超声波测距仪软件设计毕业论文

超声波距软件设毕论文目录

………………….…

.4A…………………

5第章

绪

……….…..1.11.2

课题背景、目的和意义……..课题主内容……………….……………..6第章

声测原

…………………2.12.2第章3.13.2

超声波简介…………….…….8超声波测距原理...................................8方论………………..……………….…...10设计思路..........................................系统结构设计......................................第章

主元介

.....................................124.14.2第章5.15.25.35.4

单片机AT89S51....................................12HR-SR04超声波块……………14系计………16HC-SR04发射与接收路……….17显示路............................................17复位路............................................18时钟路...........................................18第章

系软设

………………196.16.26.3

主程序计..........................................19中断处理序................................................................................21距离计算及显示模块序………………..24第章件装性试

……………….…………26致谢

……………………28参考文献

…………...…29附录

超波距整电图

…………………30附2程清

………...31-1-

摘要本设计是以单片机技术为基础实现对前方物体距离的测量根据超声波指向性强,量消耗慢在介质中传播距离远的特点,利用超生波传感器对前方物体进行感应过单片机中的程序对超声波传感器发射和接收的超声波信号进行分析和计算处理，最后将处理结果在数码管上显示STC89C52单片机的超声波测距系,此系统根据超声波在空气中传播反射原理,把超声波传感器作为接口部件,利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离设计了一套超声波检测系统。该系统设计主要由主控制器模块超声波发射模块超声波接收模块和显示模块等四个基本模块构成用接收部分接收超声波本设计利用两个中断在发射信号时开定时器中断0和外部中断0使定时器计时收到发射超声波信号时，外部中断0关闭中断时定时器中断计录的时间就为超声波传播经过测距仪到前方物体的来回时间。利用公式S=T×V（V为超生波传播速度，本设计设定值340m/s）,经过单片机处理得到距离值并且通过数码管显示出来。关键词单片机STC89C52，HC-SR04超声波感器，码管-2-

Abstracttooftotoaa0000inS2SaKeyword

:microcontroller-SR04-3-

第章

绪超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及tmel公司的单片机的性能和特点并在分析了超声波测距的原理的基础上指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51片机为核心的低成本、高精度微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。1.1

课题背、目的和意传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术主要包括计算机技术通信技术和传感器技术算机技术相当于人的大脑通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器红外线传感器压力传感器等等其中超声波传感器在测量方面有着广泛普遍的应用利用单片机控制超声波检测往往比较迅速方便算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达机器人自动避障行走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。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义对本课题的研究与设计还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。1.2

课题主内容本课题研究的测距系统就是用单片机控制的过超声波发射器向某一方向发射超声波单片机在发射时刻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反射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V根据计时器记录的时间就可以计算出发射点距障碍物的距离。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的-4-

计时电路的输出端接单片机的外部中断源输入口系统定时发射超声波在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间当收到超声波的反射波时接收电路输出端产生一个负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离结果输出给LED显示。第章

超波距理-5-

2.1声简我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率的单位是赫兹人类耳朵能听到的声波频率为20～赫兹。当声波的振动频率大于赫兹或小于赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波常用于医学诊断的超声波频率为15赫超声波具有方向性好穿透能力强易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。在医学，军事，工业，农业上有明显的作用。理论研究表明在振幅相同的条件下一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥的冬季如果把超声波通入水罐中剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴再用小风扇把雾滴吹入室内就可以增加室内空气湿度这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位。利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。2.2声测原超声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=340/2。由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关，表2-1列出了几种不同温度下的波速。表2-1声速与温度的关系温（℃）－－20

－10

0

10

20

30

10030声速313319

325

323

338

344

349

386(m/s)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2-2所示：-6-

t超声波发射

障碍物SHθ超声波接收图2-1超声波的测距原理H

（2-1）

L)H

（2-2）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: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（2—4）代入（2-3）中得：1LHarctg]2

(2-3)(2-4)其中,超声波的传播速度在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远远大于时,则(3—4)变为:1Hvt2

