基于单片机基础的超声波测距

设计（论文）题目：超声波测距仪系别：电子工程学院专业：应用电子技术班级：姓名：学号：指导教师：完成时间：扬州市职业大学毕业设计（论文）第页I目录第一章绪论.....................................................11.1课题研究的背景...........................................11.2课题研究的意义...........................................1第二章超声波测距原理...........................................32.1超声波简介...............................................32.2超声波测距原理...........................................3第三章硬件实现及单元电路设计...................................53.1主控制模块...............................................53.2超声波测试模块...........................................63.2.1显示模块.............................................83.2.2超声波的特性.........................................83.3超声波换能器.............................................9第四章超声波收发电路与调试....................................114.1超声波发射电路..........................................114.2超声波接收电路..........................................124.3系统的调试..............................................144.4硬件调试................................................15第五章软件设计................................................175.1主程序工作流程..........................................17第六章总结....................................................21致谢..............................................................22参考文献..........................................................24附录.............................................................25附件1：原理图.................................................25附件2：程序...................................................26附件3：元件清单...............................................35附录4：实物图.................................................36扬州市职业大学毕业设计（论文）超声波测距仪摘要：本文中的设计采用以STC89C52RC单片机为控制核心并且有着以精度比较高、成本低廉、体积小相对微型化的超声波测距仪。有着环保的硬件电路以软件设计。由主程序：控制和管理所有程序的运行、中断程序：关闭计时器T0、发射子程序：发出一个超生脉冲、接收子程序：接收有物体反射回来的脉冲、和显示子程序以及其他的简单电路等模块组成。最后探头将会以得到的信号通过单片机的分析和处理功能，就能实现我们本次设计的最初理念以及各种功能。在我们这个最基本的设计的总体方案，通过硬件与软件合作来完成操作。关键词：STC89C52RC，超声波，测距扬州市职业大学毕业设计（论文）第页共36页1第一章绪论1.1课题研究的背景随着我们现在的生活所有人的生活水平提高，以及现在的城市发展建设飞快的速度，所有人的生活状况不断改善。可是，由于历史以及其他的原因综合成了许多不可预因素，基本上所有城市中的地下给排水系统，还有一些城市发展落后所导致残留下来的问题解决起来相当的费劲。此刻我们经常可以看到城市建设好后还要再继续挖开以前的排水系统。在这个时候城市里面的污水没有啥招能赶紧的排除，给城里的人们整了好多的麻烦事。此时呢有一种机器人能疏通排水管，这种方法叫做箱涵的排污疏通方法，使得人们生活舒适状态显得非常重要。此种机器人能够疏通排水管道那就必须有它自己自动控制系统，使得机器人能过则管道中自由的行走不会被垃圾啥的挡住去路。这中机器人排污的核心核心部分就是控制系统，而控制系统的核心就是这个超声波测距仪的研制。就目前的科学发展的状态与其他技术来说，超声波与其周边传感器应用的变得及其广泛。可是对于我们现在的水平来讲，能利用到具体的生活中还比较有限，所以，此时此刻此项技术也就会是一个飞速发展与相当美好的前景。让我们继续的向长远的来看超声波传感器肯定是一项非常重要且还是一个新型的产品，将会在我们日常生活中必然存在。所以此项技术必定会定位在高精度、低污染更加的环保，来满足人们生活以及社会需求。可以说在未来的某一天此项技术肯定会往智能化和自动化的方向靠拢并且接轨。