单片机的超声波测距的设计
*景先生毕设|www.jxszl.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
题背景 1（二）超声波测距技术的现况 1（三）超声波测距仪的发展 1二、方案的设计与论证 2（一）主控系统的论证 2（二）测距方案的论证 2（三）显示方案的论证 3三、硬件电路设计 3（一）总体设计 3（二）单片机系统设计 4（三）超声波系统设计 5（四）显示模块电路设计 5（五）报警电路设计 6（六）语音提示电路设计 7（七）按键电路设计 7四、软件设计 8（一）主程序 8（二）报警子程序 8（三）按键子程序 9五、系统调试 10（一）BOM表 10（二）实物图 11（三）硬件调试 11（四）软件调试 11致 谢 13参考文献 14附录一 源程序 15附录二 PCB图 16附录三 源程序 17引言（一）课题背景超声波测距技术往往具有不可碰触性-这是其与传统的测距技术最大的不同之处。另外超声波仪器本身与其他仪器相比更清洁，更不易受诸如温度、空气的潮湿性、粉尘等因素的影响，因此它具备具有质量好、不易污染、寿命长等特点。是以它可在矿产业、造纸业、化工业、发电厂、治理中得到广泛的应用。它能分别在气体和液体等环境中对被测体精准距离测量，能将饮料和水酒类物体等将其液体位置控制，从而发现出种种液位罐的液位、料位的高度。超声波的检测通常会很迅捷、计算内容很简单，还可以实现限时的控制，且其在精准度方面能到达标准指标的要求。对于目前的智能机器人技术，通常要安装该技术，因为在安装该系统后可利用该系统的性质来获取障碍物的位置信息。因此该类系统在智能机器人方面被大范围的研究。此外汽车的雷达系统也使用了此类测距系统。根据我们现阶段对超声波的研究与制作相关仪器，我们大抵上可将其分为机器类方式产生的和电器类方式类产生的超声波。其中机器型的分为旋笛气流、佳尔滴等。在选取其种类时，所选的依据往往是根据各自的性能。在这里我们且不赘述。（二）超声波测距技术的现况科学技术日新月异，在声学与光学技术方面取得了突破性的进展，面前出现了微波、超声波、激光、雷达等技术测距。后三种尽管性能优越但其因为投入使用的成本过于巨大或者其用途过于单一，或者技术难度过大等等原因。使得目前民用方面大面积的使用。另外该技术也在工业领域大规模使用。这是因为超声波效率高、成本低、使用过程中能量消耗低，另外在几乎无论在何种介质中其传播距离都很远。超声波控制一般会很迅速、处理数据的内容简单，还能在一定程度上进行限时控制，在精准度方面能到达标准要求。所以能得到了广泛的应用。目前智能测据技术飞速发展，该测距技术已日趋完善。与其它方法相比，其更具有环境适应性，是以其在液体位、车辆导航、物体识别方面更具有优势，因此其能在各种介质中尤其是空气中测量而具备更高的可靠性。这是因为光在空气中传播起来速度相对较慢因而在空气中其结构容易被识别出来，所以就相对而言具备更高的分辨性。（三）超声波测距仪的发展 今天的发展现状来看，人们可以掌握的技术水平还相当有限，是以超声波测距行业是个朝阳产业，发展前景十分广阔。因此，未来超声波测距技术在未来各行业领域都有很大的发展空间，它将向着更加高端的方向发展，满足社会的需求。该技术的核心是声呐技术，达到远程探测和识别；研制更适用，更先进的声呐，特别是解决航海问题上；另外在改善声呐的运作环境，降低噪声方面，需要迈出巨大的一步。所以，毫无疑问，超声波配合声呐技术将在未来人工智能方面，产生更大的生产力，创造力。在二十一世纪将发挥更大的作用。二、方案的设计与论证根据课题设计要求，确定如下方案：根据其时间和路程特性，用控制器进行控制以及运算时间和路程数据。这个方案可以满足对测距仪的各项的要求。（一） 主控系统的论证方案一：系统的中心器件通常选用复杂可编程逻辑器件实现运转。因为该部件具备运行速度快、资源多样化、开发时间短等优点。但缺陷为与系统的耦合度太低。虽然复杂可编程逻辑器件对处理数据反应很迅速，但是我们设计超声波的速度不能太快，如果超声波速度太快就会造成控制麻烦，增加控制的复杂性，所以对系统处理信息的反应速度也就不用太快，在这一点上MCU就比它做得好可以满足我们的需求。一旦用该方案，肯定会增加许多难度。方案二：该系统的控制中心是单片机，用来掌管声波的接收与发送。利用计算机向系统模块输入警戒线，当测试距离低于该警戒线时系统会报警。当大于该值时，在系统发出超声波时超声波碰撞到检测物体时，会迅速回去，而超声波测距系统会利用超声波的时间与距离特性，处理相关数据。综上所述：经过两种方案比较和研究，第二个方案比较符合我们对控制器要求，采用STC89C52作控制器。该单片机价格低廉，操作灵敏，所以本设计主控器选用方案二。