便携式测距仪系统设计.docx

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便携式测距仪系统设计

题目:

便携式测距仪系统设计（软件）

英文题目：

DesignofSystemonPortableRangefinder

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长江学院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，超声波广泛应用在生活之中，因为超声波有着能耗低，容易传播等优良特性。

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，发射模块通过单片机所给的信号来发射超声波，然后接收模块接收返回的超声波。

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。

STC89C52单片机为主控芯片，利用超声波来检测两个物体之间的有效距离，将前面的障碍物探测出来，然后交给单片机去计算处理所得到的数据，最后显示出测量的结果来。

关键词：

超声波传感器；STC89C52；时差法

ABSTRACT

Soundwaveisakindofmechanicalwave,whichisproducedinthestateofmechanicalvibration,andistransmittedthroughthemedia.Thepropagationspeedofsoundisrelatedtothetypeandtemperatureofthemedium,thehigherthedensity,thefasterthepropagationspeedis,thehigherthetemperatureis,thefasterthepropagationspeedis.Ultrasonicisthevibrationfrequencyisgreaterthan20KHZ,peoplecannothearthesoundwaveinthenaturalenvironment.

Intheairmedium,ultrasonicrangingsensorbecauseitsperformanceisreliable,easytouse,inexpensive,automaticvehiclenavigation,vehiclesafetydrivingassistantsystem,aswellastheriver,wellsandwarehouseandmaterialpositiondetectionareapplied.Ultrasonicpropagationisnoteasytobedisturbed,theenergyconsumptionisslow,thedistanceinthemediumisfaraway,soultrasonicoftenusedfordistancemeasurement.Therefore,itisofgreatsignificancetostudythegenerationandpropagationofultrasonicwave,developthehighperformanceultrasonicdistancemeasuringinstrument,whichisveryimportanttothedevelopmentofthetechnology.

Usingacousticdistancemeasurementprincipleis:

sendultrasonic,ultrasonicobstacletoreflect,receiverreceivestheultrasonicandconvertedintoanelectricalsignal,measurethesendingandreceivingofthetimedifference,throughtheformulacalculatethedistance.

STCisaseriesofSTC89C52microcontrollerinawiderangeofapplications,inthefieldofautomaticcontrolhasahighvalue.ThisdesignismainlytouseSTC89C52microcontroller,ultrasonicsensorrangealarmsystemofproduction,toSTC89C52asthemaincontrolchip,usingultrasonicwavetodetectthedistance,thedistancetotheobjectinfrontdetected,thentheSCMprocessing,willdealwiththeresultoftheoperationbythedisplay.

Keywords:

ultrasonicsensor;STC89C52;time-difference-type

1绪论

1.1背景与意义

超声波是声波的一种，具有声波的大部分属性，所以超声测距是一种非接触检测技术。

特别是在空气等介质中传播的距离远等优点，遇到障碍物时会产生反射波，所以人们经常把超声波用于两物体之间距离的测量。

超声波在各种不一样的介质里其传播速度是不一样的，而且它可以定向传播，发射后能在遭遇障碍物的瞬间进行反射，我们可以利用超声波的反射特性，通过测定超声波往返的时间，利用声速已知则可以求出两点之间的距离。

利用超声波测距具有操作简单，快速，实用，方便的特点。

不会受到光线，物体颜色等的影响是超声波测距的最大优势之一。

由于这些优点，超声波测距大多数应用于液位的测量，建筑工地，桥梁隧道施工，位置实时监控、流量测量，和机器人等领域。

因为有了这些其他声波所不具有的优点，建筑工地，隧道施工，桥梁施工，路面施工等的距离测量经常用到。

因此研究超声波测距系统有着很大的现实意义。

开发超声波测距仪的任务也刻不容缓。

对基于单片机的超声波测距仪的研究与设计，能提高设计者的单片机电路理论和实际的动手能力，深入对单片机开发使用和理解。

1.2设计目的

现代科学技术正在快速发展，各类物理现象都在人类的研究和开发中得到充分利用，光学，电学，声学的发展非常迅速。

超声波被发现后得到了非常广泛的利用。

特别是在测量方面的应用因科技的发展而变得越来越广。

但就目前的发展水平和科学技术来说，人们可以具体利用的在超声波方面的距离测量技术还比较有限。

因此，超声波检测技术是一个有着无限前景的技术，利用超声波来检测距离的话是比较迅速、方便、因为现阶段科学对声波的知识掌握得较为全面，所以关于超声波的计算比较简单且易于做到实时控制。

