基于单片机的超声波测距设计说明

1、 PAGE27 / NUMPAGES30 基于单片机的超声波测距设计目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc30321 设计总说明 PAGEREF _Toc30321 I HYPERLINK l _Toc346 introduction PAGEREF _Toc346 II HYPERLINK l _Toc21404 第1章 绪论 PAGEREF _Toc21404 1 HYPERLINK l _Toc4943 1.1 概述 PAGEREF _Toc4943 1 HYPERLINK l _Toc17021 1.2 国外发展现状 PAGEREF _Toc17021

2、 1 HYPERLINK l _Toc29968 第2章 系统总体方案设计 PAGEREF _Toc29968 1 HYPERLINK l _Toc15406 2.1 设计要求 PAGEREF _Toc15406 1 HYPERLINK l _Toc11459 2.2 方案选择 PAGEREF _Toc11459 2 HYPERLINK l _Toc8682 2.2.1 单片机的选择 PAGEREF _Toc8682 2 HYPERLINK l _Toc25527 第3章 系统硬件设计 PAGEREF _Toc25527 2 HYPERLINK l _Toc6330 3.1 整体方案设计 PA

3、GEREF _Toc6330 2 HYPERLINK l _Toc12256 3.1.1 系统概述 PAGEREF _Toc12256 2 HYPERLINK l _Toc6031 3.1.2 系统框图 PAGEREF _Toc6031 2 HYPERLINK l _Toc25347 3.2 最小系统模块 PAGEREF _Toc25347 3 HYPERLINK l _Toc16177 3.2.1 STC89C52简介 PAGEREF _Toc16177 3 HYPERLINK l _Toc19549 3.2.2 最小系统电路 PAGEREF _Toc19549 5 HYPERLINK l

4、_Toc23462 3.3 HC-SR04模块 PAGEREF _Toc23462 6 HYPERLINK l _Toc30097 3.3.1 HC-SR04简介 PAGEREF _Toc30097 6 HYPERLINK l _Toc19432 3.3.2超声波的特性 PAGEREF _Toc19432 7 HYPERLINK l _Toc10828 3.3.3 超声波换能器 PAGEREF _Toc10828 8 HYPERLINK l _Toc16853 超声波传感器原理 PAGEREF _Toc16853 9 HYPERLINK l _Toc7756 测距分析 PAGEREF _Toc

5、7756 13 HYPERLINK l _Toc11811 3.4 显示电路 PAGEREF _Toc11811 14 HYPERLINK l _Toc9110 3.4.1 数码管简介 PAGEREF _Toc9110 14 HYPERLINK l _Toc22087 数码管概述 PAGEREF _Toc22087 15 HYPERLINK l _Toc16202 3.4.2 数码管显示模块电路 PAGEREF _Toc16202 15 HYPERLINK l _Toc4719 3.4.3 按键模块电路 PAGEREF _Toc4719 16 HYPERLINK l _Toc31268 3.4

6、.4 报警模块电路 PAGEREF _Toc31268 17 HYPERLINK l _Toc15502 第4章软件设计 PAGEREF _Toc15502 18 HYPERLINK l _Toc29158 4.1 程序语言与开发环境 PAGEREF _Toc29158 18 HYPERLINK l _Toc24714 4.2程序流程图设计 PAGEREF _Toc24714 19 HYPERLINK l _Toc6981 4.2.1 超声波模块程序流程图设计 PAGEREF _Toc6981 19 HYPERLINK l _Toc32521 第5章 硬件组装与调试 PAGEREF _Toc3

7、2521 20 HYPERLINK l _Toc24594 5.1 元器件的选择与测量 PAGEREF _Toc24594 20 HYPERLINK l _Toc32622 5.2 元件的焊接与组装 PAGEREF _Toc32622 21 HYPERLINK l _Toc25510 5.3 电路的调试 PAGEREF _Toc25510 21 HYPERLINK l _Toc4872 5.3.1 调试方法 PAGEREF _Toc4872 21 HYPERLINK l _Toc18414 5.3.2 调试步骤 PAGEREF _Toc18414 22 HYPERLINK l _Toc6794

8、 第6章 总结 PAGEREF _Toc6794 23 HYPERLINK l _Toc24447 鸣 PAGEREF _Toc24447 24 HYPERLINK l _Toc26674 参考文献 PAGEREF _Toc26674 25设计总说明 利用超声波进行测距有许多优点比如不受光强度、色彩和电磁场等外界因素的影响，而且超声波传感器的价位较低、结构也较为简单，超声波以声速传播，方便收发与计算。在汽车倒车雷达、移动机器人的避障、特别是测量距离等许多方面都已有了非常普遍的应用。本次毕业设计的超声波测距仪是在STC89C51单片机的基础上设计的，在分析和了解了超声波的一些优点和特性后，又查看

