毕业设计（论文）-基于51单片机超声波测距仪的设计.docx

目录插图清单I表格清单II摘 要IIIAbstractIV第1章 绪论- 1 -1.1设计的重要意义及超声波的简单概括- 1 -1.2相关电路设计的总体介绍- 1 -1.3系统电路在汽车防撞报警上的应用- 1 -第2章 测距系统的超声波原理与方法- 2 -2.1超声波测距的原理- 2 -2.2超声波测距的方法- 2 -2.3超声波传感器- 3 -第3章 超声波测距系统硬件电路的设计- 4 -3.1发射电路的设计- 4 -3.2接收电路的设计- 5 -3.3显示电路的设计- 5 -3.4报警蜂鸣器的设计- 6 -3.5复位电路设计- 7 -3.6晶振电路的设计- 8 -第4章 系统软件程序的设计- 9 -4.1主程序设计- 9 -4.2报警子程序的设计- 10 -4.3显示器子程序的设计- 10 -4.4按键子程序的设计- 10 -第5章 结论- 12 -参考文献- 13 -致谢- 14 -附录- 15 -附录一 系统焊接图- 15 -附录二 系统实物图- 16 -附录三 系统主程序- 17 -铜陵学院毕业论文（设计）插图清单图2- 1 超声波测试框图- 3 -图3- 1 超声波发射电路- 4 -图3- 2 发射与接收电路- 5 -图3- 3 显示电路- 6 -图3- 4 蜂鸣器驱动电路图- 7 -图3- 5 复位电路- 8 -图3- 6 晶振电路- 8 -图4- 1 主程序流程图- 9 -图4- 2 报警子程序流程图- 10 -图4- 3 显示器子程序流程图- 10 -图4- 4 按键子程序流程图- 11 -I表格清单表2- 1 几种不同温度下的波速- 2 -表4- 1 测试结果- 12 -基于51单片机超声波测距仪的设计摘 要 由于我们不通过相关设备，仅仅凭着一双耳朵是无法捕捉到这种神奇的声音，因此这种频率在20KHZ以上的传奇，在历史长河中等待了很久才被我们发现并定义为超声波；从那一刻人们不断的揭开了它神秘的面纱，所以我现在了解它有很强的方向性，经过多次反射和折射的消耗后依然能量满满，传播距离自然也比较远；目前用超声波设计测距仪越来越流行，例如在防撞报警器及倒车雷达上的使用。本论文主要介绍的是围绕51单片机开展电路，利用超声波原理设计相关测距仪。本设计先明确超声波的原理和测距的方法，再运用单片机设计相关硬件和软件电路，其中硬件部分由电源电路、单片机接口电路和超声波发射电路、超声波接收电路与数码管显示电路、报警蜂鸣器电路、复位电路和晶振电路组成；软件部分主要是保障系统的运行，最重要的组成部分为系统主程序、报警和显示器子程序、超声波发射和接受的中断程序等。该系统电路在设计合理的前提下，注重了性能的稳定，最后做到了检测准确快速，在生活中的应用非常广泛，本次设计主要用在汽车测距雷达和防撞报警上面，在减少交通事故发生的方面作用明显；同时，汽车防撞报警技术随着科学技术的发展必定会在未来智能汽车的使用上大展拳脚，例如在自行缩短车辆间的安全行车距离、自主安全超车、无人驾驶的高速行驶等方面上的重要应用。关键词：超声波；单片机；测距；报警装置Design of ultrasonic range finder based on 51 SCMAbstract The frequency of ultrasound exceeds the human auditory range above 20khz, which have the advantages of highly directive, energy consumption is slow ,long distance transmission and follow the propagation tendency of general mechanical wave in the elasticmedium, so that the application of ultrasonic range finder become more and more widely. For example, ultrasonic frequency are applied to anti-collision alarm and reversing radar. This paper mainly introduces the