（二）测距方案的论证方案一：对于第一种测距方法。我们首先对于脉冲法测距原理是利用激光的反射特性，当激光测距仪弹射出的激光经被测物体的反射后又被系统所接收，系统会自动记录出光束往返的时间。根据距离公式可得激光的速度与时间的乘积便为距离，但由于仪器测量的是光束往返的距离，因此最后的距离是速度与所测时间乘积的一半。相位法测距的原理是利用无线信号的频率，与延迟的相位，然后再利用光的波段长换算成相位延迟的时间，最后再利用光伏特性算出距离。方案二：第二种方案的原理是利用声播在介质中为气体传播速度快速的情况下，根据超声波在发出时碰撞到物体时而弹射回来的时间，当然这个时间段可以用系统仪器测量出来。由上述可知该测距原理与上述激光束测距原理类似，不同的是前者是利用光束特性而后者是利用声波特性。这两者比较起来可知实现对声波的控制与发射以及接收相较于激光束而言是容易的多，因此第二种方案所要设计的电路要比第一种要简单的多。故选用方案二。（三）显示方案的论证方案一：采用可以显示多个数据信息，其中包括交通灯的倒计时间和额外的附加信息等，显示功能极其强大的LCD1602液晶显示器作为显示模块电路显示器件。但设计一个方案除了要考虑到方案的器材的性能外还要考虑到方案的经济性。很显然LCD1602器件的成本很高，且其体积很大，故而不予采用。方案二：使用共阴极的数码管方便使用。计算机程序可以决定其状态，这样一来就大大简化了控制电路结构，并缩减了成本。综上所述：经过比较，方案二电路简单，价格低廉，满足设计要求，故采用方案二。三、硬件电路设计（一）总体设计 该系统基于STC89C52单片机为控制核心,组成主要有硬件接口电路与超声波发射/接收电路、报警电路以及电源电路。该系统仪器在工作时，发射电路发出声波，单片机控制电路会测出声波反射的时间。模块连接如图1所示：图1 系统框图（二）单片机系统设计单片机是主要核心，它用来控制各个器件间的合理运作，同时又是数据处理器。单片机最小系统主要一是协调整个机工作的控制器，二是数据的处理器。本设计的核心是单片机。该单片机是最新一代的高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，其采用的基本设计思想是冯诺依曼设计思想架构，由定时器、串口等构成。如图2所示：图2 52单片机核心部分可看做由晶振电路、恢复电路、以及供电电源组成的核心系统。其区别主要是在于频率的高低。前者是频率高的，后者是频率较低的。由这两个串并联谐振构成的谐振电路可可作为一个负反馈电路加入到原电路中去，这样一来便构成了晶振震荡电路。晶振振荡电路实际是在一个反相放大器，是单片机的运行速度的提供者，主要的职能就是起振，就是当一个频率给单片机使其能够正常的工作。通俗的来讲的话就像人的心脏一样，给人体一个脉搏然和各个器官都根据这个脉搏来工作一个原理。如图3所示：图3单片机核心系统图 （三）超声波系统设计超声波频率为40khz时系统运行最好，当系统频率不是该值时，那么测量准确度也会降低，详细细节可参考超声波的频率特性曲线，在这里笔者就不再赘述。由所学知识可知，当系统频率低于该值时，信号最强的，此时误差越小。而当系统频率不是该值时，所测得距离的精准度也就有所降低，这是本次设计的核心思想。能达到该值的方法多不甚数，但选用时要考虑很多外在因素的东西，最后由综合考虑到论文选用的单片机是作为产生频率的发生电路，所以要采用晶振系统，这使其具有很高的稳定性，因此产生的频率的稳定性也就比较高。上文已经指出由于反射回来的信号与许多因素密切相关，因此在适合的环境下运行是十分重要的，因此合理的选择器件，以及收集数据时的细心程度是决定测量成功的很重要的因素，特别重要的一点是一定要设立一个报警值，当测试距离小于预定值时的距离，该系统会自动的报警。如图4所示：图4 超声波中断电路（四）显示模块电路设计该模块由四位一体的共阳极数码管组成，首先是利用数码管的动态扫描原理，对每个端口扫描，通过三极管的导通或截止来控制数码管的点亮。当I/O口处于低电平时，此时基极的电位也处于低电平状态，所以三极管导通，使得数码管被点亮，利用视觉暂留原理，使得看起来是把数码管同时点亮的。如图5所示：图5 数码管电路（五）报警电路设计发光二极管，扬声器以及运算放大器构成报警电路。如图R6的阻值为2.2K，R13的阻值为2.2K。二级运算放大器都是采用了F007芯片，采用负反馈接入法，也就是反相比例运算电路。由模电部分知识可知，而同相输入端接地输入信号从反相输入端接入，如图6所示图6报警电路（六）语音提示电路设计语音提示电路主要是为实时提示测量距离做基础，由喇叭和语音芯片构成。此语音芯片没有外围元件只是内置电阻，有三个 I/O 接口，产品方案具有很高的经济性。