基于单片机的超声波测距仪的设计与制作.docx

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基于单片机的超声波测距仪的设计与制作

本科毕业设计

基于单片机的超声波测距仪的设计

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摘要

超声波是频率高于20KHZ的声波具有指向性强，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，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。

基于此，本次设计尝试使用AT89S52与HC-SR04模块来实现超声波的测量，结合外围电路模块实现距离显示及报警构成超声波测距系统。

本次超声波测距系统由单片机计时及控制电路、超声波发射接收模块、测量距离显示电路、报警电路等部分组成。

详细介绍了超声波测距模块及AT89S52单片机的测距原理。

以HC-SR04超声波测距模块为核心实现超声波的发射与接收。

显示电路采用数码管以及三极管显示控制，报警电路由蜂鸣器与三极管组成。

整体电路结构简单，成本低廉，工作稳定，测量精度也达到实际应用要求。

关键词：

AT89C52，超声波，HC-SR04，测距

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:

AT89C51,Ultrasonicwave,HC-SR04,Measuredistance

第1章绪论

1.1课题研究的背景

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。

但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：

研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题。

毋庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。

随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

1.2课题研究的意义

在现实生活中，在某些特殊的场合，传统的测量距离的方法往往会存在一些没办法克服的因素，像是在液面上做距离测量，用传统的方法，电极法首先采用差位的分布电极，再通过给脉冲或电来进行检测液面，由于电极需要长期浸泡于水中或其它液体中的原因，所以极易容易被腐蚀或是电解，从而导致降低灵敏性。

但是如果使用超声波来测量距离的话，刚好可以很有效地解决这一问题。

目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。

为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。

1.3论文结构

论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。

第2章先就超声波测距的原理进行介绍。

第3章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，并得出了系统结构框图。

第4章介绍了设计中需要用到的主要器件，从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。

第5章

第6章

第2章超声波测距原理

2.1超声波简介

我们知道，当物体振动的时候便会产生声音。

科学家们系统的把每秒钟振动的次数称之位声音地频率，单位称为赫兹（HZ）。

人类的耳朵可以听到声波的频率仅在20到20000HZ。

如果声波的振动频率超过了20000HZ还是低于20HZ时候，人们便没办法听不见了。

所以，通常超过20000HZ的声波我们将之称作“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波的主要频率为1～5兆赫。

超声波的优点是具有良好的方向性，它穿透的能力也非常强，可以很容易的获得比较集中的声能，水中的传播距离也比较远等特点。

用途比较广泛主要用于测量距离、测量速度、医学方面，军事方面，工业方面，和农业方面的作用。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，由于在介质的质点振动频率相对于高，因此能量也是相对的大。

如果冬天在北方的时候，如果往水罐中注入超声波的话，罐中的水会由于剧烈震动碎成大量的小雾滴，再把破碎的雾滴用风扇往室内吹的话，便使室内的空气湿度瞬间增加。

这个原理便是超声波加湿器。

对于气管炎疾病或咽喉炎疾病等等，药品很难血流到打患病的部位。

使用加湿器的原理，可以有效的雾化药液，让病人吸入，能够疗效。

人体内的结石可以使用超声波较大能量经过剧烈的受迫振动而破碎。

2.2超声波测距原理

超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。

测量距离时，超声波传感器将对准反射物并且发射超声波，便立即计时，超声波由于在空气的传播过程中碰到障碍物所将会被反射回来，同时传感器的接收端将收到反射回来的脉冲后便会马上计时，便可以依据超声波在传播中的速度和时间计算出两端的相距距离。

测量中的距离D为

（2.1）

式中c——超声波的传播速度；

——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。

由上式可知，主要由计时的精度和传播的速度这两方面来决定距离的测量精度。

计时的精度主要是由单片机的定时器起决定的作用，定时时间是指机器周期和计数次数两个的乘积，可以选用12MHz的晶振，这样可以使机器周期在精确的1µs,便不会使累积误差产生，使得定时间可达到1µs。

