超声波测距系统

毕业论文（设计）

题目：基于倒车雷达的超声波测距

姓名：邹远淳

学号： P101813415

学院：电气工程学院

专业：自动化

班级： 2010级自动化2班

指导老师：王涛

2014 年 5 月26 日

摘要超声波具有聚束、定向、反射、透射等特性，近年来超声检测技术得到了迅速的发展。本次设计用的单片机是STC89C52，对距离进行探测用的传感器是HC-SR04超声波传感器。系统的整体硬件包括STC89C52单片机与HC-SR04超声波传感器以及1602LCD显示屏和蜂鸣器。在介绍了单片机性能和特点的基础上，分析了超声波测距的基本原理并介绍了传感器的原理及特性。由此提出了系统的总体构成：超声波传感器产生超声波，之后超声波被发射出去，遇到被测物体后反射回来，计算此超声波从发射出到接受的时间差从而得出被测物体到测距仪的距离。整体上构成一个对障碍物的距离检测以及报警功能的系统。这个设计针对的功能和对象主要是汽车倒车雷达，能够连续不断地对距离进行检测，并且把检测到的数据送往单片机进行分析，经过单片机处理后，用1602LCD进行显示，并且当测得距离小于3m时，红色指示灯发出光亮，一旦检测到的值比1m要小，此时单片机就会控制蜂鸣器报警。

本次超声波测距系统中传感器的检测按工作的不同可分为两个小部分，一部分专门用于发射超声波，剩下的那部分专门用于收取返回来的超声波，所以需要用到两个不同的超声波探头以此来对距离进行测量。可以测量障碍物或反方向的车之间的距离, 然后把两者的距离用LCD1602显示模块进行显示,之后通过判断来确定指示灯是否发出红光提醒，以及蜂鸣器是否开始工作。

关键词超声波传感器；STC89C52；超声波测距

ABSTRACT

Supersonic wave has many specialities,such as transmission and reflex,it is wide used in many trades recently.A singlechip and a sensor are used in this design ,the types of them are STC89C52 and HC-SR04,and they are the core of this design,the others are LCD1602 and buzzer.I analysed the theory of distance measure and introduced supersonic wave on the basises of singlechip’s functions,thus I proposed this design’s form : sensor sends supersonic wave,the wave will be reverberated when it meets the barriers,sensor calculates the time between sending and reflex,and the calculates the distance,composing a system about distance calculating and cautioning .Main object in this design is radar about car’s back off.If the distance lesses than 1m ,then buzzer works ,if the distance lesses than 3m but larges than 1m,then red lamp works.

Sensor can be divided into two parts on the different of it’s working characters.One part is used to send wave ,and the other is used to receive wave.It can measure the destance between sensor and barrier,and shows the number by LCD1602,then decides whether the buzzer or red lamp works.

Key Words: HC-SR04 transducer STC89C52 Supersonic wave

目录

1.绪论 (2)

1.1项目研究背景及意义 (2)

1.2 超声波简介 (3)

1.3超声波检测简介 (3)

1.4设计的内容 (3)

1.5论文结构 (4)

2.总体设计方案 (5)

2.1总体方案 (5)

2.2超声波测距技术 (6)

2.2.1超声波的特性 (6)

2.2.2关于声波的衰减 (7)

2.2.3超声波测距分析 (9)

2.3测距传感器的种类 (11)

3.硬件电路设计 (14)

3.1电源设计 (14)

3.2 STC89C52单片机 (14)

3.3 1602LCD显示屏 (16)

3.4 超声波测试模块 (18)

3.5主控制模块 (19)

3.6 时钟电路的设计 (20)

3.7 复位电路的设计 (22)

3.8 蜂鸣器报警电路的设计 (23)

3.9 显示模块 (24)

3.10 系统总电路图 (25)

4.软件设计 (27)

4.1系统主流程图 (27)

4.2 距离测算部分 (28)

4.3 报警模块设计 (29)

4.4 计算及显示模块设计 (30)

5硬件性能测试 (32)

5.1硬件整体外观图 (32)

5.2性能测试部分 (33)

6.设计的总结以及展望 (37)

答谢 (38)

参考文献 (39)

附录 (40)

1.绪论

1.1项目研究背景及意义

如今社会里，科学技术不停地朝着更加先进的方向发展着，而科学技术创新也为电子产业的发展注入了新元素，车载电子安全也进入了一个新的平台。如今各种类型的车辆设计中几乎都不可否认地会用到倒车雷达，以至于倒车雷达在汽车安全中所占的地位越来越高。

目前用在汽车的倒车雷达里面，大部分显示器件都是采用数码管或者液晶显示器，而报警部分往往都是用的蜂鸣器，控制核心几乎都是用单片机，本系统中选用的显示器件为LCD1602显示器。

超声波测距扮演着越来越重要的角色，不论是液位高度探测还是水平距离探测都离不开它。

在测距中往往要考虑到对象颜色和光线的影响，而超声波测距则不用考虑这些因素，因为它的检测方式为非接触式。并且同时还具有高可靠、不污染、少维护、寿命长等特点，所以相比其他的测距形式，超声波测距在高温、烟尘、气体腐蚀、湿润等低劣条件下更能优秀地完成工作。所以，在很多特殊环境的测距中，超声波受到了大多数人的青睐。同时，由于超声测试是一种相对快速、简单、计算量小的检测方法，而且易于实现实时控制试验物质，其测量精度可达到工业指标的实际要求。正是如此，汽车倒车雷达的制造过程中大多数都用的超声波测距。

