1、2015屆本科畢業設計（論文）題目：超聲波測距儀Title：Ultrasonic rangefinder學號 姓名 學院指導老師專業 完成時間i摘要本設計的核心是89C52單片機，用它來實現超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方案。整個電路采用模塊化設計，由主程序、各模塊子程序等模塊組成。由超聲波模塊發射和接受超聲波，送回單片機，并通過DS18B20溫度模塊進行補償，避免因客觀環境的溫度變化而影響波速，提高測量精確度。單片機計算距離，顯示測量結果。各探頭的信號經單片機綜合分析處理，實現超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統的總體方案，最后通過硬件和軟件實現了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路

2、圖、程序流程圖。超聲波測距在近年來得到了廣泛的應用。本設計的優點在于超聲波明顯特征是方向性好，穿透性強，并且成本低廉，可操作性強。關鍵詞：89C51、超聲波、測距Abstract:The core of this design is the 89C52 single chip microcomputer .The design scheme of hardware circuit and software to implement it using the Ultrasonic range finger .Uses the modular design of the whole circuit

3、 ,composed by the main programed each modelsubprogram .The transmission and reception of Ultrasonic come time sent to MCU by Ultrasonic module ,and temperature compensation by DS18B20 temperature module. Avoid the change of objective environment .temperature affect velocity ,improve the accuracy of

4、. MCU calculate distance and display the results . The probe signal by MCU cessing of various functional circuits. with the relevant parts of the circuit diagram and program flow diagram . Ultrasonic distance measurement has been widely used in recent years. The utility model has the a

5、dvantages of good direction,strong permeability , low cost and strong operability.目錄摘要iAbstract:ii1引言- 2 -1.1 課題研究的背景以及意義- 2 -2 超聲波的介紹及測距原理- 2 -2.1 超聲波的介紹- 2 -2.1.1 超聲波- 2 -2.1.2 超聲波的特性- 2 -2.1.3 超聲波的應用- 2 -2.2 超聲波測距原理以及誤差分析- 2 -2.2.1 超聲波測距原理- 2 -2.2.2 超聲波測距儀的誤差分析- 2 -3 超聲波測距系統硬件設計- 2 -3.1 超聲波測距系統的結

6、構設計- 2 -3.2 超聲波測距系統的主控芯片STC89C52- 2 -3.3 超聲波收發模塊- 2 -3.4 溫度補償電路- 2 -3.5 顯示電路- 2 -3.6 聲音報警電路- 2 -3.7 超聲波測距系統總括- 2 -4 軟件設計- 2 -4.1 程序流程圖- 2 -iii1 引言1.1 課題研究的背景以及意義國內從五十年代起對超聲波測距進行了較多的研究，并取得了可喜的成果。近年來由于電子技術的飛速發展，傳感器、單片機技術的應用，使得原來非常復雜的超聲波物位測量儀的設計有了大幅簡化的可能，非接觸式檢測技術被廣泛應用，目前有超聲波測距，CCD探測，雷達測距等。各行各業對于各種技術參數的

7、測定的各方面的要求也變得越來越高。無論是從精確程度，還是測量效率都變得要求很苛刻。所以各種快速測量，精確程度高，測量方便的儀器也變得越來越被業界所渴求。距離的測量便成為各項技術參數最基本的參數之一，CCD探測具有使用方便、無需信號發射源、同時獲得大量的場景信息等特點，但視覺測距需要額外的計算開銷1，而雷達測距具有全天候工作，適合于惡劣的環境中進行短距離、高精度測距的優點2，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強，但其成本高、數據處理復雜3。聲納主要是滿足水中武器實施全隱蔽需要，解決海水中目標識別問題。而在其他一些

8、工程領域聲納測距便顯得不適用了。超聲波測距因其簡便性，測量準確度高，操作方便成為測距儀中的翹楚。而且超聲波在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強。超聲波能以一定速度定向傳播、遇障礙物后形成反射，利用這一特性，通過測定超聲波往返所用時間就可計算出實際距離，從而實現無接觸測量物體距離。超聲波測距迅速、方便，且不受光線等因素影響，廣泛應用于水文液位測量、建筑施工工地的測量、現場的位置監控、車輛倒車障礙物的檢測、移動機器入探測定位等領域。在這一個測距技術十分有限的時候，但又處在其技術及產業鄰域正蓬勃發展而又有無限前景的今天，超聲波測距儀便作為一種新型的

