1、基于单片机的超声波测距仪的设计与实现中 文 摘 要本设计基于单片机 AT89C52，利用超声波传感器 HC-SR04、LCD 显示屏及蜂鸣器等元件共同实现了带温度补偿功能可报警的超声波测距仪。我们以 AT89C52作为主控芯片，通过计算超声波往返时间从而测量与前方障碍物的距离，并在 LCD显示。单片机控制超声波的发射。然后单片机进行处理运算，把测量距离与设定的报警距离值进行比较判断，当测量距离小于设定值时，AT89C52 发出指令控制蜂鸣器报警，并且 AT89C52控制各部件刷新各测量值。在不同温度下，超声波的传播速度是有差别的，所以我们通过DS18B20测温单元进行温度补偿，减小因温度变化引
2、起的测量误差，提高测量精度。超声波测距仪可以实现 4m以内的精确测距，经验证误差小于 3mm。关键词：超声波；测距仪；AT89C52；DS18B20；报警Design and Realization of ultrasonic range finder basedABSTRACT The design objective is to design and implement microcontroller based ultrasonic range finder. The main use of AT89C52, HC-SR04 ultrasonic sensor alarm system
3、complete ranging production. We AT89C52 as the main chip, by calculating the round-trip time ultrasound to measure the distance to obstacles in front of, and displayed in the LCD. SCM ultrasonic transmitter. Then the microcontroller for processing operation to measure the distance and set alarm valu
4、es are compared to judge distance, when measured distance is less than the set value, AT89C52 issue commands to control the buzzer alarm, and control each member refresh AT89C52 measured values. Because at different temperatures, ultrasonic wave propagation velocity is a difference, so we DS18B20 te
5、mperature measurement by the temperature compensation unit, reducing errors due to temperature changes, and improve measurement accuracy. Good design can achieve precise range ultrasonic distance within 4m, proven error is less than 3mm.Keywords:Ultrasonic； Location； AT89C52;DS18B20;Alarm目录第一章 前言 .1
6、1.1 课题背景及意义 .11.1.1 超声波特性 .11.1.2 超声波测距 .21.2 超声波模块基本介绍 .31.2.1 超声波的电器特性 .31.2.2 超声波的工作原理 .513 主要研究内容和关键问题 .6第二章 方案总体设计 .72.1 超声波测距仪功能 .72.2 设计要求 .82.3 系统基本方案 .92.3.1 方案比较 .92.3.2 方案汇总 .11第三章 系统硬件设计 .133.1 单片机最小系统 .133.2 超声波测距模块 .133.3 显示模块 .153.4温度补偿电路 .153.5 蜂鸣报警电路 .16第四章 系统软件设计 .174.1 AT89C52 程序流
7、程图 .174.2 计算距离程序流程图 .194.3 报警电路程序流程图 .194.4 超声波回波接收程序流程图 .20第五章 系统的调试与测试 .215.1 安装 .215.2 系统的调试 .21第六章 总结 .23参考文献 .24致 谢 .25附录 .26附录 1 整机电路原理图 .26附录 2 超声波温度和速度的关系 .27附录 3 部分源程序 .291第一章 前言1.1 课题背景及意义1.1.1超声波特性众所周知，振动产生声波。通常每秒声波振动的次数被称为频率，单位是 Hz。人的听觉范围为 2020,000Hz，即我们无法获取振动频率小于 20Hz和大于 20,000Hz的声波。所以科
8、学家把声波按照人类的听觉范围进行了分类：振动频率大于 20,000Hz的成为超声波，小于 20Hz的称为次声波。超声波是一种超越人类听力极限的声波，频率大于 20KHz，是在弹性介质中的机械振荡。超声波能够在固体、液体和气体中传播，不同的传播介质传播的速度不相同。超声波和其他机械波一样，在传播的过程中也会因折射和反射而衰减。超声波有以下特性：1波长通常我们把波的传播速度用波长乘以频率来表示。电磁波传播的速度非常快，高达3108m/s，但是声波传播的速度很慢，在空气中常温常压下仅为343m/s（20、101KPa） 。在波传播的速度比较低的情况下，波长非常短，更容易辨识，如果用超声波来测距，也就
9、代表着我们能够在距离和方向上获得更高的分辨率。有了更高的分辨率，才可能使我们在测量过程中得到更高的精度。2反射特性通过捕获在目标上反射的超声波，从而检测到物体的存在。因为金属、水泥、玻璃、木材、橡胶与纸能够反射将近100%的超声波，用超声波能够很轻易地找到这些对象。但是像布匹、棉毛等材料，它本身吸收超声波，用超声波来检测它们很困难。同时，要想探测位于凹凸表面和斜坡表面上的物体，由于被测物的不规则使得反射波变得不规则，测量难度会加大。超声波本身的特性决定了空旷的场所是超声波的理想测试环境，并且被测物体一定要能够反射超声波。3温度效应超声波在空气中传播是随环境温度温度变化的，可以用c =331.5