1.2 超声波简介

人类所能接受的声波的变动范围是20HZ—20KHZ，并且把这个频率段内的声波称为可听声波。对于这个频率范围内的声波，比这更低的称为低频声波，在这频段以上的声波，我们称其为超声波。超声波有一个特别之处，那就是沿着直线传播。它的绕射能力与频率呈现反比关系，其反射能力与频率呈现出来的又是一种正比关系。

它的特性有几个，分别可表述为：透射、聚束、反射及定向。将超声波与不同物质相互作用的各种效应以及超声波的传播特性加以利用过后，超声波传感器就被制作出来了。其以检测迅速、计算简单、使用方便、精度高等优点而被广泛使用。

1.3超声波检测简介

通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播的时间，用软件程序部分来计算出距离。它的测量电路简单、精度高、反映速度快、可靠性好。超声波指向性好、能量损耗低、传播距离较远、不易受外界环境影响和对被测目标无损害等特点，利用超声波测量距离就可以解决传统测量方法中遇到的问题。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也能达到工业实用的要求。

1.4设计的内容

本设计是一个以STC89C52单片机为控制核心、以HC-SR04超声波测距模块为检测元件的超声波测距系统。要求设计能够实现在2cm

到4m内对距离进行检测与显示，并且如果检测到的距离值小于设定的值，系统就会进入报警状态。

1.5论文结构

论文的各个不同内容安排如下：

第1章：绪论。对超声波发展的背景及意义、超声波和超声波检测进行了阐述，最后是本设计的内容以及论文的结构。

第2章：总体设计方案。提出了本系统设计的总体方案，对超声波测距技术和测距传感器的种类分别进行了介绍，同时对超声波测距进行了分析。

第3章：硬件电路设计。在这部分里，对单片机和显示屏进行了分别的介绍，对硬件的各个组成部分进行了分析与设计，并且给出了各部分对应的电路图，最后是本系统总的硬件电路图。

第4章：软件设计。软件设计部分一开始给出了本系统总的流程图，其后是各个部分设计方案与流程图，对每个部分分别进行了归纳与介绍，阐述了各子部分的运行方式。

第5章：硬件性能测试。在这部分内容中，对本设计的实物进行了验证，给出了实物图以及不同距离下的测试情况，分析了本系统的一些不足之处以及出现误差的原因。

第6章：设计的总结以及展望。这部分内容中对本设计进行了总结，并在本次设计的基础上，对其发展做出了预想。

2.总体设计方案

2.1总体方案

本次设计总体上包括两个设计部分，分别为硬件设计和软件设计。模块可从细划分为数据采集、数据判断、LCD显示、报警等不同子模块。通路构造可划分成：主控电路，传感器和蜂鸣器的搭建的电路。单片机在本次设计中作为中心单元，此系统是单片机的应用。以单片机为控制核心的系统中，构成部分共有两块，其为硬件和软件。硬件中包括有单片机、输入/输出设备（I/O）以及外围应用电路等。软件是各种工作程序的总称。

在单片机应用系统的研制过程中，有几个不同的阶段，分别为总体设计、硬件设计、软件设计等。系统通过调用不同的子程序来对距离进行检测、计算分析、显示或者报警。系统的控制核心部分采用的是STC89C52单片机,检测部分采用的是HC-SR04超声波传感器，显示部分则是用了LCD1602液晶显示屏，声光报警采用的是蜂鸣器和红色指示灯。一次距离检测完毕过后，中断停止工作，单片机对检测得到的距离值进行计算，然后通过中央处理器将传感器检测得到的距离大小与事先设定好的值进行对比，对比过后如果处理器判断出距离大小值如果大于1m而小于3m，此时红色指示灯就会开始工作，发出红色灯光报警信号。如果检测得到的距离小于1m，则控制蜂鸣器报警，并且LCD1602都会实时显示距离值。

图2.1为本次系统方框图。

图2.1系统方框图

2.2超声波测距技术

2.2.1超声波的特性

（1）吸收特性

超声波在介质中传播时，它的强度会慢慢地不断降低。究其原因是因为这些介质要收取掉超声波的部分能量。声波在同样的传播介质中传播时，介质的能量吸收能力大小与声波的频率反应的是一种正比例关系。一定频率的声波在传播过程中，不同类型与性质的介质对声波能量的吸收程度大小也不尽相同，甚至可以说是完全不一样。从大的方面来讲，气体介质吸收能力最大，液体介质吸收能力次之，固体介质的吸收能力最低。同种类别的介质，如果构成的成分不一样，吸收能力也会随之不一样。

（2）束射特性

超声波的波长比较短，和光线一样具备反射、折射和聚焦的能力，

并且适用于所有几何光学定理。意思就是说，当超声波在传播过程中，与物质的接触面接触过后，就会产生“反射”的情况，角度大小满足入射角等于反射角这一特点。当光线进入不同密度物质而发生折射时，超声波传播方向将发生变化，折射率会随着两种介质的密度差的增大而增大。