development of the circuit around the 51 singlechip, and designs the relevant range finder with the principle of ultrasonic. This design first clear principle and method of ultrasonic ranging, and then use the SCM related hardware and software circuit design, the hardware part is composed of a power supply circuit, MCU interface circuit and ultrasonic transmitting circuit, receiving circuit and digital display circuit, alarm buzzer circuit, reset circuit and oscillator circuit; the software part is the guarantee the operation of the system, the most important part of the system main program, alarm and display subroutine, ultrasonic transmitting and receiving the interrupt program. The circuit of the system in the premise of reasonable design, pay attention to the performance, finally do the test quickly and accurately, in the life of the application is very extensive, this design is mainly used in automotive radar and anti-collision alarm, in reducing the effect of traffic accidents significantly; at the same time, with the development of science and technology of anti-collision alarm technology will be used in the future intelligent vehicle to flex its muscles in their own car, important applications such as shortening the safe driving distance between vehicles, unmanned autonomous safe overtaking, high speed and so on.Key words: ultrasonic; SCM; ranging; alarm device III第1章 绪论1.1设计的重要意义及超声波的简单概括 通过大学四年电子信息工程专业的学习，我基本掌握了有关超声波的一些物理性质，最开心的是学习了一些有关51单片机的知识。为了考验自己能否可以将学习过的理论知识和实践结合到一起，我选择了设计51单片机电路利用超声波测距作为了本科毕业设计论文。此次设计我设计出来的实物基本达到了测量精准、成本低、性能稳定的要求，但需要改进的地方还有很多。 用超声来测距是不需要测试者接触被检测物，不受天气等其他不利因素的影响，特别适合一线工人不用直接待在潮湿阴暗、粉尘多、高温暴晒、散发腐蚀气体等恶劣环境中就可以开展测距工作，加上它本身能够做到无污染、使用简单方便及后期不用进行什么维护。因此在污水处理厂、矿业、电厂、明渠、空间定位等有一定危险性和会产生污染的行业中应用很广泛。1.2相关电路设计的总体介绍 现在市场上有关超声波测距电路的设计方法有很多种，例如过去大多数人使用传统的模拟数字电路来构建，但是由这种传统模式构成的电路系统在使用时容易出现调试困难、可靠性差等很多的问题，而且它操作起来也不方便，伴随着超声波有关物理性质的不断发现和单片机技术的不断成熟，基于单片机的超声波测距系统逐渐取代了那种传统模式得到了更多的应用。