9、非常重要有用的工具在各個產業領域都將有很大的發展空間。它將朝著更加高定位高精度的方向發展，以滿足日益發展的社會需求。所以超聲波測距在現實應用中更具有實際的意義。并且在測量精度要求不是特別精確的市場中有著廣泛的需求。2 超聲波的介紹及測距原理2.1超聲波的介紹2.1.1超聲波聲波是由物體機械振動而產生的。物體每秒鐘震動的次數，我們叫做頻率。頻率決定了物體震動的快慢。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的，其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的一般上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲波和可聞聲波本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈

10、性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。2.1.2超聲波的特性超聲波有如下幾個特性：（1)超聲波在傳播時，波長短，方向性強，能量易于集中。（2)超聲波能在各種不同媒質中傳播，且可傳播足夠遠的距離。（3)超聲波與傳聲媒質的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質狀態的信息診斷或對傳聲媒質產生效用及治療。（4）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。（5）超聲波可傳遞很強的能量。（6）超聲波會產生反射、干涉、疊加和共振現象。超聲波其不足之處：1 要探測某個物體是否存在，超聲波必須在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混

11、凝土、玻璃、橡膠和紙等可以近乎100%反射，布、棉花、絨等可以吸收超聲波，因此我們很難探測到它們。同時由于不規則反射，通常很難探測到凹凸表面以及斜坡表面物體。聲波的傳播速度會受到環境中溫度的影響。要精確測量某個物體，始終檢查周圍溫度是十分必要的，所以本設計加入了溫度補償模塊。2 超聲波在傳播過程中隨著距離的增加其強度會成比例衰減。這是因為衍射現象所導致的在球形表面上的擴散損失，也是因為介質吸收能量產生的吸收損失4。其聲壓和聲強的衰減規律為式中：、距離聲源x處的聲壓和聲強： x聲波與聲源間的距離衰減系數，單位為Np/cm如圖一所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可

12、見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。超聲波傳感器的震蕩頻率為40KHz，傳播10米超聲波信號強度便衰減到40個聲壓級。此時超聲波接收探頭就很難接收到回波信號。因此，從理論上分析，本設計超聲波測距部分的實際范圍是10cm500cm，理想的避障范圍是10cm100cm,所以用它測量五米左右的物體還是比較理想的。圖一 超聲波衰減圖3 根據超聲波傳感器的某些電氣特性如：聲壓、靈敏度、輻射特性等參數，在選擇超聲波傳感器工作在40KHz范圍內具有最大的聲壓級和最高的靈敏度，這為設計中選擇合適的超聲波傳感器指明了方向。2.1.3超聲波的應用超聲波我們利用其特性在很多領域都有應用在醫學農業工業軍

13、事上都應用廣泛。可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。醫療行業：醫療器械的清洗、消毒、殺菌、實驗器皿的清洗等。半導體行業：半導體晶片的高清潔度清洗。光學行業：光學器件的除油、除汗、清灰等。石油化工行業：金屬濾網的清洗疏通、化工容器、交換器的清洗等。電子行業：電子行業是超聲波清洗應用最早，最為普及的行業。工業：焊接、清洗、測距、自動化控制。美容業：軟堅去脂治暗瘡、消除暗瘡愈后瘢痕（結節）、清除皮膚異常色素、分化色素除皮下斑、減輕眼袋和消除黑眼圈5。所以超聲波的應用極其廣泛，對超聲波的研究具有重大意義。2.2超聲波測距原理以及誤差分析2.2.1超聲波測距原理超聲波測距原理，通過超聲波發射

14、裝置發出超聲波，根據接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。（超聲波在空氣中的傳播速度為大約為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）測距的公式表示為：s=ct但是目前國內的超聲波測距集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，因為空氣中溫度對聲速都有影響所以及用溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的

15、測量精度。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。2.2.2超聲波測距儀的誤差分析根據超聲波測距的公式s=ct，可知超生波測距的誤差主要是由超

16、聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。而超聲波的波速受環境溫度的影響最大，不同環境溫度超聲波的波速會相差很多，見表一。如果采用某一特定波速的話那么在測量的時候誤差就會很大。例如0攝氏度和20攝氏度的聲速就相差12m/s。如果采用20攝氏度的聲速為測量參數，那么在0攝氏度的環境中測量每五米誤差就有2cm。這樣的誤差程度就很大了遠遠不能達到測量要求。所以在系統中引入溫度補償來提高測量精度。表一聲速與溫度關系表（表頭放上面）溫度（）-30-20-100102030100聲速（m/s）3133193253323383443493863 超聲波測距系統硬件設計3.1超聲波測距系統的結構設計本