（3）能量传递特性

当超声波进入到某一种类别的介质中时，组成这种介质的物质中所含的分子会随着声波的传播而出现抖动的情况，这些分子抖动的频率和声波的振荡频率大小相等。这是出于声波的作用而引起的。物质分子因为抖动而获得的能量不仅同分子的振动速度的平方有关，同时也与分子本身质量的大小有关。虽然如此，前者却是占了主要部分。所以如果某一种声波的频率越高，那么它进入的物质的分子就能得到更大的能量。超声波可以使分子有更大的能量，这是因为它的频率比其他声波都要高。

（4）超声波的声压特性

当声波进入一种物质时，由于振动的关系，因此，分子将在彼此之间出现拉伸和压缩的情况，较声波进入之前，物体就会出现压力差。我们将这种由声波振动而引发额外压力的现象称为声压效应。

2.2.2关于声波的衰减

因为超声波是以直线传播的方式在材料中传播，也就是说，如果材料的内部构造紧凑、那么超声波在这种材料中的传播方式永远都不会出离直线传播的形式。反之，超声波传播时就会出现3种不同的情

况。

第一种：一部分波会直到把能量全部用完之前，都以直线的方式传播。这些能量被消耗殆尽，究其原因是因为波与构成材料的物质发生摩擦生成了热量，在术语上把这种情况称呼为吸收。

第二种：另外一部分波与构成材料的物质粗颗粒碰撞之后出现了散射。这种情况下大部分都是直接在材料内部就把能量用完了。由于超声波散射的一些基本规律不能确定，所以无法用通过计算的方法来计算出超声波散射的相关参数。

第三种：最后还剩下的声波出现扩散的情况。扩散是波在传播中的一种正常的能量衰减存在方式。波基本上一直都在进行着扩散，这种说法从理论上来讲完全成立，即便就是介质均匀也依然如此。从这种层面上来讲，波在扩散的过程中，其分布在单位面积上的声能会随着传播距离的增加而逐渐减弱。

超声波传播的过程中，它的能量会跟着传播距离的不断增加而慢慢降低。扩散、散射和吸收这三个负面影响在很大规模上直接影响着声波的能量衰减的大小度。声波在最优的介质中传播时，其能量的衰减大部分都来自于扩散的原因。意思就是说，声波在传播过程中，它的距离会不停地增加，正是这个原因，所以在单位面积上声能会慢慢减弱。

检测分辨力和测量精度二者与频率的高低呈正比关系，频率越高，检测分辨力就越高，测量精度也就越高。由此，往往都只有超声波被用在实践之中，而其他类型的声波则没有被采用。

在使用上可将声波技术分为两个类型：一是超声加工与处理技术，即功率超声使用。二是超声检测技术，即超声检测。就仅仅以超声波而言，它并不起什么作用，超声应用必须借助于超声探头来产生和接收超声波，并运用超声波的传播特性以及超声波和介质之间彼此影响的各种效应，才能够达到应用的目的。

直到现在，超声波技术已经被广泛使用在不同的行业，其中包括有：钢铁冶炼、船舶制造、机械加工、医疗器材等。使用的类型也多种多样，比如超声探伤，超声清洗，超声焊接等。并且超声波的各种测量和医学超声技术已经在社会效益和经济效益等方面有了较大的斩获。

2.2.3超声波测距分析

在所有超声波测距的探测方法中，回声探测法是用得最多的一种方法。超声波发射器朝着某一方位将超声波发送出去，在发送的那一刻计时器开始工作。超声波在传播途中会遇到障碍物，在与障碍物出现接触的那一刻，超声波会出现反射的情况，而超声波接收器随时都在对回波进行探测，一旦收到回波时计时停止。已知超声波在大气中的传播速度为340m/s，然后根据计时器记下来的时间t，发射点和障碍物之间的距离S也就可以计算出来了，计算公式为：S=340t/2。

超声波的传播速度v与温度息息相关。有一种情况下可以近似认为超声波在介质中的传播速度基本保持恒定，那就是传播介质的温度波动范围很小的时候。如果对测距精度要求很高，则一般要对测量的结果采取数值校正，所用方法多为温度补偿法。当传播速度确定后,

只要把超声波往返一次的时间计算出来，就可以求得距离。测距的原理如图2.2所示：

图2.2 超声波的测距原理

令L 代表两探头之间中心距离的一半值，有公式（2-1）和(2-2)：

θcos S H = （2-1）

)(H L arctg =θ （2-2）

又已了解到超声波传播的距离计算公式:

2/vt S = （2-3) 其中:v 为超声波的传播速度；

t 为超声波往返一次所需要的时间。

将（2—2）、（2—3）代入（2-1）中得到计算公式如(2-4)：

]cos[21H L arctg vt H = ( 2-4)

其中,超声波的传播速度v 基本上保持为某一个常数不变，当然，这是建立在温度也不变得基础上。假设需要测量的距离H 相对于L 要

大出许多时,则公式(2—4)要更改为:

vt H 21 (2-5) 也就是说,如果测量出超声波传播的时间t,就可以测量出与障碍物之间的距离H 。

2.3测距传感器的种类

（1）微波传感器。微波传感器是一种新的非接触式传感器。微波也从属于电磁辐射的范畴，它具备了电磁波的一切特性，介于红外线与无线电波之间。微波传感器不仅仅在军事科技方面有着普遍的应用，同时在通讯方面也有一些应用；

