超声波测距毕业论文

基于单片机的超声波测距系统设计摘要:本设计是以单片机技术为基础，实现对前方物体距离的测量。根据超声波指向性强,能量消耗慢,在介质中传播距离远的特点,利用超生波传感器对前方物体进行感应，经过单片机中的程序对超声波传感器发射和接收的超声波信号进行分析和计算处理，最后将处理结果在LCD1602上显示。STC89C52单片机的超声波测距系统,此系统根据超声波在空气中传播反射原理,把超声波传感器作为接口部件,利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离,设计了一套超声波检测系统。该系统设计主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个基本模块构成，用接收部分接收超声波。本设计利用两个中断，在发射信号时，打开定时器中断0和外部中断0使定时器计时，接收到发射超声波信号时，外部中断0关闭中断，这时定时器中断0计录的时间就为超声波传播经过测距仪到前方物体的来回时间。利用公式S=T×V／2（V为超生波传播速度，本设计设定值340m/s）,经过单片机处理得到距离值S并且通过LCD1602显示出来。关键词：单片机STC89C52，HC-SR04超声波传感器，LCD1602目录第一章绪论超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减。它也有自已的特性，如它的频率可以非常高，达到兆赫级，因此，它在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内，具有良好的成束性，也就是方向性好。1.有关于超声波的简单介绍1.1课题研究背景超声波[1]是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。1.2课题研究意义由于超声测距是一种非接触[2]检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境有一定的适应能力。具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高料位测量、车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。1.3国内外相关研究情况国内的超声波测[3]量主要集中在对0~10m固体和液体的测量，一般测量精度高，回波稳定[4]。近年来随着超声波技术研究的不断深入已广泛应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内的一些学者也作了大量相关的研究。南昌航空工业学院的江泽涛[5]在《温度对液体中超声波速度的影响》一文中，洋细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度同液体压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系，进而研究了温度对声速及声时的影响，用实验测量了不同的液体成分下的声时同温度的关系。FigneroaJ．F．，LamancusaJ．S．[6]在《Amethodforaccuratedetectionoftimeofarrival：AnalysiSanddesignofultrasonicrangingsystem}一文中，提出一种新的计时方法，该方法的原理是回波时延由峰值时延和相位时延相加而得，分别用不同的检测方法得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波的传播时间。2.课题设计的任务和要求主要内容根据所学知识，设计一个基于单片机的超声波测距系统。（1）硬件设计：选择单片机型号和超声波模块，设计主要的电路模块，主要包括：单片机最小系统、键盘接口模块、超声波接口电路模块和显示模块；（2）软件设计：使用KeilC51设计系统软件，并完成联机调试，软件设计的主要模块有：系统初始化、键盘扫描、超声波测距和测量结果显示。（3）需要实现的技术指标：探测距离：2cm-450cm精度：可达10mm第二章超声波测距原理1.研究方案及选择1.1方案一：基于ARM[7]的超声波测距系统设计以S3C2410为核心，通过对其进行软件编程，实现该芯片对其外围电路的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去[8]。频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，发射的超声波被调制成40kHz左右，具有一定间隔调制脉冲波信号。测距系统结构如图2.1所示。系统由测距系统、控制和显示部分组成。图2.1基于ARM的超声波测距系统框图1.2方案二：采用CPLD来控制的超声波测距仪采用CPLD来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）编写程序使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高频率可达175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。充分利用了其多达128个宏单元、68pin可编程I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测距结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPROM，那么设计的成本较高。同时在FPGA中还要用硬件描述语言(VHDL语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。发射电路接收电路S3C2410温度补偿LCD显示1.3方案三：采用51单片机控制的超声波测距系统采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由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=vt/2原理框图如2.2所示。t障碍物s超声波发射超声波接收图2.2超声波的测距原理方案一统能够实现自动测距、自动探伤和实时显示功能，集探伤、测距等多种功能于一体，所有运算、处理、显示都实现数字化；并且操作简单。使用方便，所有功能都有按键控制；测量速度快、准确，结果显示直观；仪器依靠电池供电，设有低功耗模式；体积小，携带方便，适用于室内、野外等各种条件下作业。方案三计硬件简单，容易实现，测距范围适中。测量误差可以控制在士1cm左右。系统软件采用合理算法，提高了测量精度，具有较好的应用价值。另外其使用的51系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机，内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写；用静态时钟方式，可以节省电能；支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序；晶振频率高达24M，运行速度更快，价格也比较便宜；增了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。与第二种方案相比，第三种使用的是单片机，编译语言可以用C语言来实现，所以比较简单。2.超声波测距的原理2.1超声波的基本理论超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在104——1012Hz，其中通常的频率大约在104——3106之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用：1超声波的传播速度超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；表面波——质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中，其传播速度CgL=（aB1）21式中——介质的密度；aB——绝对压缩系数。可以推导出超声波在空气种传播速度TCG61.04.331。（T为环境温度）。超声波在固体中的传播速度分两种情况：(1)纵波在固体介质中的传播速度其传播与介质的形状有关。21)(ECq（细棒）212])1([ECq（薄板）2121)34(])21)(1()1([GKECq（无限介质）式中E——杨氏模具；——泊松系数；K——体积弹性模具；G——剪片弹性模。(2)横波声速公式为2121)(])1(2[GECq（无限介质）在固体中，介于0——5之间，因此一般可视为横波声速为纵波的一半。2超声波的物理性质当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射；另一部分透射过界面，在相邻的介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图2.1.1所示：(1)超声波的反射和折射当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图2.1.1所示。声波的反射系数和透射系数可以分别由如下两式求得：图2.1.1声波反射11211222coscoscoscosccccR11221122coscos2ccccT式中：,——分别为声波的入射角和反射角；2211,cc——分别为两介质的特征阻抗，其中21,cc为反射波和折射波的速度