那是肯定会和其他的微型传感器合体传感器，以更多的形式存在着。随着时间和社会需要的推动此类传感器会有跟好的技术和进步，像我们现在看到那些笨笨的传感器以后肯定会简单的判断能力和智能处理范围内的工作事情，并且还会有简单的学习共能。1.2课题研究的意义在我们平时的生活中，能看到好多在需要测量时所遇到的尴尬事情，当我们测量距离时候尺子的长度不够了这多尴尬哈，所以现在的测量工具或多或少有些扬州市职业大学毕业设计（论文）第页共36页2令我们满意。例如：距离测量中液面测量就是一个比较尴尬的存在，现在的方法是电极法，此方法经过脉冲或者通过给电检测液面，此时电极浸泡在水中或其他的液体中容易失去灵敏性，原因是电极非常容易被腐蚀和发生电解从而失去灵性还浪费资源。但是利用了超声波测距仪来测量，就能完全解决这个问题了。目前市面上我们经常能看到的测距仪器或者系统都老贵了买了比较肉疼，而且体型那是非常不满意了而且呢精度也不咋地，这样会使得在中小规模的应用领域中很难得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文的设计是本着具有高精度，而且低成本易于开发，并且要有微型化的趋势的测距仪，所以选择以STC89C52RC单片机为核心。扬州市职业大学毕业设计（论文）第页共36页3第二章超声波测距原理2.1超声波简介物体震动时都会发出声音，而我们知道物体每一秒钟震动的次数我们就把那个叫做声音的频率单位就是赫兹（Hz）。我们平时生活中能听到声音的频率是在20-20000Hz，所不在这个频率中的波段我们就听不到。大于20000Hz我们称之为“超声波”，反之为“次声波”。通常医院用作诊断的超声波的频率在1-5兆Hz。由于超声波的方向比其他的声波好，且穿透效果强，在水中的传播距离比较远，并且此声能易于获得和集中。于是可以用于测量距离、清洗牙齿、焊接等功能。而且还在很多的领域上有明显的作用，医学上B超、军事上雷达、工业焊接等等等2.2超声波测距原理本原理是利用反射原理测距，被测的物体必一定得有反射的能力。在平时测量的时候，将这个本仪器对准那个测量的目标，并且在发射超声波时候就开始计时，当超声波接触碰到有东西挡住的时候就会有反射，而反射回来的超声波被测距仪接收后，此时计时就结束了，然后就根据这个超声波在空气中的传播速度与这个计时所用的时间，就能算出来与被测物体之间距离。测量距离D为ctD21式中c——超声波的传播速度；t21——此时所用的时间为距离的两倍。计时精度以及传播速度决定了距离测量的精度。单片机定时器这个就决定了计时的精度，计数的次数和那个机器周期相乘就是定时的时间，则以6MHz的晶振，和能精确到为1µs时间的机器周期，才不会产生错误此错误就是累积误差，扬州市职业大学毕业设计（论文）第页共36页4使得定时时间能达到2µs。超声波的速度c是不会改变的能影响到速度的因素有温度、空气的密度以及气体分子成分，关系式为KTcMRTc27310（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。超声波在空气中的传播速度，取决于温度，和温度之间的关系示意图咱们是可以通过计算得出来，如表2-1所示。这个空气中温度越高，它的扩散速就会越度快，传播速度在不同温度下，有很多地差别呢，当速度为0°C的3332m/s。350米/秒的速度时候温度在30℃，在30度C和S，M和S是不同的，需要一个高精度温度补偿最有效，测量精度不高，在空气中，速度是每秒340米。表2-1超声波播速度与温度关系表项目数值温度-30-20-100102030405060100声速/(m•s)313319325332338344350356361367388扬州市职业大学毕业设计（论文）第页共36页5第三章硬件实现及单元电路设计3.1主控制模块主控制最小系统电路如图3-1所示。图3-1最小系统硬件电路总设计见图3-2，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件：STC89C52RC、一件超声波传感器、若干按键、一个四位数码管、一个蜂鸣器等一些单片机外围应用电路比如导线之类的。其中D1就是电源工的灯。电路中用扬州市职业大学毕业设计（论文）第页共36页6到3个小按键，一个就是是设定键,其中一个“加键”，一个“减键”。图3-2总设计电路图3.2超声波测试模块我们使用的超声波模块是HC-SRO4为核心，此种模块的测试距离是2cm-400cm，该精度是3mm。并且这里头有三个部件超声波发射其、超声波接收器、控制电路。工作原理：至少要有10us高点平信号是用IO口出发测距；这个时候模块就会发出8个40KHZ的方波信号，侧模块还能自动的检测方波信号是扬州市职业大学毕业设计（论文）第页共36页7否返回；此时的返回信号就会通过高电平对回波输出口IO。超声波发射返回高电平的持续时间是从输出口得来的。测出的距离为高电平时间乘以声音的速度两者乘积的一般在如图3-3种。对于5V电源，TRIG是触发控制信号触发时，此时的回波信号的输出为ECHO超声波探测模块HC-SR04的使用方法：当Trig这个口收到不少于10us的高电平，测量就开始启动；此模块就会很自觉的法出了8个40Khz的方型波，这个时候呢我们就会查看自动检测有没有信号返回；要是有信号返回，那就会通过IO口Echo整出来一个高电平，而那个高电平一直持续的时间就是之前说的超声波从发射到返回的时间，我们的测试远近就跟这个是一样的（高电平时间*340）/2，单位为m（米）。程序测试功能的时候最主要的就是这俩函数整完的。现实中能用定时器0来定时测量，此时TCNT0和预测值0XCE，有8分频，所以呢当这个timer0溢出来那个时候就会有2500多此的是为125ms计算公式为（单位：ms）：T=（定时器0溢出次数*（0XFF-0XCE））/1000其中定时器0初值为：0XCE。图3-3超声波模块实物