（2）激光测距传感器。利用激光强方向性和良好传光性的特点制作而成的传感器。其优点在于它的测量精度大、测量范围广、并且还可以快速地对很远的距离进行探测。缺点是会对人体造成危害，而且研制难度大；

（3）红外线测距传感器。优点是价格不算高，工艺不复杂，用起来也很安全和方便，然而测量距离近，精度低是它的主要缺点；

（4）超声波传感器。根据工作原理的不同可将超声波传感器分为几大类别，分别是压电、电磁、磁致伸缩等。其中压电超声换能器是最常见的，所使用的探针是一种压电陶瓷材料。它是根据压电效应的原理工作的。逆压电效应时将电振动转换为与之频率相等的高频机械振动，于是超声波出现了。当正压电效应时，超声波振动又被转换为一电信号，这个时候作为一个接收探头。压电式超声波传感器制造部件有压电晶片，保护膜，接收块以及引线和其他各种部件。为了拥有

导电极板，于是在压电晶片的两边各镀有银层。减少机械品质并且吸收声波能量就是阻尼块的主要职能。当在传感器两极处加上一个与压电晶片的固有振荡频率相等频率的脉冲信号时，压电镜片将会发生振动，产生超声波。相反地，如果没有外电压施加在两个电极之间，一旦收取了超声波，压电晶片就会出现抖动动作，把机械能转换成与之对应的电信号，此时作为接收器使用。

图2.3 超声波传感器结构

我们习惯上把完成超声波的产生和接收功能的装置称为超声波换能器，当然，在有些时候也习惯性地称作超声波探头，其实就是超声波传感器。它的两个探头的主要构成部件是一种压电晶片，超声波可以被发射和接收。

它有许多不同的结构，可以分为表面波探头（表面波检测）、兰姆波探头（兰姆波检测）、线性探头（纵波检测），斜探头（横波检测）、双探头（一个发射、一个接收）等。

不同类型的材料可以生产出不同性质的晶片，方式多种多样。由

于不同晶片的参数不一样，因此每个探头的性能都大相径庭。

2.3.1超声波传感器的主要性能指标

（1）工作频率。压电晶片的共振频率。如果产生的能量以及它的灵敏度都达到了最大的话，就证明此时加至晶片两端的电压频率跟晶片本身的共振频率大小值一样；

（2）工作温度。相对较低，因而可以工作很长的时间而不会降低性能甚至出现损坏；

（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。如果机电耦合系数较低，那么也只能拥有较低的灵敏度。

3.硬件电路设计

3.1电源设计

电源采用USB数据线插入USB插孔供电。

3.2 STC89C52单片机

STC89C52是STC公司生产的一种CMOS8位微控制器，这种控制器的性能很高，并且同时还具有很低的功耗，不仅如此，该控制器还拥有着存储空间为8K的系统可编程Flash存储器。STC89C52在使用MCS-51的内核的基础上，有一些改进，添加了其他控制器不具备的性能。

该单片机具有以下标准功能： 32 位I/O 口线，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，8k字节Flash，512字节RAM， 4个外部中断，3个16 位定时器/计数器，看门狗定时器，一个7向量4级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0HZ 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、中断、串口、定时/计数器继续工作。掉电保护情况下，将会保存RAM 的内容，也会冻结振荡器，同时单片机也会停止工作，直到下一个中断或硬件复位后再继续工作。最高运作频率35MHZ，6T/12T可选。图3.1为STC89C52的外观图，图3.2为STC89C52的引脚图。

图3.1 STC89C52外观图

图3.2 STC89C52引脚图

1-8脚：I/O口，P1口（P1.0 - P1.7）；

9脚：复位脚（RST）；

10-17脚：I/O口，P3口（P3.0=RXD，P3.1=TXD，P3.2=，P3.3=，P3.4=T0，P3.5=T1，P3.6=，P3.7=）；

18-19脚：晶振（18=XTAL2，19=XTAL1）；

20脚：地（GND）；

21-28脚：I/O口，P2口（P2.0 - P2.7)；

29脚：外部程序存储器的选通信号输出引脚；

30脚：地址锁存使能信号输出引脚编程脉冲输入引脚；

31脚：内外存储器选择引脚/片内EPROM编程电压输入引脚；

32-39脚：I/O口，P0口（P0.7 - P0.0）；

40脚：+5V电源。

其中I/O口总数为32，当复位时，P0是开漏输出，如果作为一个总线扩展，没有上拉电阻。但是如果是当作 I/O 口来用，就需要

K。

上拉电阻，在本设计中用到的上拉电阻的阻值是10

3.3 1602LCD显示屏

1602液晶显示屏也称作是1602字符型液晶显示屏，它被专门用于显示符号、数字和字母等，从属于点阵型液晶模块。点阵字符型液晶显示器可以根据显示容量的大小分为1X16字、2X16字以及2X20字等形式。LCD1602模块为2X16字，由几个5X7或5X11等点阵字符位构成，每行之间有间距，位与位彼此之间也有间距间隔，每一位可以显示一个字符点阵字符，可以显示两行，每行16个字符。图3.3为LCD1602的外观图，图3.4为LCD1602引脚图。