17、設計包括硬件和軟件設計兩個部分。模塊劃分為超聲波、按鍵控制、顯示、報警、DS18B20溫度補償等子模塊。就此設計的核心模塊來說，單片機就是設計的中心單元，所以此系統也是單片機應用系統的一種應用。顯示電路采用了1602液晶顯示電路能同時顯示距離溫度，超聲波收發模塊采用HC-SR04超聲波收發模塊，采取此成品模塊省去了制作成品體積，以及簡化了編程，在精度方面也有很大提高。并用DS18B20作為溫度采集，進行溫度補償，提高測距儀的精度，改變了由于溫度的變化而影響聲波速度的變化，導致測距不準確。單片機應用系統也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機、輸入/輸出設備、以及外圍應用電路等組成的系統，軟件是各種

18、工作程序的總稱。設計方框圖如圖二所示。電源超聲波收發模塊液晶顯示單片機超聲波發射溫度測量超聲波接收蜂鳴器報警圖二系統框圖3.2超聲波測距系統的主控芯片STC89C52STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能： 8k字節Flash，512字節RAM， 32 位I/O 口線，

19、看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。器件參數：1. 8052單片機，6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統8051.2. 工

20、作電壓：5.5V3.3V（5V單片機）/3.8V2.0V（3V 單片機）3.工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051 的080MHz，實際工作頻率可達48MHz4. 用戶應用程序空間為8K字節5. 片上集成512 字節RAM6. 通用I/O 口（32 個），復位后為：P0/P1/P2/P3 是準雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。7. ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片8. 具有EEPR

21、OM 功能9. 共3 個16 位定時器/計數器。即定時器T0、T1、T210.外部中斷4 路，下降沿中斷或低電平觸發電路，Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒11. 通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現多個UART12. 工作溫度范圍：-40+85（工業級）/075（商業級）本系統采用內部方式的時鐘電路和加電自復位的復位電路，如下圖三 圖四所示：圖三時鐘電路圖四復位電路3.3 超聲波收發模塊超聲波收發模塊采用HC-SR04模塊如圖五，此模塊由如下特點。、本模塊性能穩定，測度距離精確，模塊高精度，盲區小。產品應用領域:機器人避障   物體測

22、距  液位檢測  公共安防 停車場檢測 。主要技術參數：圖五HC-SR04實物圖 1：使用電壓：DC-5V   2：靜態電流：小于2mA       3：電平輸出：高5V     4：電平輸出：底0V       5：感應角度：不大于15度   6：探測距離：2cm-450cm 7:高精度可達0.2cm    

23、;接線方式：VCC、trig（控制端）、  echo（接收端）、 GND基本工作原理： (1)采用IO口TRIG觸發測距，給至少10us的高電平信號; (2)模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回； (3)有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2;     本模塊使用方法簡單,一個控制口發一個10US以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出.一有輸出就可以開定時器計時,當此口變為低電平時就可以讀定時器的值,此時就為此次測距的時間,方可算

24、出距離.如此不斷的周期測,即可以達到你移動測量的值3.4溫度補償電路本設計采用DS18B20溫度傳感器作為溫度補償電路的測溫元件。DS18B20是美國DALLAS半導體公司生產的1WIRE數字溫度傳感器，它可實現數字化輸出和測試，并且有控制功能強、傳輸距離遠、抗干擾能力強、微功耗等特點。DS18B20的主要特性：適應電壓范圍更寬，電壓范圍3.05.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。DS18B20支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫。DS18B

25、20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。溫范圍55125，在-10+85時精度為±0.5。在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快。測量結果直接輸出數字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給單片機。負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。用DS18B20傳感器進行測量，P2.4接DS18B20數據總線，控制DS18B20進行溫度轉換和傳輸數據,同時數據總線上還接10k的上拉電阻。本系統對DS18B20采用外部供電，其優點在于

26、I/O線不需要強上拉，而且總線控制器無需在溫度轉換期間一直保持高電平。這樣在轉換期間可以允許在單線總線上進行其他數據傳輸，硬件結構如圖六所示圖六溫度傳感器接口電路圖3.5顯示電路本模塊采用LCD1602，字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，16腳接口的管腳發布如下：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數據寄