为了研究和利用超声波，利用其性质开发超声波的功能，人们已经研究并制造出各类超声波测距系统，未来还将不停地开发和研制更精确的超声波测距仪。

还更多基于超声波的测距仪用于生活中的测量和工程中的测量。

毋庸置疑，无线，无接触的超声波测距将与自动化和智能化接轨，与其他的测距仪如红外线测距仪等集成和融合，形成高性能综合测距。

随着测距仪的技术的蓬勃发展和飞速进步，测距仪将不仅具有单纯的判断功能，还会出现智能化的学习能力。

1.3国内外相关动态

国外学者在提高超声波测距的研究方面做了大量的努力，尤其是在测量距离的延伸和测量精度的提高上不懈努力着，基于超声波的测距方法比较成熟的一共有3种：

第一种是相位检测法，它有着非常明显的优点，就是它的检测精度非常的高，但是也有些缺点，就是测量的距离不是太长。

第二种方法是声波幅值检测法，这种方法可能比较容易受到其他东西的干扰，而且这种方法受反射波的影响比较的大。

第三种为时差法，这种方式的比较直观，比较容易理解，一般常用这种方法。

国内外的很多学者在利用超声波检测方面继续前行，而以上的几种方法是国内外专家和学者在数十年共同努力下所得到的非常成熟的测量方式。

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的防护功能方面有了广泛的应用。

由于其设计原理比较简单，容易实现，而且制造成本比较低，耗能低的这一系列特点，所以也常常用于机器人的研发制造上。

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。

1.4单片机发展史简略

随着当今电子科学技术的飞速发展，在电子信息类的专业来说单片机的地位很高。

在其他类的专业工程中同样是不可缺少的。

单片机的发展历史大概可以分为3个重要阶段，第一个阶段为单片机初级阶段（1976-1978年）。

因当时工艺和科学技术的限制，采用的是双片形式，而且所能实现的功能非常简单。

第二个阶段为低性能单片机阶段，这个阶段的单片机没有串行口，中断也很简单，代表为Intel公司的MCS48系列，内部有8位cpu，并行I/O口和8位定时计数器，RAM,ROM。

第三个阶段是高性能单片机阶段，这个阶段的单片机以优异的性能和低廉的成本不断地被用于当今社会的每个角落。

各类性能，系列，型号的单片机一代接一代地出现，不断地用高性能满足着各类场合的需求。

单片机技术的开放性，生产厂商的激烈竞争和市场的需求成为了单片机技术飞速发展的强大动力。

因此单片机应用开发成为当今电子技术人员急需掌握的重要技术。

如今，单片机早已深入到我们生活的各个领域，日常的生活到工业的生产，几乎每个领域都有单片机的踪影，从日常的各类家电，或者是导弹的制导系统，又或者是工厂的机床、流水线，都无法离开单片机。

1.5本章小结

本章节主要叙述了超声波测距的发展历程和现状，特别介绍了超声波测距仪的优点和目前国内产品的不足，和国内外专家学者在超声波检测方面的成就。

概述了本次设计任务与论文内容安排。

2.总体设计方案及论证

2.1总体方案设计

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。

最后由单片机来控制让蜂鸣报警器报警。

系统总体的设计方框图如下图所示：

图2-1系统总体设计方框图

2.2超声波的特性

声音是一种机械波，当声波频率超过人类听觉所能接收的极限频率时（20000赫兹），人们就无法觉察到声音的存在，这种超过人类听觉范围的高频声波被称为超声波。

图2-2人的听觉范围

超声波的特性：

（1）束射性

超声波的波长比正的声波短，在几何光学方面的绝大部分定理都可以适用于超声波，也就是说，超声波在物体的表面所产生的反射就和光一样，入射角等于反射角，当然，光线所具有的其他性质，例如聚焦或者是折射等同样的适用于超声波。

当超声波射线经过两种密度不一样的物质的交界处时也同样会产生类似折射的现象。

也就是说会改变超声波射线的传播方向，物质A和物质B之间的密度差距越大，则超声波折射的现象就会越明显。

（2）超声波的能量传递性

超声波具有比其他普通声波强大的多的功率，由于其功率比一般声波大很多，由于功率比其它的声波大，所以它经常被用于各种工业用途，超声波在进入了某一种物质以后，会使这种物质内部的分子产生很大的振动，分子振动频率等于超声波频率，分子振动频率越高速度越大。