图3.3 LCD1602外观图

图3.4 1602LCD显示屏引脚图

1脚：地（GND）；

2脚：+5V电源；

3脚：对比度调整端。接电阻或者或者接地，基本上选择接地，此时对比度最高；

4脚：寄存器选择端。高电位为数据寄存器，低电位则是命令寄存器；

5脚：读写选择端。高电位时状态为读，低电位时状态为写；

6脚：使能端。高电位时读取信息，由高电位负跳变至低电位时执行指令；

7-14脚：8位双向数据端；

15-16脚：背灯电源。

LCD1602构成硬件有几种，分别是驱动器HD44100、控制器HD44780和液晶板。HD44780是一种特别典型的液晶显示控制器，它集合了控制功能与驱动功能与一身，可驱动单行16字符或2行8字符。但是面于2行16字符的显示时就显得有点苍白无力，所以这种情况下就要增加HD44100驱动器。HD44780由自定义字符发生器CGRAM、字符发生器CGROM和显示缓冲区DDRAM组成。

其组成图如图3.5所示。

超声波测距系统设计

目录 一、课程设计目的 (2) 二、内容及要求 (2) 2.1、设计内容 (2) 2.2、设计要求 (2) 三、超声波传感器的工作原理 (2) 四、系统框图 (3) 五、单元电路设计原理 (3) 5.1、51系列单片机的功能特 (4) 5.2、超声波发射电路 (4) 5.3、超声波检测接收电路 (5) 六、完整的电路图………………………………………………………………… 七、程序流程图 (6) 八、参考文献 (7) 九、设计中的问题及解决方法 (7) 十、总结 (7)

一、课程设计目的 通过《传感器及检测技术》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、内容及要求 超声波测距系统设计 2.1设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量范围：30cm～200cm。 3）误差＜0.5cm。 4）其它。 2.2设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。 三、超声波传感器的工作原理 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。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农业生产等自动化的使用要求。 目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89C51单片机作为控制器，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。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 理论计算 如图1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(T/2) C S=其中，S为被 * 测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T2 =），这样可以求出距离： T1 T+

#基于单片机的超声测距系统

基于单片机的超声测距系统 【摘要】：基于传统的方法在很多特殊场合：如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷，超声测距能很好的解决此类的问题。本论文主要对单片机超声测距系统的原理，单片机的使用等进行了分析：对超声波的发生电路和接受电路，DS18B20温度采集电路，LCD 显示电路。硬件制作和软件设计，对系统进行误差分析。 【关键字】：超声波测距，单片机，DS18B20温度补偿，LCD 显示，软件设计。 第一章 引言 1.1 单片机使用系统概述 单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式使用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。 嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的IT 使用之一。嵌入式系统的使用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命”的现代化智能系统。现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被使用在国防、国名经济、以及人们生活的各个领域，主要可以归纳一下几个方面： （1）军事装备：各式武器控制（火炮控制、弹道控制、炮弹引信等），坦克、舰艇、轰炸等各种电子装备，雷达、电子对抗、军事通讯装备等。 （2）家用电器：各种家电产品，如数字电视、机顶盒、数码相机、VCD 、DVD 、可视电视、洗衣机、手机、智能玩具等。 （3）工业控制：各种智能仪器仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统、工业机器人、机电一体化设备、汽车电子设备等。 （4）商用设备：各种收款机、POS 端、IC 卡输入设备、自动柜员机、防盗系统等。 （5）办公用品：复印机、打印机、传真机、手机、PDA 、变频空调设备、通信终端、程控变换机、网络设备等。 （6）医疗电子设备：各种医疗电子仪器，如X 光机、超声诊断仪、心脏起搏器、监护仪等，以及辅助诊断系统、专家系统等。 单片机使用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机使用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如下： 图1.1.1 设计步骤 在 线 调 试 软 硬 件 脱 机 运 行 安 装 调 试 制 作 P C B 板 设 计 单 元 电 路 总 体 方 案 设 计

10米超声波测距仪设计实现

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

基于51单片机的超声波测距系统

基于51单片机的超声波测距系统 贾源 完成日期：2011年2月22日

目录 一、设计任务和性能指标 (3) 1.1设计任务 (3) 1.2性能指标 (3) 二、超声波测距原理概述 (4) 2.1超声波传感器 (5) 2.1.1超声波发生器 (5) 2.1.2压电式超声波发生器原理 (5) 2.1.3单片机超声波测距系统构成 (5) 三、设计方案 (6) 3.1AT89C2051单片机 (7) 3.2超声波测距系统构成 (8) 3.2.1超声波测距单片机系统 (9) 图3-1：超声波测距单片机系统 (9) 3.2.2超声波发射、接收电路 (9) 图3-1：超声波测距发送接收单元 (10) 3.2.3显示电路 (10) 四.系统软件设计 (11) 4.1主程序设计 (11) 4.2超声波测距子程序 (12) 4.3超声波测距程序流程图 (13) 4.4超声波测距程子序流程图 (14) 五.调试及性能分析 (14) 5.1调试步骤 (14) 5.2性能分析 (15) 六.心得体会 (15) 参考文献 (16) 附录一超声波测系统原理图 (18) 附录二超声波测系统原理图安装图 (19) 附录三超声波测系统原理图PCB图 (20) 附录四超声波测系统原理图C语言原程序 (21) 参考文献 (26)