我在本次论文中根据需要达到的目的，依次设计相关的硬件电路、安装超声波系统和编写相关的软件程序，设计好的单片机测试系统通过试验获取到超声波的传播时间再根据超声波速度来计算出距离。根据初步了解这种测量电路可靠性好、小巧玲珑、反应速度快。1.3系统电路在汽车防撞报警上的应用 当今社会汽车行业的发展日新月异，小轿车也进入了千家万户，给我们的交通出行带来了更多便利的同时也带来了日益严重的交通问题，例如现在一些驾龄不长驾驶技术不过硬的驾驶员遇到有点麻烦的倒车问题时往往会不知所措，在视野昏暗或路况不明时一不小心就会给自己和社会他人带来伤害和财产损失，导致争吵与纠纷等问题，严重的还会威胁驾驶员的生命。为了行车安全，人们设计了倒车防撞报警器，驾驶员可以根据报警器的提示对视野不足和视觉死角地方上出现的障碍物做到心中有数，不需要在汽车靠边停车和倒车入库时因东张西望导致手忙脚乱而引发安全问题，提高了倒车安全性。第2章 测距系统的超声波原理与方法2.1超声波测距的原理 超声波测距的原理通俗地来看完全符合雷达测距的原理，研究超声波技术必然会涉及物理学、机械学、电子及材料科学。超声波有着能聚束、指向性强、反折射都迅速等特点；它的表现形式有三种：横波、纵波、表面波，其中纵波和横波的振动方向与传播方向一致，区别是纵波在固体、液体和气体中都能传播，而横波只能在固体中传播，表面波衰减速度太快无法在测试中被使用，因此最好的选择是采用纵波作为测量的载体。2.2超声波测距的方法 查阅资料我发现了超声波测量距离的方法五花八门，比较流行的有声波幅值检测法和往返时间检测法。我在论文设计中使用的是往返时间法，它的测距方式简单高效，最大的优点是设计的电路比较容易实现相关的硬件控制和软件设计。 首先系统传感器发射符合频率要求的超声波，同时相关电路立即计时,然后发射出的声波在测量介质中传播，受到被测物体的阻挡发射回来，反射回来的脉冲信号被接受电路捕捉识别后立即停止计时，此时显示屏就会显示出整个过程的测试时间t/S,这时根据超声波在测试时的速度vms1及公式s=vt2，在不忘记测试的是往返时间的情况下，算出我们需要的测试距离。从上面可以看出这种测试方法十分简单，但由于超声波容易衰减和受温度影响大等因素，我还要设计一些系统来解决问题。表2- 1 几种不同温度下的波速温度（）01020声速（m/s324339344 从中可以看出在温度变换比较大的情况下波速的差距是比较大的，因此当这种设计电路使用在测试过程中温差很大的环境中，确度要求高的情况下需要按照v=3314+0607T（T为测试时的温度）设计相关电路系统用来减少有关波速方面的影响。超声波测试框图如图2-1：障碍物图2- 1 超声波测试框图 首先单片机通过发射电路产生40khz的脉冲信号，经过放大器电路，信号放大加强后被换能器捕捉后输出，然后脉冲信号传播过程中被障碍物阻挡产生反射，最后接收头会接收反射回来的信号，它通过换能器转换作为系统输入，此后有关的锁相环会对它进行识别确认后产生锁定，锁定产生瞬间单片机立即启动中断程序，最后单片机系统会对信号进行判别，经过一系列计算后显示屏就会读出此次测验的时间t。其中接收头本质上就是压电效应换能器负责将接收到的信号转换成微弱的可以接受的电压信号。2.3超声波传感器 超声波传感器的作用是把其他形式的能转化成需要的超声能的一种器件，它有多种结构形式，主要分为直探头、斜探头、收发一体式探头和收发分体式双探头等。目前市场上多使用动声型和流体动力型两种传感器，其还分为宽频带型、耐高温型、通用型等多种产品，超声波传感器结构之所以五花八门，是因为它要适应多种多样的工作。 我在网上购买了压电晶片、圆锥共振板和电极等小器件，设计了传感器电路。 电源接通后产生稳定的电压会加在两电极之间，迫使压电晶片产生压缩形变；关闭电源晶片就会恢复形变，从而产生振动发射脉冲信号，这就是超声波的简单发射过程；当晶片受到超声波的作用时，会发生振动形变产生能，通过电路转化为相对应的电信号，这就是超声波的接收过程。考虑到压电材料的多寡和经济因素及介质等因素，本设计采用双压电陶瓷制作超声波传感器。