9、了利用超声波测距的基本原理。最后决定使用51单片机系统和超声波传感器共同组成。设计的超声波测距仪的硬件部分主要包括电源与复位模块、单片机与超声波模块组成的超声波发射模块、超声波接收模块、LED数码显示模块和扩展报警模块。软件部分主要包括单片机主程序、根据超声波发射与接收计算距离程序、LED距离显示程序、按键控制程序和蜂鸣器报警程序，这样安排使得系统具有模块化的特点。系统容易进行控制，具有可靠地的性能，具有较高的测量精度，最重要的是能对距离进行实时测量。关键词：单片机；超声波传感器 ；数码管；报警introduction The distance has many advantages such

10、 as not affected by light intensity, color and electromagnetic field of external factors such as the use of ultrasound, and the ultrasonic sensor price is low, the structure is simple, ultrasonic wave at the speed of sound transmission, convenient receiving and calculation. In the car reversing rada

11、r, mobile robot obstacle avoidance, especially the measurement of distance and many other aspects have been very widely used.The graduation design of ultrasonic distance measuring instrument is based on the STC89C51 microcontroller design, in the analysis and understanding of some of the advantages

12、and characteristics of ultrasound, and then view the basic principles of ultrasonic distance measurement. Finally decided to use the 51 single-chip microcomputer system and ultrasonic sensors to form a common. The hardware design of ultrasonic rangefinder consists of ultrasonic power and reset modul

13、e, microcontroller module and ultrasonic transmitting module, ultrasonic receiving module, LED digital display module and alarm module extension. The software includes the main microcontroller, according to ultrasonic transmitting and receiving distance, LED distance calculation program display prog

14、ram, key control procedures and buzzer alarm procedures, the characteristics of this arrangement makes the system has a modular. The system is easy to control, with reliable performance, with high measurement accuracy, the most important is to be able to real-time measurement of distance.Keywords: S

15、ingle chip microcomputer; ultrasonic sensor; digital tube; alarm第1章 绪论1.1 概述超声波测距法是通过超声波测量从已知位置到被测物体表面的距离的利用超声波的方法。超声波也是一种机械波，是一种频率在20kHz以上的声波。超声波测距是人们根据蝙蝠通过超声波反射进行捕食的方法发现的，也是仿生学中非常出名的例子，对生产领域产生了很大的影响。跟着电子测量技术的不断飞速发展，已经可以利用超声波实现精准测量了。测量技术在经济的不断发展下得到了越来越广的应用，因此超声波凭借着性能稳定、成本低廉、精度高等优点得到了重视。机器人技术在出现后发展迅

16、猛，机器人的用途也不在局限在工业生产而是进入了人们的日常生活。普遍的应用对于增加群众对机器人技术的认识变得非常重要。机器人能够通过特有的感知系统感知并确定前面障碍物的位置和周围的环境以完成躲避障碍物、自动寻路、测距等功能。超声波测距具有其他的测距技术没有的特点，比如测量精度高，成本低廉，对环境的要求低，使用简便等。将红外、灰度等传感器和超声波结合在一起将可以共同作用使机器人实现自动寻路和绕开障碍等功能。超声波由于传播方向较稳定、并且在介质里传播时能量削减缓慢，能够发送很远的距离，所以在测量距离的时候经常用到。超声波最普遍的应用是在汽车倒车雷达、物位测量仪、测距仪、研发移动机器人以与一些特殊工业

17、现场等场合。以后超声波传感器很可能将会智能化、自动化，实现更加方便高效的测距仪器。1.2 国外发展现状超声波测距技术是一种非常有前景的的技术，近距离的超声测距不会被光线影响，并且结构比较简单，成本经济实惠。超声波测量最重要的优点是：环境介质很普遍，空气、液体和固体都能使用，因此适合使用的围非常大。更重要的是使用超声波检测能很大程度的降低劳动强度，可以避免工作人员在恶劣工作环境中可能受到的伤害，还能够提高距离结果的准确度；另外，超声波测距仪也可以作用到别的功能系统中，如在机器人的避障系统、车置防撞系统、自动停车系统和倒车雷达，因此超声波测距仪对电子测量技术发展是非常重要的。第2章 系统总体方案设

18、计2.1 设计要求 1）可进行距离测量。采用数码管显示距离数据。可按键设置距离门限值具有报警功能2.2 方案选择2.2.1 单片机的选择方案一：采用DSP作为系统控制器。DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。DSP具有对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。但DSP硬件电路比较复杂，且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。方案二：采用单片机作为系统控制器。单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、

