1、山西大学工程学院I基于单片机的超声波测距仪的设计摘要本设计介绍了基于单片机设计的超声波测距仪的原理：由STC89C51控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到测量距离。并且在数据处理中设置了距离的高低限，用四位LED数码管显示距离，同时当超过限值时用蜂鸣器实现报警。此超声波测距系统是基于51单片机，由HC-SR04超声波测距模块，数码管，阻容元件，蜂鸣器等组成，系统带有距离报警功能，报警通过蜂鸣器和LED做出反应，并且系统报警距离可通过按键随时更改。超声波测距模块可提供2cm400cm的非接触式感测功能，测距精度可达到3mm，模块包括超声波发射器，接收器以及控
2、制电路。本作品成本低，可抗性相对较高，测得的距离能够清晰稳定的显示在四位数码管上，且小巧轻便，应用起来比较方便。关键词：STC89C51 ；超声波；测距山西大学工程学院IIUltrasonic rangefinder design based on single chip microcomputerAbstractThis design describes the chip design based on the principle of ultrasonic range finder:when STC89C51 controlled the timer that generates an u
3、ltrasonic pulse and timing ,calculated the round-trip time from the ultrasonic transmitter to the receiver , resulting in the measured distance. In the data processing and set high and low limit of distance, with four LED digital display distance, but when the limit is exceeded an alarm buzzer. This
4、 ultrasonic ranging system is based on 51 single, the HC-SR04 ultrasonic ranging module, LED, resistive and capacitive components, buzzer, etc., with distance alarm system, alarm buzzer and respond by LED, and the system can be changed at any time from the alarm by pressing a button. Ultrasonic Rang
5、ing Module provides 2cm-400cm non-contact sensing capabilities, ranging accuracy can reach 3mm, module comprises an ultrasonic transmitter, a receiver and a control circuit. The work of low cost, relatively high resistance, the measured distance can be displayed on a clear and stable four digital tu
6、be, and the compact and light weight, the application more convenient. Keywords: AT89C51; ultrasound; ranging山西大学工程学院III目录第一章 引言 .11.1 课题研究的背景 .11.2 课题的提出及研究意义 .11.2.1 课题的提出 .11.2.2 课题的研究意义 .2第二章 超声波的介绍及超声波测距的原理 .32.1 超声波的简介 .32.1.1 什么是超声波 .32.1.2 超声波的特性及特点 .32.1.3 超声波的应用 .42.2 超声波测距的原理 .42.2.1 超声波发
7、生器 .42.2.2 压电式超声波发生器的原理 .52.2.3 超声波测距的原理 .5第三章 方案设计及元件选型 .63.1 设计方案 .63.1.1 设计思路 .63.1.2 系统最终方案 .63.2 STC89C51 单片机的介绍 .63.2.1 STC89C51 单片机的功能 .73.2.2 STC89C51 单片机的主要特性 .7山西大学工程学院IV3.2.3 STC89C51 的管脚说明 .83.3 HC-SR04 超声波发射接收模块 .93.3.1 超声波模块的特点 .93.3.2 基本的工作原理 .93.3.3 引脚介绍 .103.3.4 电气参数 .10第四章 硬件设计 .11
8、4.1 系统结构设计 .114.2 接收显示终端电路 .114.3 超声波发射电路 .124.4 超声波接收电路 .134.5 报警电路 .144.6 电源电路 .15第五章 软件设计 .165.1 软件总体设计 .165.2 主程序设计 .165.2.1 主程序设计思路 .165.2.2 主程序流程图 .175.2.3 主程序及程序说明 .175.3 显示模块程序设计 .185.3.1 程序设计思路 .185.3.2 显示子程序及程序说明 .18山西大学工程学院V5.4 中断模块程序设计 .195.4.1 设计思路 .195.4.2 中断程序及程序说明 .195.5 计算子程序 .205.5
9、.1 程序设计思路 .205.5.2 计算子程序及程序说明 .205.6 上下限调整子程序 .215.6.1 程序设计思路 .215.6.2 程序及程序说明 .21第六章 调试与分析 .246.1 硬件调试 .246.2 软件调试 .246.3 结果分析 .256.4 误差分析 .25总结 .25参考文献 .27附录 .28附录一: 超声波测距原理图 .28附录二: HC-SR04 超声波模块实物图 .28附录三: 测距仪实物图 .29附录四: 程序 .29山西大学工程学院- 1 -第一章 引言1.1 课题研究的背景利用超声波测量已知标准位置与目标物体表面之间距离的方法叫做超声波测距法。超声波
10、是指频率在 20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波精确测量已成可能。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。由于超声波指向性强，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，如超声波测距仪和物位 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， 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超
11、声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，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，超声波测距仪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。如对于城市给排水系统设计中箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统的设计，其控制的核心部分
12、就是超声波测距仪的研制。所以说超声波测距仪的研究有一定的现实意义。1.2 课题的提出及研究意义1.2.1 课题的提出测距的原理和方法有很多，根据其信息载体的不同可归纳为光学方法、无线电方法和超声波方法。前两者在某些地方有局限性，相比之下，超声波方法具有突出的优点，首先，超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体);其次，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;最后，超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。因此超声波作为非接触测量手段，己越来越引起人们的重视。毋庸置疑，未来的超声
13、波传感器将于自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融山西大学工程学院- 2 -合，形成多传感器。有很大的发展前景。1.2.2 课题的研究意义超声波测距是一种极有潜力的方法，近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。超声测量另一个突出优点是: 环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛。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。一些传统的距离测量方式在某些特定的场合的使用存在着不可避免的缺陷，如：液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它
14、液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、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，8051 单片机除 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。山西大学工程学院- 3 -第二章 超声波的介绍及超声波测距的原理2.1 超声波的简介2.1.1 什么是超声波声
15、波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于 20000Hz 以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz） ，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声
16、波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀
17、大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。2.1.2 超声波的特性及特点超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：(1) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 (2) 超声波可传递很强的能量。 (3)
18、超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 (4) 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 (5) 超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 山西大学工程学院- 4 -(6) 超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 (7) 超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如 B 超等用作诊断） ；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构 。2.1.3 超声波的应用超声波在工农业生产中有极其广
19、泛的应用。包括超声波检测、超声波探伤、超声波诊断、超声波治疗等。超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。超声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。应用在医学中的超声波诊断发展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与 X 线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。在农业中，可以用超
20、声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于种子发芽和作物增产。此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人失却系统设计的精确于否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用用作测距传感器，实现定位以及环境建模。超声波测距作为辅助
21、视觉系统与其它视觉系统（如 CCD 图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，包括毫米雷达、CCD 摄像机、GPS、和高档微机等。2.2 超声波测距的原理2.2.1 超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括电压型、磁致伸缩型和电动型等：机械方式有加尔统笛、液哨和气山西
22、大学工程学院- 5 -流旋笛等。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同、目前较为常用的是压电式超声波发生器。2.2.2 压电式超声波发生器的原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换成电信号，这时它就是超声波接收器了。2.2.3 超声波测距的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，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离 D 为：式中 v-超声波在空气中传播的速度t-超声波从发送到接收到所用的时间 vt21