如图7所示： 图7语音提示电路（七）按键电路设计按键电路主要是调节交通信号灯的时间和模式选择。通过设置键来启动对系统报警距离的设置，通增加键来调整报警设定值的距离，减少建来减少设定值，如图8所示： 图8 按键电路四、软件设计（一）主程序 主动功能是显示距离，读出距离值，由于系统事先会设立一个报警值，当测量的值超出报警值时蜂鸣器会发出响声，代表报警。控制流程图如图9所示图9主流程图（二）报警子程序 其主要功能是在测量距离超出系统原先设立的报警值时，让蜂鸣器发出报警的声音。 其流程图如图10所示。图10报警子程序流程图（三）按键子程序 其主要功能是调整按键的上下限，退出功能的设置。 其程序流程图如图11所示。图11按键子程序流程图五、系统调试（一）BOM表 元件清单列出来；表1元器件列表表1元器件清单（二）实物图 在焊接前一定要弄清楚元器件之间的布局，内部电子元件之间的布局，在焊接的时候，要在断开电源的情况下进行焊接，要做到不漏掉一个元件，做到不虚焊，不短路以及不断路；然后输入程序，以调试运行。最终实物图如图12所示。图12实物图（三）硬件调试 焊接时对于最小单位系统不必太在意，因为结构相对复杂，而且在电路焊接中电交叉线较多。这些小问题的出现，本是可以避免的，只要是自己在焊接的时候多细心思考都是可以避免的。主要问题有：（1）给系统上电检测当前系统使用的测距的精度。（2）接入程序后，LED数码管就会不显示解决：由于单片机驱动能力有限，我们选用的共阳极数码管。更换上拉电阻，重新焊接。（四）软件调试软件调试是一个复杂的过程。这是综合性的调试，不仅仅要考虑到软件问题，同时也要考虑到硬件连接问题，这是对专业知识和耐心的考验。在调试过程中遇到的很多问题，有测量距离不准确、测量延时、到达报警设定值时不报警等问题。（1）数码管显示内容不正确解决方案：由于硬件电路焊接正确，问题存在于软件程序编写，对I/O口进行逐一排查，发现程序中有一个数码管的I/O定义重复。重新按照程序的端口定义I/O口，数码管就能正常显示。测量不准确解决方案：选择使用的频率、脉冲宽度、及其时间周期。在提高计时精度，减少时间量化误差； 补偿温度对传播声速的影响。结束语本论文单片机采用的是STC89C51。采用精度很高的晶振电路增加频率，提高精准度来减少误差。本文通过电路仿真完全实现了上述功能，通过设计电路、元器件搭建、电路调试和实验，实物基本实现上述功能。通过这次做论文，我了解到做论文一定要细心。许多细节决定了论文的成败，也有可能一个电线的接错就会造成不可估量的失误。此次做完这次论文发现现在有许多高科技进入生活，我们必须合理利用高科技，不断创新。致 谢毕业之前最怕的就是做论文了，一开始老师要开始要题目的时候，自己在百度上随便找了几个。刚开始还没有想清楚到底要做什么，然后在自己问了上届的学姐，最终决定这个超声波测距。接下来就向老师提出我要做的论文题目，刘勇老师第一时间回复我该怎么去做、怎么设计实物、怎样把作用体现出来，在原有的基础上加以创新，这样的论文才可通过。学校第三年在外实习，有工作的事，有学校的事，为了两边不耽误，休息的时间很少，压力很大，正因为有压力才有动力，在写论文的过程中遇到很多问题，周围没有可以帮忙的，没办法只能问老师，刘老师在第一时间给与回复 。之前按学校要求论文初稿交给了刘老师，毕竟是初稿，问题非常多，包括论文当中运用的程序图片、论文格式、参考文献等多有问题。好在老师非常详细的解释了哪些部分不过，要怎么修改才达到要求。对我的帮助非常大。再过几天学校里就要统一论文查重了，希望自己和同学可以一次性通过，不辜负自己的辛苦和老师的帮助。学习了两年的专业，对于我来说，收获还是非常大的，包括这次论文。在这里我想对刘勇老师说句谢谢。 参考文献[1]张志强,高旭生．消防科学技术[J],2012．[2]沈星,于杭斌.传感器的研究[M]，东南大学出版社.2013.[3]陈志强．可编程控制器技术与应用系统设计[M]．北京大学出版社，2015.3.[4]熊猫科技有限公司 内部资料附录：系统原理图.[5]九州.放大电路的实用手册[M].沈阳：辽宁科技出版社，2014.5.[6]吴延海.微型计算机接口技术[M].重庆：重庆大学出版社，2014.[7]楼然苗.51系列单片机设计的实例[M].北京: 北京航空航天大学出版社，2013 .[8]谭浩强.C程序设计编程（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2013.[9]杨姣秀.超声波测距误差分析[D].湖南：湖南工业大学，2013.附录一 源程序附录二 PCB图附录三 源程序
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