《基于单片机超声波测距系统设计及调试分析9600字（论文）》

基于单片机超声波测距系统设计及调试分析目录TOC\o"1-2"\h\u192491.绪论 1217781.1研究背景及意义 283071.2超声波测距的研究现状 269621.3本课题主要研究内容 332032.基于单片机超声波测距系统设计的总体方案 3274762.1设计内容 4287452.2基于单片机超声波测距总体设计方案 441293.基于单片机超声波测距系统的硬件电路设计 4111693.1单片机最小系统模块 447303.2语音播报模块 6293333.3超声波传感器模块 746713.4LCD1602液晶显示模块 10147183.5蜂鸣器报警电路 1278034.基于单片机超声波测距系统软件程序设计 12222784.1Keil开发环境及开发语言选择 12204314.2系统软件设计 13131555.调试过程及误差分析 16162075.1实物测试图 16220825.2误差分析 1713296.结论 1728991参考文献 18摘要：在各种空气化学介质中，超声波定位传感器由于具有工艺性能好，价格低廉、使用方便，在现场机器人自动定位系统、汽车自动导航、车辆安全行驶监测系统、城市交通安全管理和高速公路交通运营安全管理自动监控监测系统，以及各种人工河道、油井和仓库及料位的探测等应用领域均已成功得到广泛应用。由于目前超声波的快速传播不容易被外界所直接干扰，能量消耗缓慢，介质中传播距离较长，超声波通常被广泛应用于各种距离的测量，例如测距和物位测量等均可通过超声波来实现。因此，深入分析和研究超声波的产生与传播规律、开发一种通用高性能超声波换能器及其收发电路，对超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。本文介绍了基于单片机的超声波测距原理：STC89C52控制定时器产生一定频率的脉冲，计算从发射到接收回波的时间，从而得到测量距离，数据处理采用lcd1602显示距离，WTD588D语音播报。关键字：单片机；液晶显示；超声波测距 绪论1.1研究背景及意义据有关资料显示，斯帕拉捷最早因蝙蝠在黑夜里可以自由飞翔而成功发现超声波，之后大量研究结果表明，这很可能是由于蝙蝠可以发射一种人耳听不到的声音，并且它们可以根据这个声音来避开障碍物。1912年轰动世界的Titanic号首航碰撞到冰山的沉没事件促使科研者们提出要利用声学的方法来预测冰山的发生，随后的第一次世界大战进一步促进了超声波的研究与发展。近几年来，随着超声波技术的不断研究，再加上其具有高精度、无损、非接触等优点，使得超声波在工业领域中的应用也变的更加广泛。例如，用卷尺测量马路的宽度时，需要横跨马路，阻碍了交通的正常运行，同时还易造成事故，并且测量精度较低。又如对速度移动快的物体进行测量会更加复杂、更加困难，难以连续测量，测量后误差很大，同时还需要耗消耗费大量的人力物力和时间，此时如果利用超声波进行测量就可以省去许多的麻烦，极大的提高了工作效率。与其他测距方法相比而言，超声波测距系统电路易实现、结构简单、价格低，且超声波在传播过程中不受空气能见度、灰尘、烟雾等的影响，在恶劣环境中适应性强，因此超声波测距技术在航海、电子冶金、航空、石油化工、交通、机械制造等工业领域已广泛应用。当然，超声波测距技术在实际应用中也有很多问题。一是超声波信号在空气流动中的频率衰减很大，使回波信号产生较大的起伏，导致回波到达的时间产生较大偏差;二是温度和风速会对超声波的传播造成一定程度的影响。这些因素限制了超声波测距在测量精度要求很高的场合被采用。1.2超声波测距的研究现状近十几年以来，国内外已有相关专家和多位学者在对超声波回波信号的处理技术、控制方法以及新型超声波换能器的研发、超声波无线发射信号脉冲的来源选择等技术问题上先后进行了较为深入理论分析和相关实践论证研究，并且制定了提高超声波测距精度的措施，如对影响超声波测距常见的影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益环节等提高超声波测距的精度。