制品等几乎可以把所有超声波所反射，因此我们可以很容易地发现这些物体。然而有些材料会吸收超声波使得我们很难探测到他们例如：布、棉花、绒毛等，同时，在一些特殊情况的不规则反射，往往可能很难探测到凹凸不平的表面以及存在于倾斜角度过大地方的物体，正是这些原因决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所，并且测试物体必须反射超声波。

温度效应：声波的传播速度一般用“c”表示，一般用公式c=331.5+0.607t (m/s) 式中，t=温度 (℃)表示，由此公式可以看出波的传播速度与温度是密切相关的，温度会影响到波的传播速度。因此为了测量的精确性，我们在使用超声波进行测距时必须将温度这一重要因素考虑进去。

衰减：超声波在空气中传播会随着传播距离的增加超声波强度变化成比例地减弱，这是衍射现象而造成的声波在球形表面上的扩散损失。如图2-1所示，频率越高的超声波，衰减率也就会越高，超声波的传播距离也就越短，因此超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。

图2-1 声压在不同距离下的衰减特性

2.2 超声波传播速度

本次课题是要对距离进行测量，因此所考虑的问题则是超声波在介质中中的传播速度，现对空气中超声波传播速度进行分析：

空气中声速公式：

c=331.5+0.607t (m/s) 式中，t=温度 (℃)表示，由此看出声速度与温度成正比，温度越高声速越快。

水中声速公式：

h S T T T T C 016.0)35)(01.034.1(00029.055.06.42.144932+--++-+=（2-1）

（其中C=声速，T=水温，S=含盐量，h=水深）

（T=[0,35℃],S=[0,45%]）

根据资料的分析得到的超声波在水中传播速度与温度T ，含盐量S 及水深h 有关，但是其中水深h 多用于水下声速计算，因此在流量测量中水深h 可忽略不计。

)35)(01.034.1(00029.055.06.42.144932--++-+=S T T T T C （2-2）

使用MATLAB 对其两个变量水温和含盐量进行曲线绘制：

图2-1 声速与温度变化关系曲线

图2-2 声速与含盐量变化关系曲线

由图可以看出在给定变化区间内，声速随着温度或含盐量的增加而增大。

2.3 回声探测法超声波测距仪原理简介

利用超声波测距中最长见的方法便是回声探测法。回声探测法的原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在超声波发射出去的同时，定时器也同时开始计时，超声波在空气中传播，中途如果碰到障碍物会马上返回，超声波在接收到返回波的同时停止计时器的计时。超声波在空气中的一般传播速度为340m/s ，然后按照计时器所记录的时间t ，就可以计算出该位置离测距仪的距离s ，即：s=340t /2。

因为超声波也是一种声波，所以它的速度V 和温度密切相关。在测量时，如果传播所经过的介质温度变化不是很大，则可以近似的将超声波的速度认定为保持不变。但如果对测量的结果要求精度很高，则可以通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。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基本原理。

超声波发射

障碍物

超声波接受

图2-2 超声波的测距原理

以下为超声波测距仪对距离进行测量时的原理所要产生的相关计算，以及相关的原理公式：

θc o s S H = （2-1）

)

(H L

a r c t g =θ （2-2） 式中:L ——两探头之间中心距离的一半

已知传播距离：

2（2-3）

S

vt

式中:v——超声波在介质中的传播速度

t——超声波从发射到接收所需要的时间

因此又此得出,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以由此得出我们所要求得的H。

2.4 本章小结

本章介绍了本次超声波测距仪设计的课题研究方法以及实施方式。

3. 系统硬件电路设计

本章根据回声探测法超声波测距仪总体方案的基础，确定了实现系统各模块功能的硬件电路的相关设计。系统主要由主控制模块、电源部分、超声波测试模块、时钟电路模块、复位电路模块、按键模块、声音报警模块、以及显示模块所组成。本次设计需完成必须依靠以上各个模块的参与，共同作用下达到预期的效果。如下图3-1为本次设计的超声波测距仪的硬件整体原理图：

图3-1超声波测距仪硬件整体电路图

3.1 主控电路

作为整个超声波测速系统中最为核心也是最为关键的一部分，本设计选择STC89C52单片机。STC89C52单片机在拥有非常强的抗干扰能力的同时还拥有相当高的运算速度与能耗较低等特点，确保了它的适用程度以及整体的性能指标。如下图3-2所示为本次设计的超声波测距仪的最小硬件系统。

图3-2最小硬件系统

有分析得在本设计的超声波测距仪中要用到以下器件： STC89C52单片机、超声波传感装置、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。

3.2 电源部分

本次设计在电源方面采用了自锁开关的引脚识别方法，其硬件原理图如下图3-3，其中p2为电池或者USB的接口，sw1为电源的开关用来接通和断开电源。其中12和45是常开触点而23和56是常闭触点。在开关按下了1245则该电路导通，2356则是断开如是弹开开关则相反。