基于单片机的超声波测距设计说明书论文Word下载.docx

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超声波测距单片机HC-SR04

Abstract

Ultrasoundissoundwaveswithfrequencyhigherthan20KHz,ithasstrongdirectivityandconsumesenergyslowly,atthesametimeitspreadsfartherinthesamemedium.Thereforeultrasoundisoftenusedfordistancemeasurement,suchastherangefinderandlevelmeasurementandsooncanbeachievedbyit.Useofultrasonicdetectiontendstobequickly,convenientandsimplecalculation,easytodoreal-timecontrol.Inthemeasurementprecisionitcanreachindustrypracticalrequirement.Soinliquidlevel,welldepth,pipelengthmeasurement,mobilerobotlocalizationandobstacleavoidance,etcawiderangeofapplications.

Thisultrasonicrangingsystemconsistsofthesingle-chipmicrocomputertimerandcontrolcircuit,ultrasoundtransmittingandreceivingmodules,thedistancedisplaycircuit,alarmcircuitsandothercomponents.DetailedintroducestheultrasonicrangingmoduleandAT89S52MCUrangefinderprinciple.HC-SR04isthecoreoftheultrasonictransmitterandreceiver.Theresultdisplayswithdigitaltubeandcontrolledbytransistor.Andthealarmcircuitiscomposedbybuzzerandtransistor.Thewholecircuitissimplestructure,lowcost,stableworkandthemeasurementaccuracyreachedtheapplicationrequirements.

Keywords:

ultrasonicwaverangingMCUHC-SR04

3.2HC-SR04模块9

3.2.2超声波发射电路13

3.2.4HC-SR04模块工作原理14

3.3显示电路16

3.3.1LED结构与显示方式16

3.3.2显示模块电路18

3.3.3显示子程序18

3.4报警模块19

3.4.1蜂鸣器及其原理19

3.4.2报警电路及子程序20

第4章程序开发环境及流程图23

4.1程序语言及开发环境23

4.2主程序流程图25

4.3测距程序流程图27

第5章硬件使用说明30

5.1硬件电源说明30

5.2硬件操作说明31

总结32

致谢33

参考文献34

附录一超声波测距仪原理图

附录二超声波测距PCB图

附录三源程序

前言

随着经济和科学技术的发展，汽车这项代步工具也走近越来越多的家庭，与此同时交通拥挤的状况也越来越严重。

伴随着汽车带来方便的同时，各种事故也层出不穷，其中追尾、倒车碰撞则占据了很大一部分比例。

而在汽车上安装一个测距防撞报警系统则能很好的帮助解决这一问题。

超声波具有指向性强，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，性价比很高。

因此在液位、井深、管道长度的测量、移动机器人定位和避障等领域得到了广泛的应用。

因此可以将超声波测距系统应用到汽车防撞中。

在汽车尾部安装一个超声波测距系统，泊车时，系统检测汽车与障碍物的距离并且利用LED显示，当距离达到某设定值时实施声音报警来提醒驾驶人员。

第1章测距仪现状及意义分析

1.1国内外现状

1.国内现状

随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。

目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等。

其中，CCD探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销。

雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。

激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。

与前几种测距方式相比，超声波测距具有以下优势：

1、与声波相比，超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、在介质中传播距离较远、反射能力强等优势。

2、和光学方法相比，声音传播速度小，可以直接测量较近的目标，纵向分辨率高，适用范围广，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，因此对于测量处于黑暗、电磁干扰等比较恶劣环境中的物体具有很强的适应能力，且覆盖面较大等优点。

3、超声波测距系统具有体积小、结构简单、价格低廉，测距迅速、方便、计算简易、易于做到实时控制。

国内的早期测距仪是基于机械原理的，但随着世界的电子技术的发展，国内位移测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量领先世界。

国内对超声波回报信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声波测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。

随着科学技术的不断进步，超声波的应用也越来越广泛。

但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又前景良好的技术。

目前，超声波测距系统可以广泛应用于建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，如液位、井深、管道长度的测量、移动机器人定位和避障等领域。

与此同时对其的精度要求也越来越高，伴随着经济技术的发展，超声波测距应用的范围也会日益扩大。

2.国外现状

国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理。

在传统原理中渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。

从国外测距仪发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术普遍应用，普遍采用电子设计自动化、计算机辅助测试、数字信号处理、专用集成电路及表面贴装技术等。

呈现出智能化测距仪、非接触式测量方式的测距仪、新原理的小型测距。

1.2本课题研究意义

接触式测量存在测量费用较高，探头易磨损，测量速度慢，在测量一些内部元件有先天的限制，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿，因此可能会导致修正误差的问题，而利用超声波测距则可以实现非接触式测量，解决上述问题。

与其他测位方法相比，超声波测量具有结构简单、接触、安装和维护方便、性能稳定可靠且环境适应性强等优势。

在现代生活中，机动车的倒车位置监控也广泛运用超声波测距系统。

随着汽车拥有量的增长，汽车的安全和使用便捷性能受到了空前的关注。

由于存在视觉盲区，人们在倒车时无法看清楚车子后面的障碍物，很容易刮伤汽车或发生事故。

通过在车身前后安装超声测距传感器可以有效测量车身距障碍物间距离，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高驾驶的安全性。

因此研究超声波测距系统的原理具有很大的现实意义，对于本课题的研究还能进一步提高自身对单片机及电路设计的理解应用。

1.3主要内容及思路

本次设计选用HC-SR04超声波模块，该模块使用的是T40-16T/R超声波传感器。

根据其原理设计超声波测距系统的硬件结构电路，对设计的电路进行分析能够控制其产生超声波，实现对超声波的发送和接收，从而利用超声波测距的原理来实现对物体间距离的测量。

具体设计包括基于单片机控制超声波发射和接收、LED显示、蜂鸣器报警等电路。

超声波测距的原理是通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了，这与雷达测距原理相似。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2。

第2章总体设计

本设计采用52单片机为主控，集测量、显示、报警于一体，要求电路结构简单、操作方便、成本低廉适于实际应用。

2.1总体设计要求

1、测量范围0.2～1.5m；

2、测量精度1cm；

3、LED显示测量结果；

4、机动车挂入“R”档，系统工作；

5、在1.5m、1m时，以及<

1m每0.1m蜂鸣器短鸣提示；

6、在0.2m时蜂鸣器长鸣示警；

7、超声波收发传感器与被测障碍物之间无直接接触。

2.2总体设计思路

在本次设计中，以52单片机为主控芯片，各部分功能用外部电路来完成，其中包括超声波测距模块HC-SR04、显示电路、报警电路，各部分关系如图2-1所示。

HC-SR04

AT89S52

→

电源

→←

显示电路

←

报警电路

→

图2-1设计思路框图

在实物制作测试过程中，由电脑的USB接口为电路板提供电源，在测试完成后则最终由3节干电池供电。

显示电路将测量距离时时动态输出到数码管上显示。

HC-SR04由单片机触发发射超声波，接收到回波信号后给高电平，由单片机计得出时间。

报警电路由单片机与三极管控制在设定的距离内启动蜂鸣器报警。

各部分工作流程如图2-2所示。

图2-2各部分工作流程

当对应按钮按下时单片机开始工作，对应I/O端口输出14us的高电平，