在超声波测距中，超声波回波的处理至关重要，直接关系到回波前沿的定位和测量所需的时间，进而影响超声波定位系统的精度和反应速度。研究人员针对常规相关峰插值方法在多倍插值、计算复杂、时延估计精度差等问题，结合超声回波信号的窄带通特性和相关峰细化原理，提出了直接提取相关函数包络和包络峰细化的算法，分析并研究了计算的复杂性；我们还分析了超声换能器的带宽特性以及如何针对单脉冲回波特性设计M序列参数。科研者根据雷达信号处理中的脉冲压缩技术，提出了基于FFT的伪随机码包络快速时延估计的算法，信号解调与匹配相关相融合，使计算量大大减少。目前，国内学者对超声波回波信号的处理已经日渐成熟，但其作为超声波检测定位的关键，仍将是一个重要的研究方向，有待进一步研究探讨。随着超声波回波信号处理方法的不断完善，如何研发新型、高性能、通用超声波换能器以及进一步扩大超声波测距的市场应用，是急需解决的问题，也可作为解决超声波测距系统不足的最基本手段，越来越受到国内学者的关注。研究人员对Vmos场效应管为开关元件的超声波发射电路进行了分析，发现激励脉冲宽度对超声波换能器的发射功率影响极大,换能器取最大发射功率时，所对应的激励脉冲宽度为其谐振周期的一半。该结果对研发新型超声波换能器的发射电路具有一定的指导作用。目前国产的低功率超声波探头，15m以外的物体一般探测不到，美国AIRMAR公司生产的AirducerAR30超声波传感器探测距离可达30m之远，但价格比较高。现阶段，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足，目前市场上的超声波测距系统，一般都是采用发射单脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已经较成熟。但当采用的超声波频率较高时，超声频率会因空气吸收而大幅衰减，导致测量距离降低且误差较大；如果通过降低频率来增大测距范围，测距的绝对误差也会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离之间存在矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域范围。脉冲压缩技术和双频超声测距方法的出现，在一定程度上使超声波测距系统同时具备了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测能力，但仍旧不能满足高精度测量的要求。1.3本课题主要研究内容本文简要介绍了基于单片机的超声波测距技术的具体实现方式和应用原理，全文一共划分为六个章节。(1)第一章中简要介绍了我国超声波测距技术发展的历史背景与其意义,以及国内外超声波技术的研究发展现状。(2)第二章介绍了此次设计的总体方案以及设计的要求。(3)第三章介绍了此次设计的硬件部分，包括数控单片机自动控制模块、超声波测距模块、报警模块、电源模块、语音播报模块。(4)第四章介绍了此次设计的软件部分，阐述了此次设计程序的编写思路以及应用程序的基本流程框图，还给出了各个模块端口与单片机之间的相互连接的电路图。(5)第五章给出了此次设计的实物图片，并分析了误差的来源。(6)第六章给出了总结。2.基于单片机超声波测距系统设计的总体方案2.1设计内容此设计主要包括硬件集成电路和软件设计两部分内容。由定时器计算得出超声波传感器发射超声波与接收到超声波回波之间的时间差，时间的一半乘以声音在空气中的传播速度，这样就可以计算出超声波探头与障碍物之间的距离，再通过液晶显示器显示出距离，扬声器播报距离。当距离小于某一数值，蜂鸣器报警且扬声器播报距离；超出测距范围时，蜂鸣器声音报警。具体要求如下:(1)实现超声波测距功能，当距离小于某一数值时，给出报警;(2)分析超声波测距的精度;(3)画出相应的电路图和软件流程框图，编写源代码，并制作出实物。