一、设计任务和性能指标 1.1设计任务 利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个超声波测距仪器，用LED数码管把测距仪距测出的距离显示出来。 要求用Protel 画出系统的电路原理图，印刷电路板，绘出程序流程图，并给出程序清单。 1.2性能指标 距离显示：用三位LED数码管进行显示（单位是CM）。 测距范围：25CM到 250CM之间。误差：1%。

超声波测距仪单片机课设实验资料报告材料

微机原理与单片机系统课程设计 业：专轨道交通信号与控制 级：班1305 交控

姓名：贺云鹏 学号： 201310104 指导教师：建国 交通大学自动化与电气工程学院 30 日 12 2015 年月 超声波测距仪设计设计说明1 设计目的1.1 测量声波在发超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍射后遇到障碍物反射回来的时间，物的实际距离。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。 超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，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。 1.2 设计方法 本课题包括数据测距模块、显示模块。测距模块包括一个HC-SR04超声波测距模块和一片AT89C51单片机，该设计选用HC-SR04超声波测距模块，通过单片机对超声波进行计时并根据超AT89C51发射和接受超声波，使用HC-SR04．声波在空气中速度为340米每秒的特性计算出距离。显示模块包括一个4位共阳极LED数码管和AT89C51单片机，由AT89C51单片机控制数码管动态显示距离。 1.3 设计要求 采用单片机为核心部件，选用超声波模组，实现对距离的测量，测量距离能够通过显示输出(LED，LCD)。 2 设计方案及原理 2.1超声波测距模块设计

超声波测距系统设计

中北大学 物联网工程专业 无线传感器网络课程设计 报告 课题名称：超声波测距系统设计 班级： 13270841 指导教师：马永 开设时间： 2016 年 6 月

目录 一、课程设计目的 (1) 二、课程设计题目 (1) 三、课程设计内容、要求 (1) 1、设计内容 (1) 2、设计要求 (1) 四、传感器工作原理 (1) 1.超声波传感器 (1) 2.温度传感器DS18B20 (3) 五、系统框图 (3) 六、单元电路设计原理 (4) 1、超声波发射电路 (4) 2、超声波检测接收电路 (4) 3、单片机最小系统 (5) 3.1、STC89C52芯片 (5) 3.2 复位电路 (5) 3.3 晶振电路 (6) 4、显示部分 (7) 5、温度检测电路 (7) 七、软件设计与系统调试 (8) 1、主程序流程图 (8) 1.1发射程序与接收程序流程图 (9) 1.2 中断子程序流程图 (10) 1.3 距离计算与显示子程序 (11) 2.系统调试 (12) 八、设计中的问题及解决方法 (12) 九、总结 (13) 十、参考文献 (14)

一、课程设计目的 通过《无线传感器网络》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、课程设计题目 超声波测距系统设计 三、课程设计内容、要求 1、设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。采用发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。根据温度传感器DS18B20所采集的温度数据来修正测距系统中的声速，从而使超声波测得的距离更准确。 功能：1）所有测距和温度数据均通过液晶显示器LCD1602 显示出来，距离精确到毫米，温度精确到小数点后一位（单位：摄氏度）。 2）测量范围：30mm～2000mm。 3）误差＜5mm。 4）其它。 2、设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图 四、传感器工作原理 1. 超声波传感器 本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波传感器分机械方式

基于单片机的超声波测距系统实验报告

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。

超声波测距系统设计

摘要 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。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。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。 介绍了一种以A T 89C2051 单片机为核心, 利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Psp ice 对硬件的主要部分进行了模拟仿真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进, 电路达到了预期的效果。 关键词：AT89C2051; 超声波；测距 Abstract With the development of science and technology, the improvement of people's tandard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban rainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However,due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction.Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. A kind of u lt rason ic telem eter based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem eter is provided w ith som e m er it s such as low co st and h igh2accu racy becau se of the u lt rason ic w ave character ist ic. The hardw are p r incip le elect r ic circu it and them ain sof tw are design idea are show ed. The sim u lat ion of the m ain par t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A t last, acco rding to the theo ret ical analysis and the exper ience som e imp rovem en t s of the design are m ade. The system has ach ieved the an t icipated effect. Key words:AT89C2051; Silent Wave；Measure Distance

课程设计-超声波测距+实际 MSP430 单片机与 proteus 中虚拟 51 单片机串口通信仿真

课题名称超声波测距+实际MSP430 单片机与proteus 中 虚拟51 单片机串口通信仿真 姓名 学号 年级专业 指导老师 完成日期2017年05 月27 日

摘要 随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 本设计所介绍的就是实现实际单片机与proteus 中的虚拟单片机进行串口通信，采用MSP430F149 单片机为控制核心、以单线数字温度传感器DS18B20 来完成温度信号的采集、温度以数宇的方式显示在LCD1602 液晶上，最终实现温度的采集、显示。利用集成的超声波测距模块测出与障碍物之间的距离。并且利用UART 串口通信将实时数据发送给 proteus 中的虚拟单片机，虚拟单片用的是 AT89C51 单片机。51 单片机把接收到的数据用液晶模块显示出来，实现和实际单片机电路同步显示，并且设有报警电路，当距离小于5cm 时进行报警。 关键词：超声波测距、MSP430 单片机、LCD 液晶显示、proteus 仿真、AT89C51