19、功耗低等优点得到迅猛发展和大围推广，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。基于以上分析，拟定方案二，用STC89C52单片机作为控制器。第3章 系统硬件设计3.1 整体方案设计3.1.1 系统概述整个系统以STC89C51单片机为核心器件，配合电阻电容晶振等器件，构成单片机的最小系统。其它个模块围绕着单片机最小系统展开。其中包括，测距传感器采用HC-SR04模块，显示设备为共阴数码管；电源供电则采用USB 5V供电，报警部分采用蜂鸣器，同时还包括按键部分，用来设置距离

20、门限值。3.1.2 系统框图数码管显示单片机最小系统HC-SR04报警部分电源部分按键部分 3-1 系统框图3.2 最小系统模块3.2.1 STC89C52简介（1）概述STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O

21、）端口，同时含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP与PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 （2）主要功能特性兼容MCS51指令系统；8k可反复擦写(1000次）Flash ROM； 32个双向I/O口； 256x8bit部RAM ；3个16位可编程定时/计数器中断；时钟频率0-24MHz； 2个串行中断；可编程UART串行通道； 2个外部中断源； 共8个中断源； 2个读写中断口线； 3级加密位； 低功耗空闲和掉电模式； 软件设置睡眠和唤醒功能；（3）8051单片机的引脚功能MCS-51系列单片机一

22、般采用40个引脚，双列直插式封装，用HMOS工艺制造，其外部引脚排列如图3-2所示。其中，各引脚的功能为:图3-2 STC89C52引脚图 主电源引脚VCC（40脚），接5V电源正端；GND（20脚），接5V电源地端； 外接晶体或外部振荡器引脚XTAL1（19脚），接外部晶振的一个引脚。在单片机部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚），接外部晶振的另一个引脚。在片接至反相放大器的输出端和部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。 控制信号线RESET（9脚），复位信号输入端，复位/掉电时部RAM的备用电源输入端。ALE（30

23、脚），地址锁存允许/编程脉冲输入，用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。在对片EPROM编程时，编程脉冲由此输入。PSEN（29脚），外部程序存储器读选通信号，低电平有效。 EA（31脚）,访问外部存储器允许/编程电压输入。EA为高电平时，访问部存储器；低电平时，访问外部存储器。 多功能I/O口引脚8051单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口，其中：P0口（3239脚）双向口（三态），可作为输入/输出口，可驱动8个LSTTL门电路。实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P

24、0口：先送低8位地址信号到P0口，由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。 P1口（18脚）准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。用作输入线时，口锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出线。 P2口（2128）准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。可作为输入/输出口，实际应用中一般作为地址总线的高8位，与P0口一起组成16位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。 P3口（1017脚）准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。双功能口，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每

25、一位都有特定用途，其特殊用途如表3.1所示：表3.1 P3口第二用途端口引脚第二功能注 释P3.0RXD串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端P3.2/INT0外中断请求0P3.3/INT1外中断请求1P3.4T0定时/计数器0外部计数信号输入P3.5T1定时/计数器1外部计数信号输入P3.6/WR外部RAM写选通信号输出P3.7/RD外部RAM读选通信号输出3.2.2 最小系统电路STC89C52的最小系统如图3-3所示，整个最小系统由三个部分组成，晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。晶振电路包括2个30pF的电容C2和C3，以与12M的晶振X1。电容的作用在这里是起

26、振作用，帮助晶振更容易的起振，取值围是15-33pF。晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。在进行电路设计的时候，晶振部分越靠近单片机越好。单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮部的程序自动从头开始执行。复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。利用电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电，RESET脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RESET脚的高电平持续两个机

27、器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K10UF=0.1S。也就是说在电脑启动的0.1S，电容两端的电压时在0-3.5V增加，这个时候RESET引脚所接收到的电压是5V-1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S，单片机系统自动复位（RESET引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。最后一个是电源部分，

28、采用5V的USB直接供电，可采用手机充电器、电脑USB口、移动电源等设备进行供电。此外，除了单片机最小系统的3个部分之外，这里还多了一些外部电路。由于STC89C52的P0口是漏极开路输出，因此在P0口接了一个10K的排阻R1，使得P0口可以作为普通的I/O口使用，本设计用P0口来做液晶的数据口。特别注意的是，对于31脚(EA),当接高电平时,单片机在复位后从部ROM的0000H开始执行；当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。由于我们的程序存储在了单片机部，所以EA要接高电平，保证单片机是从部读取程序去执行的。图3-3 单片机最小系统3.3 HC-SR04模块3.3.1 H