对于超声波的传播速度c来说是会改变的，传播速度受到空气的密度、气体的分子成分和温度的影响，关系式为

（2.2）

式中γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。

R——气体普适常数，为8.314kg/mol。

T——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。

M——气体相对分子质量，空气为28.8×10-3kg/mol。

c0——0℃时的声波速度，为331.4m/s。

由上式可见，温度是超声波在空气中传播时影响最大的，由表达式可计算出波速与温度之间的关系，如表2.1所示。

如果温度值越高，传播的速度将越快，并且温度不同的话，传播的速度的差异也很大，像在0℃时的传播速度为332m/s，但是30℃时的传播速度为350m/s，相差18m/s。

因此，需要测量的精度较高的时候，进行温度补偿是最有效的措施。

对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s。

表2.1超声波传播速度与温度关系表

项目

数值

温度

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

100

声速/（m•s）

313

319

325

332

338

344

350

356

361

367

388

第3章方案论证

3.1设计思路

有许多种测量距离的方法，如果是短距离的话可以用尺，远距离可以使用激光测距等，高精度中长距离的测量则可以使用超声波测距。

由于超声波在标准的空气中传播时，速度是为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机是使用12.0M晶振，因此这个系统的测量精度理论上即达到毫米级。

目前比较普遍的测量距离原理：

通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。

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要求。

由于超声波易于定向发射、定向方向性好、强度容易控制、和被测物体不用直接的接触的优点，被当认为是液体高度测量的最佳手段方法。

在目前我国的超声波测距的专用集成电路中都是只有到达厘米级别的测量精度，但是在精密的液体测量中往往都需要毫安级别的测量精度。

通过进行检测超声波测距误差的产生原因，从而提高所测量时间差以到微秒级别，同时用温度传感器处理声波传播速度的补偿过后，我们设计出的高精度超声波测距仪可达到毫米级的测量精度了。

目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本花费较高并且功能较为单一。

但是以单片机为主要核心的测距仪器可完成预置、多个端口进行检测、显示和报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。

以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。

尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。

所以，8051是双CPU的单片机。

位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C51单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。

利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用锁相环LM567对放大后的信号进行频率监视和控制。

一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。

可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；AT89C51还控制显示电路，用动态扫描法实现LCD-1602显示。

3.2系统结构设计

超声波测距仪系统结构如图3.1所示。

它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、温度传感器、键盘、LCD显示电路及语音播报电路组成。

系统主要功能包括：

1）超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；

2）检测空气温度用于距离计算的补偿；

3）LCD显示器显示距离、温度；

4）键盘接收用户命令并处理；

5）当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位。

图3.1超声波测距仪系统结构框图

第4章主要元件介绍

4.1单片机AT89C52

单片机即单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）。

它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：

串行口、并行输出口等）、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：

串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。

相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicrocontrollerUnit）。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，

32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52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、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89C52即能按照正常的方法进行编程，也可在线进行编程。

它是把通用的Flash存储器和微处理器结合在一起的，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

其引脚图如右图所示

1）主电源引脚

VSS——第20脚，电路接地电平。

VCC——第40脚，正常运行和编程校验+5V电源。

2）时钟源

XTAL1——第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。

当直接采用外部信号时，此引脚应接地。

XTAL1——第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。

当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。

3）控制、选通或复用

RST/VPD——第9脚，RESET复位信号输入端口。

当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。

在VCC掉电期间，此引脚（即VPD）可接通备用电源，以保持片内RAM信息不受破坏。

——第30脚，输出允许地址锁存信号。

当单片机进行访问其外部存储器的同时，则ALE信号地负跳变会把P0口上的低8位地址传送到锁存器。

并且在非访问外部存储器的期间，ALE仍以1/6振荡频率是固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。

需要注意的问题是：

每次访问外部存储器的时候会跃过一个ALE脉冲。

为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。

——第29脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。

当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当进行访问外部的数据存储器时，这两次有效的

信号不出现。

：

外部访问允许。

如果使CPU访问其外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），则

端将必须为低电平（接地）。

需注意的是：

要是加密位LBI被编程，进行复位的时候内部将会锁存

端的状态。

当Flash存储器进行编程时，其引脚需加+12V地编程允许的电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