目录 1. 绪论..................................................................................................... 1.1. MSP430 单片机概述 (1) 1.2. MSP430 的特点 (2) 1.3. 课题研究的主要内容 (3) 2. 系统总体方案设计......................................................................................... 2.1. 控制系统的原理图 (4) 2.2. 超声波测距的原理 (4) 2.2.1. 超声波发生器 (5) 2.2.2. 超声波测距原理 (5) 2.2.3. 超声波测距误差分析 (6) 2.2.3.1. 温度误差 (7) 2.2.3.2. 时间误差 (7) 2.3. 温度测量原理 (8) 3. 硬件系统与软件系统设计................................................................................... 3.1. 硬件部分 (8) 3.1.1. MSP430F149 单片机 (8) 3.1.1.1. MSP430F149 的组成 (9) 3.1.1.2. MSP430F149 的定时器及转换模块 (9) 3.1.2. 单线数字温度传感器DS18B20 (9) 3.1.2.1. 温度传感器DS18B20 特点 (10) 3.1.2.2. 温度传感器DS18B20 内部结构 (10) 3.1.2.3. DS18B20 读/写时序图： (13) 3.1.3. 超声波测距模块 (13) 3.1.3.1. HC-SR04 超声波模块原理图 (13) 3.1.3.2. 实物图： (14) 3.1.3.3. 电气参数： (14) 3.1.3.4. 超声波时序图： (15) 3.1.4. 报警模块 (15) 3.1.5. 液晶显示模块 (16) 3.2. 软件部分 (16) 3.2.1. 主处理的流程图 (16) 3.2.2. 温度采集DS18B20 模块 (18) 3.2.3. 超声波传感器模块 (19) 3.2.4. 报警模块 (20) 4. Proteus 中虚拟单片机的仿真系统设计.......................................................................... 4.1. Proteus 简介 (20) 4.2. ISISI 编辑器介绍 (21) 4.3. Proteus 中虚拟单片机仿真图搭建 (23) 4.3.1. 51 单片机最小系统电路 (23) 4.3.2. proteus 中1602 液晶电路 (23) 4.3.3. 虚拟终端以及串口电路 (24) 4.4. 在Proteus 中画出完整的电路图 (25)

高精度超声波测距系统设计

高精度超声波测距系统设计。 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差， 然后按照下式计算，即可求出距离： 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，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上， 给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播 的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μｓ的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在 1 mm的测量范围内。

基于单片机的超声波测距系统设计

基于单片机的超声波测距系统设计 ［摘要］超声波技术是一项应用十分广泛的实用的非接触式技术。它具有传播距离远、聚向性能好、能源在传播过程中消耗缓慢等优点，而超声波测距更是借助了超声波的上述优点外还有如原理简单易懂、相关配件价格实惠等优势而被大量推崇。文章首先介绍超声波测距的测距原理和系统构架，然后分别对制作超声波测距的硬件电路和软件编程思路进行阐述，最后介绍调试超声波测距仪中的一些测试结果。 ［关键词］单片机；超声波；测距系统 众所周知，城市轨道交通的检修为了不打扰正常的运营通常放在半夜进行，而在此过程中如要进行一些非接触式的检测项目时，往往由于现场的光线昏暗或是检测条件有限，通常是由检修的老员工通过自己多年的经验来主观判断是否存在误差。这样凭自己的主观工作经验而下的判断无疑是给列车的安全出行埋下了安全隐患。超声波测距技术正是一项非接触式的测距技术，它具有传播距离远、能量消耗少、聚向性能佳等优势，特别适用于传播媒介是空气的应用环境之中。由于在空气中波速较慢，因此容易检测出反射信号的信息，具有很强的分辨能力。同时，它能做到实时控制和检测可靠优势而使其具有很高的工业实用价值，因此它被广泛地应用，而且价格相对低廉，不会给企业和个人使用增加太多的成本负担。一、超声波测距的工作原理 目前超声波的测距原理主要有三种方式：分别是渡越时间检测

法、相位检测法和声波幅值检测法[1] 。相位检测法虽然通过相位之间的角度计算能够得出比较高的精确度[2]，但是计算方式比较复杂，而且相关的硬件设备价格较贵；而采用声波幅值检测方法的话，主要的瓶颈在于它容易受到反射波的干扰，而造成灵敏性和精确度不高[3]。综合比较下来，渡越时间检测法的检测原理简单易懂同时反射波也不会对其造成干扰而使其灵敏度和精确度下降，最终笔者选择的超声波测距原理是渡越时间检测法。 渡越时间检测法的原理就是：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间[4]。而用在传媒介质为空气中声波的速度乘以该渡越时间就可以得出我声波总 的传播距离。由于该距离是发射到发射面后再有接收端口接收到的，因此实际的距离则是之前声波乘以渡越时间的一半。而对于时间的计算则是通过51单片机的内部定时器来实现。 测距的具体过程如下：通过超声波发射装置向某一方向或是某一反射面发射超声波，同时激发单片机内部的定时器开始计时。在超声波发射后遇到障碍物则被反射回来，之后被超声波的接收端所接收到；与此同时，单片机的内部定时器停止计时。那么在单片机的内部定时器中的这段时间就是渡越时间，之后将这段时间送给单片机进行读取并计算，最后单片机将最终的结果显示到数码管上。二、超声波测距系统的组成 整个测距系统的话主要是由c51单片机作为核心的控制系统以及发射模块、接收模块、报警模块、显示模块、电源模块等组成。具