(2-5)所以,只要需要测量出超声波传播的时间就可以得出测量的距离H。第三章

方案论证-7-

3.1

设思测量距离方法有很多种短距离可以用尺远距离有激光测距等超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为米/秒，由单片机负责计时，单片机使用晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。目前比较普遍的测距的原理过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告警装置等。由于超声波指向性强能量消耗缓慢在介质中传播距离远因而超声波可以用于距离测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求由于超声波易于定向发射方向性好强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点。目前超声波测距已得到广泛应用内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器但是专用集成电路的成本较高功能单一而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置端口检测示等多种功能并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。以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，出8位外，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，RAM（寻址寄存器I/O口和指令集。所以8051是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。根据设计要求并综合各方面因素以采用单片机作为主控制器，它控制发射超声波模块发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差利用软件产生超声波信号通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用电路进行放大后的信号进行频率监视和控制一旦探头接到回波若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率，则其输出引脚的电平将从1”变为0（此时锁相环已进入锁定状态这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。可对测得数据优化处理；AT89C51还控制显示电路，用LED数字显示。3.2

系结设超声波测距仪系统结构如图3.1所示。它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、LED显示电路电路组成。系统主要功能包括：-8-

超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；LED显示器显示距离；LED显示超声波接收

单片机控制器超声波发送

扫描驱动图3-1超声波测距器系统设计框图第四章4.1片

主要元器件单片机即单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer把构成-9-

一台计算机的主要功能部器件CPU进行运算控制RAM（数据存储（程序存储输入输出设备（例如：串行口、并行输出口等系统、定时/计数器等集中在一块芯CPU（进行运算、控制RAM（数据存储ROM（程序存储输入输出设备（例如：串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器（MicrocontrollerUnit对于普通微机，单片机的体积要小得多一般嵌入到其他仪器设备里实现自动检测与控制因此也称为嵌入式微控制器EmbeddedMicrocontrollerUnit)。本设计的MCU用的是（塑料双列直插式）封装的AT89C51性能8位单片。是一个低电压，高性能CMOS8位单片机片内含4kbytes的可反复擦的读程序存储器和128的随机存取数据存储器（RAM件采用ATMEL司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准指令系统，片内置通用位中央处理器和存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。是一个低功耗高性能单片机40引脚32外部双向输入/出（I/O）端口，同时内含2外中断口，2个16可编程定时计数器2全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如右图4.1。图4-1引脚图AT89C51的引脚功能有：1)主电源引脚VSS——第，电路接地电平。VCC——第脚，正常运行和编程校验+5V源。2)时钟源-10

PROPRO——第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。当直接采用外部信号时，此引脚应接地。——第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口当采用外部振荡信号源泉时此引脚为外部振荡信号的输入端口与信号源相连接。3)控制、选通或复用RST/VPD——第9脚，复位信号输入端口。当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为以上机器周期的高电平复位信号到单片机。在VCC掉电期间，此引脚(即可接通备用电源，以保持片内信息不受破坏。ALE/——第脚，输出允许地址锁存信号。当单片机访问外部存储器时，信号的负跳变将P0上的低8地址送入锁存器。在非访问外部存储器期间ALE仍以1/6振荡频率固定不变地输出因此它可对个输出或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部存储器时将跳过一个脉冲。为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。PSEN

——第29脚问外部程序存储器选能信低电平有效AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。//VPP：外部访问允许。欲使

CPU公访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH

端必须保持低电平（接地注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存状态。存储器编程时，该引脚加上+的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。4)多功能I/O端口P0——第32~39脚8漏极开路双向端口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL辑门电路，对端口写1”可作为高阻抗输入端用在访问数据存储器或程序存储器时这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口——第1~8脚，具有内部上拉电的位准双向I/O端口。在对片内程序存储器（）进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。P2口——第脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。当单片机访问存储器时，用做高8位地址总线；在对片内程序存储器EPROM型）进行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。P3口——第脚，具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。它还提供特殊的第二变异功能它的每一位均可独立定义为第一功能的I/O或第二变-11

异功能。第二变异功能的具体含义如表4.1：表4.1P3口第二变异功能端口引脚

第二功能RXD（串行输入口）（串行输出口）0（外中断）INT1（外中断1）

WR

（定时/数器0）（定时/数器1）（外部数据存储器写选通）（外部数据存储器读选通）4.2声集模

产品特点：HC-SR04超声波测距模块可提供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：(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)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;实图4HR-SR04超声波集成模块实物图如右图接线供5V电源为地线TRIG触发控制信号输入ECHO回响信号出等四支线。

电气参数：-12

电气参电电频射射输出回响信号规格尺寸

HC-SR04超声波模块DC14421TTL脉冲输出TTL电平信号，与射程

超声波时序图：图4-3超声波时序图超声波时序图以上时序图表明你只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=米或者uS/148=英寸或是离=高电平时间*声（340M/S议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