10、+0.607t（m/s）来表示声波的传播速度。 其中“c”为声波传播速度（m/s） ， “t”表示温度（） 。所以，2要想精确地测量障碍物的距离，实时检测环境温度并进行补偿是非常必要的，尤其冬季室内外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用温度补偿模块来减小温度变化所带来的测量误差。考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要是用于实现避障功能，对测量精度要求不高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。超声波在空气中传播时，温度与速度的关系会在附录中，供查阅。4衰减在空气中传播的超声波，会因为在球形表面上发生衍射现象导致能量扩散损失，也会因介质吸收能量造成吸收损失，并且
11、波强衰减量与距离是成正比的。超声波的衰减率还与频率成正比。如图6所示，超声波的频率增高，衰减率就越高，传播的距离也就越短。由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传播的有效距离。1.1.2超声波测距在现实生活中某些特殊场合，有些传统的测距方式存在着难以克服的缺陷，例如电极法测量液位，运用差位分布电极，通过给电或发射脉冲来进行液面检测，由于电极长时间浸泡在液体中，非常容易被腐蚀和电解，进而失去灵敏性。使用超声波测距就能够很好地解决这些问题。当下市面上超声波测距系统存在体积庞大、价格昂贵、精度偏低等种种问题，使其在一些中小规模的测距中难以得到普遍的使用。在这样的背景下，本文设计了一款基于 AT89
12、C52 单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。超声波较之于其他机械波，具有以下特有性质：超声波为定向传播，绕射少，反射能力强；超声波衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度较慢，也可在液体固体中传播；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、衍射等现象。因此，它在军用，农牧业，医学，工业有广泛的应用。并且能够实现洗涤、焊接、粉碎、测速测距等功能。虽然目前的技术水平，人类利用超声波传感器的技术成果还是很有限的，但是随着科学技术的飞速发展，超声波传感器的应用领域将越来越广泛。这是一个蓬勃发展的技术和工业领域，有着无限的发展前景。展望未来，超声
13、波传感器在各方面都是一个新的重要的工具，将有巨大的发展空间。在运动测距中将有更高精度的方向定位，以满足社会日益增长的需求。声纳定位的精度的提高，可以满足未来秘密武器进行打击的需要。无需多言，未来的超声波传感器、自动化智能集成联合其他的传感器，可以实现多传感器的一体化协同作业。伴随传感器技术的进步，传感器将具有简单的学习功能，自动确3定发展方向的功能，并最终具有创造性。1.2 超声波模块基本介绍1.2.1 超声波的电器特性1声压特性声压级 (S.P.L.) 是表示音量的单位，利用下列公式予以表示。S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”为有效声压 (bar)， “Pre”为参考
14、声压 (210-4bar)如图1所示为几种常用超声波传感器的声压图。图1 超声波传感器的声压图2灵敏度特性灵敏度是一个用来表示声音接收级的单位，如下式所列。灵敏度= 20log E/P (dB)，此式中,“E”是产生的电压 (V)， “P”是输入的声压(bar)。超声波收发器的灵敏度直接决定系统的测距范围，如图8所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图，从图中可以发现40KHz时传感器的声压级最高，也就是说40KHz时所对应的灵敏度最高。4图2 超声波传感器灵敏度示意图3辐射特性把超声波传感器安装在台面上。然后，测量角度与声压 (灵敏度) 之间的关系。为了准确地表达辐射，与前部相对比，声压 (灵
15、敏度) 级衰减6dB的角度被称为半衰减角度，用1/2表示。超声波设备的外表面尺寸较小易于获得精确的辐射角度。图3展示的是几种常见的超声波传感器的辐射特性。图 3 超声波传感器的辐射特性分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在 40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度，这为设计中选择合适的超声波传感器指明了方向。51.2.2 超声波的工作原理市面上常见的超声波传感器多为开放型，超声波传感器的内部结构如图4所示，复合式振动器巧妙地固定在底座上。这种复合振动器是由谐振器、金属片和电陶片构成的双压电晶片的元件振动器。谐振器是圆锥形的，目标是可以有效辐射因振动而产生的超声波，而且能够有效地聚合超
16、声波于振动器中心。当电压被施加到压电陶瓷，用于机械形变的电压与频率将会改变。另外，振动会使压电陶瓷产生电荷。运用这个原理，由两片压电陶片或者一片压电陶片和一片金属片组成的振子称作双压电晶片元件，当向其时间电信号时，它将弯曲振动产生超声波。反向操作，即将超声波振动施加到双压电晶片元件，就会产生电信号。图 4 超声波传感器内部结构图图 5 声压在不同距离下的衰减特性613 主要研究内容和关键问题因为超声波检测更加快捷、便利，并且运算简便，更易完成实际控制。所以超声波测距在移动机器人领域得到广泛使用。在实际工业运用中，用超声波测距可以使机器人在移动中自动避开障碍物。也因此要求系统必须能够及时获取障碍
17、物的位置信息（距离和方向） 。因为超声波测距系统的这些特点，其在车辆倒车雷达的制造上也已被广泛使用。本设计主要研究通过单片机控制各模块工作，是通过单片机来控制各模块协同工作，控制超声波发射器发射超声波信号，使超声波接收器捕捉辨识回波信号，利用发射回收波信号的时间差，再利用温度补偿函数从而换算测量距离。生活中运用本设计时，测量距离可能会随时改变，为了及时捕捉改变的距离值，即提高超声波测距仪的灵敏度，通过设定采样周期来实现实时测距。主要有以下问题需要解决：1超声波回波检测超声波信号发送后，会在障碍物表面进行反射和衍射，有些反射波可能会经过多次反射，超声波接收器会接收到多个回波信号，如何在众多回波中正确辨别是一个难点。因为本设计研究的是短距离测距，那么如果在发射波后，一段时间内没有接收到回射波，我们就判定为超距，结束本次作业，返回清零，重新开始测距。2.温度的影响超声波在空气中传播时，它的速度是受外部温度影响的，我仔细的查阅了不同温度下对应超声波速度值，发现温度会严重影响测量精度。所以使用一种方法将外部温度对超声波测距精度的影响降到最低显得十分迫切。3.如何报警当测量距离小于一定范围时，属于危险范围，因为不论是机器人还是汽车，在与障碍物距离很近时，由于惯性原因难以避免与其相撞，所以与障碍物相距一定范围内时，要求系统会自动报警。报警通过什么实现，用什么方式，如何判定，这便成为我研究的