超声波测距调试与仿真

6 仿真与调试 6.1 基于Proteus软件的仿真 Proteus是一款功能强大的软件，其ISIS用来做仿真十分方便，尤其是单片机系统的仿真，我们在本设计的开发初期，用Proteus来仿真我们的设计，以便验证我们的设计，对设计的正确性做出分析。 因为在proteus软件中没有超声波传感器之类的元件，发射和接收的信号可以用信号发生器发出的类似信号进行仿真。本次仿真与实际电路现象有所出入，所以仅供参考； 在proteus软件里用“激励源”里的“SINE”作为超声波发射信号，设置如下图6-1所示： 图6-1 超声波模拟发射信号设置 用“虚拟仪器”里的简易示波器来接收正弦波进行观察；下面的“虚拟示波器”中，蓝色的波是模拟超声波发射的正弦波，黄色的波是接收到的波。

6.2电路调试 首先对单片机最小系统进行检测，看单片机是否正常工作；比如晶振是否起振，复位电路时候能对单片机进行复位。在这些都正常后就可以对原理图中的各个模块进行调试。 （1）显示电路的调试 对显示电路的调试主要是调试程序所写的和数码管的显示是否一致，若不一致就对数码管的高低位显示做调整。首先调试显示电路主要是为了方便后面的调试 （2）发射模块调试 上电后，在单片机P1.0脚处用示波器检测是否有波发出，然后再在超声波换能器TCT40-10F1连接处检测发出的波的状况；TCT40-10F1的连接要注意引脚的高低电平。 （3）接收模块调试 接收模块的调试不太容易，因为不知道什么时候可以接收到波，所以我在程序中有设置设置了若接收到波数码管的显示不为“0000”；通过TCT40-10S1还还可以判断，若接收到波后，TCT40-10S1的高电平脚变为低电平。为了能更 好的发射和检测到波，我设置了两组超声波换能器，发射都是从P1.0脚出来，都由P3.2进行采样接收。

超声波测距系统设计

（一）题目 超声波测距系统设计 （二）内容及要求 1）设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LCD液晶显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量方式可通过硬件开关预置。 3）测量范围：30cm～200cm， 4）误差＜0.5cm。 5）其它。 2）设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。（三）传感器工作原理 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,然后求出距离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，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。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。 （四）系统框图 图1 超声波测距系统框图 （五）单元电路设计原理

1、AT89C2051的功能特点 AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。 AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0t Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。 图2 ATC2051示意图 2、LCD的工作原理 在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。 LCD器件是由背光源发射的光通过偏振片和液晶盒时，控制投

超声波测距电路

超声波测距电路 摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。 关键词：超声波；测距；FPGA实现 1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。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。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。 2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1℃,声波速度增加0.6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。 3超声波发生/接收器：为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。（可采用MA40LIS和MA40LIR） 4超声测距原理：最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度 补偿问题。 5系统设计：

超声波测距实验报告

电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪

目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)

摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波

超声波测距系统设计

超声波测距系统设计

论文题目：超声波测距系统设计 摘要 超声波具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，超声波测距作为一种有效的非接触式测距方法已被应用于多个领域。 本设计采用渡越时间法，硬件系统分为发射模块、接收模块、显示模块、中央处理模块四个部分。本设计采用STC89C52单片机作为微型中央处理器并由软件实现40kHz脉冲经放大电路从超声波发射探头T-40发射出超声波，接收探头R-40收到声波后经集成芯片CX20106A放大滤波整形后回送到单片机计算，通过发射与接收的时间差和声速计算出距离。本系统使用四位共阳极LED数码管显示距离，能实时显示即时距离。 经测试,在30cm～200cm范围内，误差能控制在2cm以内。根据实验数据进行了误差分析，并提出了解决方案，最后对超声波测距技术的发展进行了展望。通过系统的调试和测试，本设计基本完成了设计要求。 【关键词】单片机，超声波，测距，渡越时间法； 【论文类型】应用型

Title: The design of ultrasonic distance measurement system Major:Electronic and Information Engineering Name: Zhang Yankun Signature:_______ Supervisor: Zhang Xiaoli Signature:_______ ABSTRACT The advantages of ultrasound without the influence of outside light and electromagnetic fields and other factors , ultrasonic distance measurement as an effective non-contact distance measurement method has been used in many fields. This design uses the transit time method, the hardware system is divided into transmitter module, receiver module and display module, the central processing module. This design uses a microcontroller STC89C52 as micro central processing unit and 40 kHz pulse by the software, The ultrasonic emission from the ultrasonic probe the T-40 via the amplifier circuit. Acoustic