实物规:-13

图4-4

实物规格-14

第五章

系统硬件电路设计5.1射接电采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信;模块自动发送8个40khz的方波动检测是否有信号返回；有信号返回过IO口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。5.2

图HC-SR04发射与接收电路显电显示电路如图，四位LED组成动态扫描电路，由AT89C51P1口输出。动态扫描由P2控制LED当前显示当距离测量结束并调用显示程，就会显示距离大小，显示两位小数。图5-2

显示电路5.3

复电-15

单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如下：图复位电路在系统上电的瞬间，RST电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即

RC20ms一般取RK，22uF。当人按下按钮，使电容通过R1迅速放电，S1弹起后，再次充电，实现手动复位。一般取200。5.4

时电当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的和XATL2用来接石英晶体和微调电容如图所示晶体一般可以选择3M~24M电容选择30pF左右。我们选择晶振为12MHz,电容33pF。图

时钟电路第六章

系统软件设计-16

本设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序序主要由系统主程序和中断程序构成主程序完成单片机的初始化超声波的发射和接收计算超声波发射点与障碍物之间的距离数码管显示系统程序设计的主要的功能是发射超声波、接收超声波、计算测量距离、数据计算、数码管显示。6.1主序计主程序对整个单片机系统进行初始化后将超声波的回波接收标志位置位并且使单片机P0.2端口输出一个低电平用来启动超声波发射电路同时将定时器启动，然后调用距离计算的子程序，再根据定时器记录的时间计算出所需要测量的距离然后再调用显示子程序再将测出的距离送到数码管显示最后主程序通过对回波信号的接收完成后续的工作假如标志位清零则说明接收到了回波信号么主程序就返回到初始端重新将回波接收标志位置位并且在单片机的0.1端口上发送低电平到超声波发射电路，就这样，连续不断地运行，循环不断地工作用来实现测距。整个系统的设计的关键是对距离进行测量的后通过单片机来处理测量数据是比较容易实现的能精确的实现测距在测距中各种信号包括温度对声速的影响都将干扰到测距的准确性中超声波的余波信号对整个设计中测距的精确度的干扰的影响比较大。超声波接收回路中的超声波信号一共有两种波信号：第一种波信号为余波信号就是当发射探头发射出信号之后声波接收探头马上就接收到的超声波信号实际就是超声波的发射信号另一种波信号就是有效信号经过障碍物表面反射回的超声波回波信号是所需要测量的距离数值。在进行超声波测距时际上测距就是记录从超声波发射电路发射超声波信号开始到接收到信号的声波的往返时间差然后通过数据计算出距离对于回波信号需要进行检测的有效信号是反射物体反射的回波信号以要尽量避免在检测时候检测到余波信号波就是在发射超声波时超声波信号直接到达接受探头的波信号，同时余波信号也是超声波测量时存在测量盲区的最主要的原因[。超声波接收电路在接收到超声波回波后过超声波集成模块电路进行检波整形比较并向单片机发出有效信号单片机通过外部中断的改变记录回波信号的到达时间中断发生之后就是表示已经接收到了回波信号这个时候-17

停止计时并且读取计数器中的数值这个数值就是需要进行测量的时间差的数据。程序中对测距距离的计算方法是按S=17×N/1000=0.017×N)进行计算的，其中，N为计数器的值，声速的值取为340综合以上的分析可得到系统主程序流程图系统主程序的流程图如图6.1所示。开

始单片机初始化超声波模块复位发射超声波并启动开中断接收到回波的同时中计算测量距离显示距离延时图6.1

系统主程序流程图6.2中处程-18

负责计算超声波发射点与障碍物之间的距离INT0的中断程序。根据前面的对超声接收电路的分析在超声波集成模块接收到超声波回波信号后超声波接收电路就会产生一个低电平送至单片机的引脚，使系统中断，则系统转入中断处理程序。进入中断处理后，定时器和外部中断就立即被关闭，同时读取时间值并给回波接收标志位清零即成功接收到回波信号中断处理程序的程序流程图如图6.2示计时开始中断关闭距离计算显示距离图6.2

返回中断处理程序流程图在中断处理程序过程中，对距离数据的计算是比较关键的。首先是从定时器0到超声波传播中往返所用的时间再运用公式计算得出障碍物与车尾之间的距离，然后再将测得的距离值传到其他功能模块进行其他功能的处理。C程序如下：voidzd0()interrupt1{flag=1;}voidzd3()interrupt3