若超声波频率越高则分子能获得的能量也就越多。

所以说超声波可提供给物质分子较大的能量。

（3）超声波的声压性

超声波在进入到某种物体之后,超声波使得分子振动，然后分子之间就会有一种压缩的作用，物体受到的压力就会因为超声波而改变。

这种现象就叫做声压。

2.3超声波测距原理

本测距系统采用的是时差法。

超声波时差法的原理为：

检测从超声波传感器发射出的超声波经气体介质传播，遇到障碍物后反射回接收传感器的时间t，这个时间t就是渡越时间，然后通过来回时间求出距离l。

设l为测量距离，超声波的传播速度为c，则有l=ct/2。

超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

而后由单片机计算出距离，让数码显示管显示出测量结果。

关于超声波测距算法的设计:

设t1和t2分别就是超声波的发射时间和接收的时间，经过科学研究测定的数据可以得到在温度是15度时340米每秒就超声波在空气中传播速度。

t2-t1就是发送和就收之间的时间差，假定t2-t1=0.01S，则有340m×0.01S=3.4m。

由于在这0.01s的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下，如图为测距原理。

图2-3测距原理

θ/2的角度非常小，大约是7-7.5度，这样大小的角度几乎对超声波测距没有太大的影响，可得L≈S。

则可得到h也趋近与0。

超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：

（2-1）

由于超声波是声波的其中一种，其声速c与空气和温度有关，根据科学测量得出了温度每上升1度，声速增加0.6米／秒。

表2-1声速与温度的关系表

温度（摄氏度）

－30

－20

－10

0

10

20

30

100

声速（米／秒）

313

319

325

323

338

344

349

386

在10度和30度之间，声速为338-349米/秒，相差为11米/秒。

设时间差为0.025s（HC-RS04超声波测距模块所能达到的极限距离所需时间与返回时间的总和），若使用L=C×（t2-t1）/2公式进行计算，则可得到此温度范围内得到的最大数值和最小数值之差为0.1375米，只要周边环境的温差不是非常大，那就可以认为声速是一个定值。

计算时取c=340m/s。

2.4超声波测距原理框图

超声波测距传感器模块用的是HC-SR04，这个超声波传感器模块提供2-400厘米非接触距离感应的功能，测距精度最高可以达到3毫米左右，整个传感器模块包括了发射器，接收器，控制器。

微处理器使用STC89C52单片机，显示部分采用数码管。

HC-SR04发射电路模块发收到信号以后发出超声波，超声波在遇到阻碍后产生回波，接收电路模块接收到返回的超声波后，STC89C52单片机统计出声波来回传输所用总时间，计算两物体之间的距离然后再用数码管显示。

图2-4测距原理框图

2.5超声波测距仪需求分析

基于单片机的超声波测距仪有机地结合了软件控制和硬件设计技术。

本超声波测距仪要求实现的功能有：

参数设置：

影响超声波的因素有很多，这关系最终测量数据的精确性。

显示界面：

一个简单清楚的显示界面可以给使用者最直观的测试结果，引导使用者快速了解目前的测试距离。

在使用者进行参数设置时能够显示出所设值，使用者进行实际测量的时候可以实时显示测量所得到的数据。

键盘输入：

键盘不仅可以完成初始数据设置的任务还可以更改报警距离，使设计的实用性大大提升。

报警装置：

报警装置可提醒使用者当前距离是否为目标距离或危险距离，使用者可根据自己的需求自由调节报警距离。

供电设计：

所设计系统的供电部分可以兼容市电，并且做到设备以较低的能耗完成所有功能。

2.6本章小结

本章首先介绍了整体方案设计要求，说明了系统的设计原理，设计了系统的设计框图，接着分析了使用者对系统的实际需求，最后提出了最终方案及完成最终方案所使用的芯片选择。

3硬件实现及单元电路设计

3.1主控制模块

主控制模块作为整个超声波测距系统中最为重要的核心部分，此次设计选择了由宏晶科技生产的STC89C52单片机。

此型号的单片机不仅拥有超强的抗干扰能力，还具备了高运算速度、低功耗等特点，确保了设计本身的整体性能和各个模块的兼容性、实用性。

并且可以提供多个时钟周期。

最小应用系统，或者称为单片机最小系统,指的是用最少的电路元件组成一个可以正常工作的单片机控制系统。

对于52单片机而言，它的最小系统包括了单片机，复位电路，晶振电路。

复位电路：

单片机的复位电路如同计算机的重启功能，当计算机在使用过程中出现死机等非正常运作情况时，重启按键可帮助计算机重新执行程序。

单片机系统在运行中出现故障或是受到干扰时，复位按钮可以帮助单片机重新运行程序。

89C52单片机如果需要执行复位重启功能，需要将持续2us的高电平接入第9个引脚即可。

电容和电阻的大小分别是10uF和10K。

可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（5V*0.7=3.5V），此过程需要10K*10UF=0.1S的时间。