29、C-SR04简介超声波模块采用现成的超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。实物如下图4。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。图4 超声波模

30、块实物图超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下：IO口触发，给Trig口至少10us的高电平，启动测量；模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口Echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*340）/ 2，单位为m。程序中测试功能主要由两个函数完成。 实现中采用定时器0进行定时测量，8分频，TCNTT0预设值0XCE，当timer0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式为（单位：ms）：T = （定时器0溢出次数 * （0XFF - 0XCE）/ 1000 其中定时器0初值计算依据分频不同而有差

31、异。3.3.2 超声波的特性声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。人的听觉围如图5所示。图5 人的听觉围 超声波的特性有：（1）束射特性由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。（2）吸收特性声波在各种介质中

32、传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。（3）超声波的能量传递特性超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平

33、方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。 （4）超声波的声压特性当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。3.3.3 超声波换能器完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多用作探测方面。它有许多不同的结构，可分直探

34、头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。由于晶片的大小，如直径和厚度也各不一样，因此每个探头的性能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效

35、。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高。人类能听到的声音频率围为：20Hz20kHz，即为可听声波，超出此频率围的声音，即20Hz以下频率的声音称为低频声波，20kHz以上频率的声音称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中的传播速度较慢，为340ms，这就使得超声波传感器使用变得非常简便。我们选用压电式超声波传感器。它的探头常用材料是压电晶体和压电瓷，是利用压电材料的压电效应来进行工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高

36、频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。总体上讲，超声波发生器大体可以分为两大类：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一样，因而用途也各不一样。目前较为常用的是压电式超声波发生器。图6 超声波传感器结构 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。超声波发生器部结构如图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加

37、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，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。如图6所示。超声波传感器原理市面上常见的超声波传感器多为开放型，其部结构如图7所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由谐振器以与一个金属片和一个压电瓷片组成的双压电晶片元件振动器。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。当电压作用于压电瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，

38、当振动压电瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电瓷或一片压电瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电瓷用作超声波传感器。图7 超声波部结构超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体与固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。超声波的基本特性如下所述：波长波的传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是3108m/s，而声波在空气中的传播速度很慢

39、，约为344m/s (20时)。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。反射要探测某个物体是否存在，超声波就能够在该物体上得到反射。由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100的超声波，因此我们可以很容易地发现这些物体。由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因此很难利用超声波探测到它们。同时，由于不规则反射，通常可能很难探测到凹凸表面以与斜坡表面的物体，这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所，并且测试物体必须反射超声波。温度效应声波传播的速度“c”可以用下列公式

40、表示。c=331.5+0.607t (m/s)式中，t=温度 ()也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的，尤其冬季室外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用18B20作温度补偿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，而且超声波主要是用于测距功能，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。4. 衰减传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。如图8所示，超声波的频率

41、越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。图8 声压在不同距离下的衰减特性5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”为参考声压 (210-4bar)如图6所示为几种常用超声波传感器的声压图。图9 超声波传感器的声压图6灵敏度特性灵敏度是表示声音接收级的单位，使用下列公式予以表示。灵敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”为所产生的电压 (Vrms)，“P”为输入声压(bar)。超声波传感器的灵敏度直接影

42、响着系统测距围，如图7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。图10 超声波传感器灵敏度示意图7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。如图11所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。图11 超声波传感器辐射特性示意图分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在40KHz围具有最大的声压级和最高的灵敏度。测距分析超声

43、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=340t/2最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离s，即：s=340t/2。 由于

44、超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图12所示：超声波发射 障碍物S H 超声波接收图12 超声波的测距原理 （3-1） （3-2）式中:L两探头之间中心距离的一半.又知道超声波传播的距离为: ( 3-3)式中:v超声波在介质中的传播速度; t超声波从发射到接收所需要的时间.将（32）、（33）代入（3-1）中得： ( 3-4)其中,超声波的传播速度v在

45、一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(34)变为: ( 3-5) 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.3.4 显示电路3.4.1 数码管简介数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个 HYPERLINK :/baike.baidu /view/84213.htm t _blank 发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管； 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管

46、。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。数码管概述图5：数码管数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件，它使用了8个Led发光二极管，其中七个用于显示字符，一个显示小数点，所以