//T0中断用来计数器溢出,超过测距范围//中断溢出标志//T1中断用来数码管和计-19

800MS启动模块{TH1=0xf8;TL1=0x30;Display();timer++;if(timer>=400){timer=0;TX=1;//800MS_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

启动一次模块-20

_nop_();_nop_();TX=0;}}voidmain(void){

TMOD=0x11;TH0=0;TL0=0;TH1=0xf8;

//设T0为方式1，GATE=1；//2MS定时TL1=0x30;ET0=1;//允许T0中断}

ET1=1;TR1=1;EA=1;while(1){while(!RX);TR0=1;while(RX);TR0=0;Conut();}

//允许T1中断//开启定时器//开启总中断//当RX为零时等待//开启计数//当RX为1计数并等待//关闭计数//计算6.3距计及示块序从距离计算公式S=17×N/1000=0.017×Ncm)可以很明显看出来果想要-21

得到具体的距离的值只需要得到从超声波发送开始到接收到超声波这个过程中定时器0计数的次数。本设计中，采用了4位共阳极连接的数码管显示来显示与障碍物之间的距离同时数码管与P2口连接进行动态的段扫描由于这个距离值是不断变化的，所以，这个数码管的显示的过程是在外部中断发生后才进行的。所以当主程序给超声波发生器发送了信号后时中断和定时器就已经被打开并开始计时了当超声波接收电路接收了到回波信号的同时时电路便会产生一个低电平到单片机的端口，在单片机检测到该信号后，定时器计时就将停止，同时定时器的计数的次数将被提取出来，这样就可以得到为单位的测量的距离值。C程序如下：voidConut(void){time=TH0*256+TL0;TH0=0;TL0=0;S=(time*1.7)/100;//出来是CMif((S>500)||flag==1)//出测量范围显示“-”{flag=0;disbuff[0]=10;//“-”disbuff[1]=10;//“-”disbuff[2]=10;//“-”}else{disbuff[0]=S%1000/100;-22

disbuff[1]=S%1000%100/10;disbuff[2]=S%1000%10%10;}}第七章

硬件组装性能调试-23

本汽车防撞装置以H的超声波测距传感器模块为主体心频率是基本稳定在40装时保持模块平整摆放即使两超声波探头的中心轴线平行[9]。其它硬件的组装和连线焊接如下分别接到四位八段的共阳数码管的、bc、f引脚上，用来进行动态的段扫描的2.3P2.5控制四位数码管的片选；P0.2端口接超声波模块的发射端；P0.1端口接超声波接收端，用作判断超声波是否接收到了回波的信号，并控制计数器停止计时。超声波测距时需要测的是从发射开始到接收到回波信号的这段时间里的声波往返的时间差由于需要对接收到的回波信号进行检测而检测的有效信号为反射的回波信号以应该要尽量避免检测到余波信号而超声波检测中最小测量盲区存在的主要原因也是因为余波干扰的缘故为超声波测距所能测的距离的大小与传感器的驱动功率测量方法有很大关系而从理论上来讲本设计系统采用的超声波模块测距时存在的盲区大约为cm左右而且本设计理论上的测量距离范围为1cm～5m，测量的误差比较小，测量显示值稳定，能满足设计要求。本系统在设计和数据的计算过程中无可避免地会产生一定的误差下对可能产生误差的原因进行分析：1）环境的度所引起的误差环境温度的影响是本设计在不同的温度条件下测量数据存在误差的主要原因根据有关资料在当温差较大时前后两次测距的误差肯定前后相差也比较大[

。而本设计中并没有温度补偿模块，主要是本设计做为简单测距使作用而已，所以本设计并没有采用温度补偿模块进行设计。2）不同障物表面材料的不同介质引起的误差因为表面粗糙的障碍物介质要比光滑介质的测量结果要差果障碍物的发射面比较粗糙会引起发射信号散射开那么回波信号就会减弱样就会导致测量结果的误差增大。3）超声波块的感应角的影响两个超声波探头即发射探头和接收探头和障碍物之间存在一个几何角度射波入射到探头存在一定的角度当这个角度过大时这就会造成测量较大的误差或者说根本接收不到回波信号特别是在障碍物的距离较小的时候这个误差就成为了距离测量的主要误差的原因但是这种误差是可以尽量减小的利用发-24

射能力