根据上述过程可知极性电容的容值越大，需要的复位时间就越短。

晶振电路：

全称为晶体振荡器，可以等效为一个电容和一个电阻的并联后再串联上一个电容。

以频率的高低分把网络分为两个谐振点，其中串联谐振频率较低，并联谐振的频率较高。

这两个频率距离很近。

由于频率范围很窄，晶振基本上可等效为一个电感。

当一个数值合适的电容并联于晶振的两端时，就可以使其成为一个并联谐振电路，当它加入到一个负反馈电路中便可构成一个正弦波振荡电路。

频率范围很窄的特点也使得当其它元件的参数变化很大也不会影响到振荡器的频率。

起振电容：

起振电容C2，C3采用16-32pF，并且电容，晶振，单片机离得越近越好。

P0口为开漏输出，P0作为输出口时需要上拉电阻，上拉电阻的阻值大约为10k左右。

定时器模式：

加一计数器是对机器内部机器周期进行计数（1个机器周期为12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。

计数值乘机器周期就可得到定时时间t。

计数器模式：

T0或T1引脚能把外部事件的计数脉冲输入到计数器中。

采样T0、T1引脚电平的时间是在每个机器周期的S5P2期间。

当某周期采集到一个高电平，而下一个周期又采集到一个低电平时，计数器就会加1，在下一个机器周期的S3P1期间更新的计数值被装入计数器。

因为检测一个从高电平到低电平的下降沿需要2个机器周期，所以这里要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。

当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/12MHz，也就是说计数脉冲的周期需要大于2ms。

图3-1最小系统

完整的超声波测距仪须要实现的功能为利用超声波传感器测量障碍物到仪器间的距离，显示当前距离，目标距离或危险距离报警以及目标距离或危险距离的设定。

从上述的分析中可知在本系统的设计中还须要用到如下器件：

STC89C52单片机、超声波传感器、按键、数码显示管、蜂鸣器等单片机外围应用电路。

电路中用到4个按键，报警距离加减按键两个，设定键一个，重置键一个。

图3-2总设计电路

3.2电源设计

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。

3.3超声波测试模块

3.3.1HC-SR04超声波模块

超声波测试模块作为超声波测距仪的最为重要部分之一，超声波模块的选择决定了整机性能的好坏。

本设计选择使用HC-SR04作为本次超声波测距仪的超声波模块，该模块可提供2cm-500cm的范围内不需要接触也能进行测距，而且测距的精度还可以达到最高高3mm。

盲区很短仅仅为2cm左右，多用于机器人壁障，液位的检测，流量的检测，停车场安全检测和距离检测。

模块包括超声波发射器，超声波接收器和控制电路。

其基本工作原理如下：

采用IO口TRIG触发测距仪发出超声波进行测距，需要10us以上的高电平信号;模块将发送8个40khz的方波来检测是否有返回的超声波信号；如果有返回的信号，通过IO口ECHO输出高电平，超声波从发出到返回的时间等于高电平的持续时间。

测试距离等于高电平时间与声速的乘积再除以2。

VCC用5V电压，GND接地。

图3-3超声波模块实物图

3.3.2超声波传感器原理

开放型传感器是市面上最为常见的超声波传感器，也是使用频率最高的超声波传感器，其结构如下图所示。

底座上固定了一个复合式振动器，复合式振动器由谐振器、金属片、双压电晶片元件振动器组成。

其中双压电晶片元件振动器是由压电陶瓷片组成。

为了能有效地发射因振动而形成的超声波，谐振器的形状设计成喇叭形。

这样的结构还有利于使超声波在振动器的中央部位聚集。

当压电陶瓷上有电压作用时，压电陶瓷就会因为电压的变化和频率的变化而产生形变。

此时若振动压电陶瓷，就会产生电荷。

我们可以利用这个原理，若给双压电晶片元件上施加电信号，双压电晶片元件就会因振动形变而产生并发射超声波。

相反，当把超声振动施加到双压电晶片元件上时，双压电晶片元件就会因振动而产生电信号。

以上便是超声波传感器的工作原理。

图3-4超声波内部结构

1.波长

频率与波长的乘积为波的传播速度。

声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s（20℃时），相比电磁波的传播速度3×108m/s可以说是很慢的，在这种传播速度比较低且波长很短的情况下，就可以获得较高的距离和方向分辨率。

这种较高的分辨率特性使我们有在进行距离、流量等的测量时可获得较高精度。

2.反射

超声波在物体上能够反射，我们才能基于反射