生稳定的电压会加在两电极之间，迫使压电晶片产生压缩形变；关闭电源晶片就会恢复形变，从而产生振动发射声脉冲，这就是超声波的简单发射过程；当晶片受到超声波的作用时，会发生振动形变产生能，通过电路转化为相对应的电信号，这就是超声波的接收过程。考虑到压电材料的多寡和经济因素及介质等因素，本设计采用双压电陶瓷制作超声波传感器。第3章 超声波测距系统硬件电路的设计 本次论文在硬件电路中设计了超声波发射电路、接收电路、显示电路、报警电路、复位电路和晶振电路；我选用了STC89C51单片机为系统核心部件，设计成带4k字节闪烁能编写程序、随时删减的只读存储的微处理器，具有低电压和高性能的优点；我所购买的元器件比较便宜，焊接过程也很简单，完成的单片机有40引脚，串口连上计算机可以进行在线编程和下载。3.1发射电路的设计 在设计开始之前我通过导师的提醒得知，发射换能器需要发射出40 kHz的脉冲方波信号，才能来带动发射头中压电晶片的起振，如果发射出的频率偏离理想值比较多，无论是没有达到还是超过较多都会导致接收器的灵敏度明显降低，测试出来的距离与实际会相差很多，这种有问题的设备用在汽车倒车测试中是非常危险的。 计算机接通单片机串口，通过编写相关程序，单片机P10端口发射大约有40 kHz的方波脉冲信号，由于必须确保频率要到达40kHz，同时考虑到单片机在一般情况下输出功率都会不够，发射最好由两路组成，一路首先由推挽式电路进行功率放大，然后传输到发射换能器转换成声波再发送，部分发射电路如下图3-1所示；图3- 1 超声波发射电路另一路信号受到换能器的阻尼作用，传播过程中那些不必要的自由振荡会大幅削减。同时为了进一步保证频率的稳定，我选择了稳定性好的系统时钟晶振，这样可以产生达到理想的驱动信号；接着我根据需要得到不同的频率输出，编写相对应的程序，考虑到精确性我还采用了间断多脉冲发射，这样系统在能够自动识别被测距离的远近的前提下自行设置发射脉冲的个数。3.2接收电路的设计接收电路需要整个系统的支持才能接收到较强的反射信号，在整个设计过程中在一开始就需要找到理想的起控点。因为发射出超声波遇到障碍物除了发生反射，还会发生折射再加上环境因素的干扰，接收到超声波一定会减弱，所以在试验时要注意当测试距离增大到一定值时，检查直流电压的变化是否幅度太大。当垂直作用的超声波被换能器接受到后，晶片进行压缩形变再恢复的过程逐渐形成机械振动。此时晶片上出现的等量异种量很少，没有办法提供良好的电流信号，同时测试过程中不可避免地会出现干扰信号，因此在这个模块系统中需要加入一个放大器用来放大很小的还不稳定的电压信号，再设置一个滤波电路来减弱干扰。 本设计主要用于汽车的测距，首先单片机执行程序，P10端发出10us的信号，AT89C51单片机会循环生成8个40KHz方波脉冲，经过放大成为200us，同时当P30端接收到瞬间发出相关响应脉冲；而后读写器编辑程序，程序执行后P10生成符合要求的TTL，经过放大送达发射探头，发出脉冲信号。当输入信号达到25mv时，P30输出端的电平由高变低，中断请求信号立即生成，最后系统处理接收到的超声波。 开启发射电路的时候，必须按下电路板上的定时器T0的开关，此后相关计时电路自动记录超声波从发射到接收的时间，显示器上也会出现时间差，只要记录一次，它的输出端就会相应生成一个负跳变，同时发出中断的请求，单片机接受后，外部中断的服务子程序能够自行中断，系统执行有关的程序计算距离。 图3- 2 发射与接收电路3.3显示电路的设计 显示管是一个输出设备，它负责显示每次试验的结果。我采用了7段4位一体的LED，作为本次设计电路的显示模块，数码管的每一位端口都和dp端口连接，负责接收系统P10口生成的显示段码；位选端的引脚S1，S2，S3，S4，负责接收系统P20口发出的位选码。其中显示管可以显示每次测量到的电压，考虑到单片机接口资源，串行显示的模式适合此次设计的LED输出设备。 单片机电路不是使用静态显示就是使用动态显示，驱动LED的显示器，我综合考虑各个方面的原因选用了动态驱动显示，将接口电路所有数码管的a，b，c，d，e，f，g的端口都和dp端口连接，I/O线不受其他任何电路干扰控制数码管的公共极。当51单片机的I/O端的CUP编程后，字型码由系统拓展的输出口发出，数码管都能接收到，但COM端只作用于相对应的数码管，单片机的I/O接口连接COM端，数码管字形的输出口为PA口，驱动8路反相驱动器，提高显示亮度；数码管的选择控制为PC口，为了驱动能力的提高，一是选择共阳的数码显示器，二是安装了6路反应驱动器。