2.2基于单片机超声波测距总体设计方案此次设计主要包括了硬件设计和软件设计，模块的结构划分为:数据采集模块、报警模块、显示控制模块、语音播报模块。该集成电路的基本结构可以细划分成:单片机最小系统、超声波传感器、电源、蜂鸣器、显示电路、语音播报电路。总体设计框图如图2.1所示。图2.1超声波测距总体框图3.基于单片机超声波测距系统的硬件电路设计3.1单片机最小系统模块单片机最小系统，又简称为单片机最小应用系统，它是指用最少的原件组成可以正常运行的系统。电源、振荡电路、复位电路构成了单片机最小系统的三个基本要素，也就是说，一个单片机只要具备了这三个基本的电路模块，就完全可以正常运行我们所下载的程序。其他的比如LED微型灯、数码管、液晶等器件都属于单片机的外部集成器件，即系统外设。如果用户想要实现自己想要的功能，就需要通过对单片机进行编程，最终实现对应的功能。单片机最小系统如图3.1所示。图3.1单片机最小系统(1)单片机的使用电源:一般来说采用3节干电池共4.5V为整个单片机提供直流电。(2)振荡电路由晶振和电容组成，晶振是一种石英制造的电子元件，石英电子元件之所以可以当作振荡器使用是因为它的压电效应，在通电时表面会产生特定频率的振荡，通过电路可以输出一个频率很稳定的时钟信号，从而为单片机系统提供基准的时钟信号，单片机内部所有的工作都是以这个时钟信号为步调基准来进行工作的。理论上来说，振荡频率越高表示单片机运行的速度越快，但同时也对存储器和印刷电路板的要求也就越高。单片机有内部时钟和外部时钟两种方式,单片机的XTAL1和XTAL2内部都需要有一片自带振荡器的芯片结构,但是还是需要在XTAL1和XTAL2外部分别接入一个晶振和两个振荡电容，这样就完全可以组成一个时钟信号控制电路，这只是内部的时钟方式，单片机还可以工作在外部时钟方式，直接在XTAL1端外部接方波信号，XTAL2端悬空。这里采用内部时钟方式，因为内部时钟方式可以构成一个非常好的时钟信号源，并且电路简单。但是外部时钟要产生一个稳定的信号源需要添加很多的器件，比较复杂。STC89C52RC单片机的18脚和19脚是晶振引脚，外加两个22Pf的电容，这个电容的值没有特殊的要求，作用是帮助晶振起振，并维持振荡信号的稳定。晶振电路如图3.2所示。图3.2单片机晶振电路(3)复位电路，接到单片机的9脚(RST)复位引脚上，单片机复位一般有三种情况:上电复位、手动复位、程序自动复位。STC89C52最小系统采用的是上电复位方式，在接通电源时给RST端一个可以持续两个机器周期的高电平，这样就可以实现单片机的复位。原理是接通电源时电容C1进行充电，R1的一端连接电容，另一端接地，当电阻上出现电压，使得单片机的RST端变为高电平，开始进行复位,一段时间之后，电容C1充满，电阻上的电流降为0，电压为0，复位结束，单片机开始工作。复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令，P0到P3口均置于高电平，程序计时器和特殊功能寄存器将全部清零。复位电路如图3.3所示。图3.3单片机复位电路3.2语音播报模块语音模块采用WT588D芯片，WT588D是广州唯创与台湾华邦合作研发的一款语音芯片（单片机）。WT588D不仅可以作为一般通用的语音芯片，也可以作为一个FLASH微控制器，因其有许多I／O端口，控制功能和外部设备；最重要的是，还可以按照样品直接投掩膜，管脚无需改动，价钱更加便宜。WT588D性能优异，使用方便，与51单片机性能非常相似。WT588D语音芯片是一款功能强大的语音单片机芯片，可以反复擦除和写入。配套WT588DVioceChip上位机操作软件可随意更换WT588D语音MCU芯片的任何控制模式，并可将信息下载到SPI-Flash。该软件操作方式简单易懂，匹配了语音合成技术，大大缩短了语音编辑的时间。