4）多功能I/O端口

P0口——第32~39脚，是8位的漏极开路双向I/O端口。

当作输出口使用的时候，每一位能够吸收电流地方式来驱动8个TTL逻辑门电路，如端口写“1”可当作为高阻抗的输入端用。

在进行访问程序和数据两个存储器时，这组口线将分时的转换地址总线与数据总线的复用，并在访问的期间将激活内部的上拉电阻。

P1口——第1~8脚，具有内部的上拉电路的8位准双向I/O端口。

在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。

P2口——第21~28脚，具有内部的上拉电路的8位准双向I/O端口。

当单

片机访问存储器时，用做高8位地址总线；在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。

P3口——第10~17脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。

它还提供特殊的第二变异功能。

它的每一位均可独立定义为第一功能的I/O口或第二变异功能。

第二变异功能的具体含义如表4-1：

表4-1P3口的第二变异功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

4.2超声波测距模块HY-SR05

HY-SR05超声波测距模块可提供2cm-450cm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。

4.2.1基本工作原理：

（1）采用I0口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;

（2）模块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过I0口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波发射返回的时间。

测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2；

引脚定义：

如图：

4-1所示接线图：

4-1所示

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

OUT开关量输出（当报警模块使用）

4.2.2电气参数

HC-SR04模块参数如下表4-2所示。

表4-2模块参数

电气参数

HC-SR04超声波模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

工作频率

40khz

最远射程

4m

最近射程

2cm

测量角度

15°

输入触发信号

10us的TTL脉冲

输入回响信号

输出TTL电平信号，与射程成比例

规格尺寸

45*20*15cm

4.2.3、超声波时序图

超声波时序图如图4-2所示

图4-2超声波时序图

以上时序图表明只需要提供一个10us以上脉冲信号，该模块内部将发出8个40khz周期电平并检测回波。

一旦检测到有回波信号则输出回响信号。

回响信号的脉冲宽度与测量的距离成正比。

由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离：

距离=高电平时间*声速（340m/s）/2。

为防止发射信号对回响信号的影响，测量周期一般要60ms以上。

4.2.4、超声波应用电路图

超声波应用电路图如图4-3所示

图4-3

4.3温度传感器DS18B20

温度传感器的主要组成是热敏元件。

热敏元件的品种比较多，市场上可见的有铜热电阻、铂热电阻、双金属片、半导体热敏电阻和热电偶等。

其中以半导体热敏电阻作探测元件地温度传感器的应用较为广泛，这主要是因在元件所允许的工作条件范围之内，半导体的热敏电阻器将拥有精度较高、体积小巧、敏度较高的特点，而且制造工艺非常简单、价格也比较便宜。

半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而增加）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而下降）。

本设计采用的是美国Dallas半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。

DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。

DS18B20支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内,精度为±0.5°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

DS18B20采用3脚PR-35封装（图4-4）：

DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下：

1）适用电压为3V～5V；

2）9～12位分辨率可调，对应的可编程温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃；

3）TO-92、SOIC及CSP封装可选；

4）测温范围：

-55℃～125℃；

5）精度：

-10℃～85℃范围内±0.5℃；

6）无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起；

7）每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。

图4-4

4.3.1、温度传感器应用电路图

温度传感器应用电路图如图4-5所示

如图4-5所示

4.4LCD1602液晶

4.4.1LCD1602主要技术参数：

表4-31602液晶主要参数

显示容量:

16X2个字符（STN型）

模块最佳工作电压:

5.0V

工作电压:

4.8～5.2V

字符尺寸:

4.95X7.95（WXH）mm

工作电流:

2.0mA（5.0V）

工作温度:

0～+50℃

背光源颜色:

黄绿

存储温度:

-20～+70℃

背光源电流:

<150mA

4.4.2LCD1602引脚功能

表4-41602液晶引脚说明

引脚

符号

功能说明

引脚

符号

功能说明

1

VCC

一般接地

9

DB2

底4位三态、双向数据总线2位

2

VDD

接电源（+5V）

10

DB3