47、通称为七段发光二极管数码显示器。4位一体数码管，其部段已连接好，引脚如图所示（数码管的正面朝自己，小数点在下方）。a、b、c、d、e、f、g、dp为段引脚，S1、S2、S3、S4分别表示四个数码管的位。3.4.2 数码管显示模块电路本模块的电路的连接图如图3所示，R8为1k上拉电阻，为共阴数码提供电流，A-G,DP连接的是单片机的P0口，S1-S4为位选,连接单片机的P2口。图 模块连接图3.4.3 按键模块电路通过K1，K2，K3键来设置报警距离的门限值。3.4.4 报警模块电路 采用9012PNP三极管来驱动报警电路，当三极管的基极为低电平时，三极管导通，电流流过蜂鸣器，这样来实现报警。第

48、4章 软件设计4.1 程序语言与开发环境 C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔实验室的Dennis M. Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小与微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件、三维、二维图形和动画，具体应用例如单片机以与嵌入式系统开发。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机

49、C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。4.2 程序流程图设计4.2.1 超声波模块程序流程图设计图4-1 超声波模块程序流程图4.2.2 主程序流程图设计系统初始化报警

50、结束测得距离与设定值比较，小于距离比较，报警是否持续开始启动报警电路开始报警再次检测等待下次报警结束YNNYYN第5章 硬件组装与调试5.1 元器件的选择与测量本次设计的元器件主要有：STC89C52单片机、晶振、电阻、电容、按键、开关、电源座、数码管等。这些元器件的引脚需要我们认真查找资料，了解每个器件的特性再进行焊接。这些元器件直接根据型号到电子元器件市场就很容易买到。其中焊接时要注意元件正负极性，电阻电容大小、芯片引脚顺序等细节。一般电阻的大小可以通过色环读取，或直接用万用表进行测量；电容和晶振等的大小会标准在元件本身；元件的正负可以遵循长正短负的原则，一些特殊元件可以通过查找资料获知正

51、负极。5.2 元件的焊接与组装组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法，无论采用哪种方法均应注意以下几方面。 (1)所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍，以保证所用元器件均合格。 (2)所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确进行焊接合理安排布线。 (3)分立元件时应仔细辨明器件的正反向，标志应处于比较容易观察的位置方便检查和调试。对于有正负极性的元件，例如电解电容器、晶体二极管等，组装时一定要特别注意极性，否则将会造成实验失败。 (4)为了便于焊接查线以与后期的检查电路，可根据电路中接线的不同作用选择不同颜色的导线。一般习惯是正电源用红色线、负电源用蓝色线、地线用黑色线、信号线用黄

52、色线等。当然使用一种颜色也是可以的。 (5) 在实际焊接中连线需要尽量做到排版简洁连线方便。连线不跨接集成电路芯片上，必须从其周围通过。同时应尽可能做到连线不相互穿插重叠、尽量不从电路中元器件上方通过。 (6)为使电路能够正常工作与调测，所有地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。 正确的组装方法和合理的布局，不仅可使电路整齐美观、工作可靠，而且便于检查、调试和排除故障。如果能在组装前先拟订出组装草图，则可获得事半功倍之效果，使组装既快又好。5.3 电路的调试调试是指系统的调整、改进与测试。测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量，调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正，使满足

53、设计要求。在进行调试前应拟订出测试项目、测试步骤、调试方法和所用仪器等，做到心中有数，保证调试工作圆满完成。5.3.1 调试方法调试方法原则有两种。第一种是边安装边调试的方法。它是把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行安装和调试，在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的围，最后完成整机调试。这种方法在新设计的电路中比较常用。第二种方法是在整个电路系统全部焊接完毕后，实行一次性调试。这种方法比较适用于电路相对来说比较简单，系统不复杂的电路调试。5.3.2 调试步骤（1）通电前检查 电路焊接完毕后, 不要急于通电，首先要根据原理电路认真对照检查电路中的接接线是否正确，包括错线（连线一端正确、另一

54、端错误），少线（安装时漏掉的线），多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）和短路（特别是间距很小的引脚与焊点间），并且还要检查每个元件引脚的使用端数是否与图纸相符。查线时最好用指针式万用表“1”档进行检查, 或是用数字万用表“”档的蜂鸣器来测量，而且要尽可能直接测量元器件引脚，这样同时可以发现接触不良的地方。 （2）通电观察 在电路安装没有错误的情况下接通电源（先关断电源开关，待接通电源连线之后再打开电路的电源开关）。但接通电源后不要立即进行电路功能的测试，首先要充观察整个电路有无异常现象，电路中元器件是否有发热烧坏等现象，是否有漏电现象，电源是否有短路和开路现象等。如果电路在测试过程中出现异常，首先应该立即关闭电源，检查后排除故障再重新通电测试。然后再按要求测量各元器件引脚电源的电压，而不只是测量各路总电源电压，以保证元器件正常工作。 （3）单元电路调试 在调试单元电路时应明确本部