I/O接口接收到输出位的位选码，控制对应的数码管何时点亮，其实在这个过程中数码管是被轮流点亮的，但由于人眼存在视觉暂留，不可能看到那刹那的轮流过程的，所以我们看到显示数码都是稳定完整的。具体原理图如下图3-3：图3- 3 显示电路3.4报警蜂鸣器的设计 在设计报警方案之前，我简单的理解就是做一个喇叭连接在电路中。通过认真了解之后认识到所谓的“喇叭”其实是一种蜂鸣器电路，它的器件含有运算放大器和发光二极管，必须要注意的是这种一体化结构的电子系统需要直流电源供电。 发声元件基本就是压电式和电磁式两种，我在考虑成本和使用效果的情况下使用电磁线圈、磁铁、振荡器、振动膜片及外壳等器件设计成了电磁式蜂鸣器。接通电源电路，振荡器电平发出的音频电流经过电磁线圈，在磁感应的作用下生成磁场力，驱动着振动膜片有节奏地振动。当测试距离超过了设定的最大距离时，蜂鸣器会发出报警提醒。 上一段已经简单介绍电磁线圈在电流的作用下生成磁场力，带动着振动膜片有规律的振动，这就是电磁式蜂鸣器的发声原理。经过其他电路分流后的电流再通过系统IO引脚的作用，此时电流一定较弱，相应的生成的磁场也达不到促使膜片规律振动的要求，蜂鸣器就无法发声报警；我经过考虑，利用在这个系统中添加一个三极管设计电流放大电路，通过放大电流达到提高引脚高电平的作用，使报警系统更加完善合理。它的驱动电路如下图3-4所示： 图3- 4 蜂鸣器驱动电路图3.5复位电路设计 为了整个电路系统能安全稳定的运行，我设计了复位电路；接通电源的瞬间，它会发出复位信号保护电路，当电路的电压达到稳定，它会自动关闭复位信号；如果测试者在移动电源电路的过程中，不小心造成了线路接头的松动，此时复位电路也能起到保护作用。复位电路之所以能够自动的开启和关闭，是因为随着系统电路的电流变化，相关复位引脚检测到出现1个以上的整数高电平变化时，系统就会发出复位信号。其中复位引脚对电容的要求不高，只要不是太小就行，电容太小充电后的电压一定不大，维持不了高电平需要存在一定的时间，导致复位引脚检测不到高电平变化无法复位，影响单片机正常工作，所以我选择了10UF铝电解电容确保万无一失。 结合上一段可知，电流进入电容前它的电压和电阻都为零，随后在电阻的作用下逐渐进行充电，电容器电阻不断增加，在电阻一定时它两端的电压也不断升高，大约会增长到4V上下；这个充电时间很短不会超过0.3秒，同时随着电压的变化相关电位也会由低到高的增长，当复位引脚检测到一个机器周期的高电位变化时，系统就会发出复位信号，保护电路正常工作；当我关闭复位开关键，随着电流的消失电容不断放电，它两端的电压减小到0V，这样循环进行一次次的复位工作。复位电路图如下图3-5： 图3- 5 复位电路3.6晶振电路的设计 我只使用了晶振和瓷片电容两种元器件就完成了晶振电路的设计，它虽然简单但能很好地保护电路安全稳定的运行，加强振荡器有节奏地起振，避免振荡器出现无规则的运行，减少测量误差的效果明显；特别要注意的是两个瓷片电容没有办法区分正负极，它们相连的一端必须要接地。相关电路如下图3-6所示：图3- 6 晶振电路 我设计的电路完成12个时钟周期就完成了一个机器周期，谐振是晶振最理想的工作状态，其中为了避免因温度的变化导致测量结果误差比较大，需要加强晶振的稳定性。第4章 系统软件程序的设计 系统程序包括主程序、报警子程序、显示数据子程序和按键子程序等。4.1主程序设计 主程序的设计是非常必要的，它可以对测试结果进行处理，保证显示电路读出并显示结果，它还对测试的距离进行有效限制，当测量的值超过单片机的工作范围后，蜂鸣器会报警提醒。 主程序流程图如下图4-1所示：图4- 1 主程序流程图 通过流程图可以看出，首先是系统环境的初始化，此时选用定时计数器模式为16位，命令位EA的P0和P1端口接收到中断程序自动清零。然后为了减少信号脉冲从发射电路直达接收电路造成的损失，我增设了调用子程序，它负责接收发射端的超声波信号再转化给接收端，虽然这会产生约0.1毫秒的延误，但相比它对信号的保护和电路的维护来说是微不足道的；当返回的信号脉冲被外部中断电路接收到，在整个电路的作用下，当主程序成功的执行后，根据公式（2），就可以测试出我们需要的距离。S =（V T）/ 2 = 172t0 / 10000cm（2）to是计数器的计算值。 系统电路测出结果后，LED使用十进制BCD码显示结果，时间约0.5s，然后系统不断发射脉冲进行循环测试。我用C语言编写了主程序，详细程序放在了附录。4.2报警子程序的设计 测试仪器无法满足较远距离的测试，所以需要设计相关程序来告知使用者，当需要侧量的距离值超过仪器的工作范围时，系统电路会促使蜂鸣器发声，起到提醒的作用。 报警子程序流程图如下图4-2： 图4- 2 报警子程序流程图4.3显示器子程序的设计 超声波模块测量后将结果交给单片机处理完成后，显示器子程序会将所得到的距离显示在数码管上。 显示器子程序流程图如下图4-3所示： 图4- 3 显示器子程序流程图4.4按键子程序的设计 按键子程序的主要功能是调整有效距离：先按功能键调整上限，再按一次功能键调整下限，第三次按功能键就会退出。 按键子程序流程如下图4-4所示： N Y Y N Y图4- 4 按键子程序流程图 软件设计子程序中比较重要的是中断程序，外部中断子程序部分编程如下：RECEIVE： PUSH PSW ；中断现场保护PUSH ACLR EXO ；关闭外部中断INTOMOV R0，TL0 ；读取时间MOV R1，TH0LCALL MULD ；调用乘法子程序计算机距离LCALL ADJ ；调用十进制调整子程序LCALL DISPSETB EX0 ；打开外部中断INT0POP A POP PSWRETI第5章 结论 我在完成了一系列的电路设计后，通过购买的器材，按照设计要求焊接成了测距仪，接着通过三次分段实验得到了如下表4-1的测试结果：（单位：CM）；测试结果直接由显示屏读出，由于本次设计没有设计电路消除温度对波速的影响，因此出现了误差；同时随着测试距离的增加，超声波不断减弱也会导致误差逐渐增大，这也是本次设计需要完善和改进的地方。表4- 1 测试结果实验一：实际距离10.0020.0030.0040.0050.00测量距离9.9019.8628.8138.7848.74误差0.10.140.190.220.26实验二：实际距离10.0020.0030.0040.0050.00测量距离9.9119.8528.8038.7948.74误差0.090.150.200.210.26实验三：实际距离10.0020.0030.0040.0050.00测量距离9.9019.8528.8138.7948.75误差0.10.150.190.210.25 通过这次毕业设计，我清楚地认识到了自己以前所学的知识是一种宝贵的财富，以后我需要更加认真的学习，最重要的是提高了实践和创新的能力；具体来说就是运用学到的单片机和电路知识，根据超声波的测式原理与方法，具体设计系统的有关硬件电路，编写系统的相关软件程序，实现了超声波测距系统的设计与研究。同时我还将这次的设计成果安装在汽车上，实现它在倒车雷达和防撞报警等方面的作用，在提示司机在行驶过程中保持安全距离等方面效果比较好，但需要进一步创新改进，多使用控制理论和复杂算法，使产品更加人性化，在汽车测距雷达和防撞报警方面的实际应用上更加的具有可操作性和可靠性。目前本设计只能简单地用于汽车倒车距离的测量和在发生危险情况下报警提醒司机，最大的局限是测试的距离不能太远，当距离超出半米时，由于此时测试的距离不能体现出理想情况下的线性关系，误差会比较大，加上容易受到天气和障碍物是否是复杂界面等因素的影响，导致司机无法及时采取减速、刹车等措施；所以系统必须进一步地做出改进，使得单片机超声波测距系统在测距距离上做到更远更加精准以达到无人驾驶智能汽车的要求，例如实现自动刹车的功能。参考文献1 谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计J.北京：清华大学出版社，2006.2 胡汉才单片机原理及系统设计M .北京:清华大学出版社，2012.3 李建忠. 单片机原理及应用M .西安：西安电子科技大学出版社，2002.4 刘文典. 基于51单片机设计的超声波测距仪M. 中国新技术信产品，2010.5 王建校等. C51系列单片机及C51程序设计M成都：巴蜀书社，2002.6 姜道连,宁延一,袁世良.用AT89C2051设计超声波测距仪J. 北京:国外电子元器件,2000.7 李蒙，毛建东.单片机原理及应用M北京:中国轻工业出版社，2010.8 贾伯年. 传感器技术J. 南京: 东南大学出版社,2012.9郑安国.我国高速公路交通事故的基本特点与