完全满足市场上的播放/暂停、停止、上一曲、下一曲、音量+、音量-等功能；在按键控制模式中，触发方式灵活。有PWM和DAC两种输出方式，PWM输出可直接驱动0.5W/8Ω的扬声器，DAC输出外接功放，音质好。应用领域覆盖范围广，几乎涉及到所有的语音场所，如广播电台、报警器、提醒器、闹钟、学习机、智能家电、治疗仪、电子玩具、电讯、以及各种自动控制装置等场所，在技术上达到工业应用的要求。语音提示电路如图3.4所示。图3.4语音播报电路3.3超声波传感器模块3.3.1测距方案比较(1)激光测距激光测距是以激光器为电源进行激光测距，由激光器瞄准目标物发射激光，同时开始计时，在碰到目标物之后，它向各个方向散射，部分散射光返回到接收器，在接收端光电元件接收到散射回来的激光的同时，计时结束，用计算所得到时间的一半乘以光速就得到了探头与目标物之间的距离。激光测距具有测量精度高、测距远、量程范围大等优点，但对人体有很大伤害，造价成本较高，制作方法复杂。(2)红外线测距红外线测距是基于三角形原理，红外发射器按照一定角度发射红外光，当遇到物体时，光束会反射回来，检测器检测到反射回来的红外光后，会获得一个偏移值，利用三角关系，可知发射角度、偏移距离、中心矩等，通过几何关系就可以计算出传感器到物体的距离，但当距离足够近时，偏移距会相当大，超出检测范围，这时检测就会出现盲区，当距离较大时，偏移距又会变得很小，这就要求探测器的分辨率要很高。因此，红外测距虽然测距安全、制作简单、成本低，但其方向性差、测量精度低、测量距离短。超声波测距超声波属于普通声波的一种，指超出人类听力极限20KHZ的定向波，它具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能、在水中传播距离长等优点。此外，超声波在空气中的传播速度与声音的传播速速相同，利用超声波探头瞄准障碍物发射超声波的同时开始计时，超声波遇到障碍物时会返回，当超声波探头接收到返回波时，计时结束，时间的一半乘以超声波的速度就得到了发射器与障碍物之间的距离。超声波在空气中能量消耗缓慢，精度和方向性都优于红外线传感器，安全性也优于激光测距。因此，超声波是一种比较比较合适的测距方法。3.3.2超声波测距原理超声波测距方法有很多,如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限，而声波幅值检测法易受反射波的影响。本文测距系统采用超声波渡越时间检测法。其原理是：超声波从发射传感器通过气体介质传播到接收传感器的时间t，即渡越时间，然后计算距离S。设S为测量距离，T为往返时间差，超声波的传播速度为V，则有S=VT/2。当超声波接收器收到反射波时就立即停止计时。然后由单机计算出距离，送数码管显示测量结果。如图3.5为测距原理图。图3.5测距原理框图因为θ/2角度较小,可以忽略不计，所以L≈S。超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：L=Cx(t2-t1)/2。由于超声波也是一种声波，其声速C与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米／秒。表3.1列出了几种温度下的声速。表3.1声速与温度的关系温度（℃）-30-20-100102030100声速（m/s）313319325331338344349386由此可以推导出，温度和波速大概有V=331.5+0.607T的关系,波速确定后只要得到超声波往返时间，就可以得到与障碍物之间的距离S。3.3.3HC-SR04模块及电路连接HC-SR04超声波模块的电路连接如图3.6所示。HC-SR04超声波测距传感器可以为用户同时提供2cm~450cm的非接触式测量，测量精度可以达到3mm,该模块包括超声波发射电路，超声波接收电路和超声波控制电路。HC-SR04具有以下几个特点：(1)超微型，体积小，相当于两个发射头面积的大小;(2)盲区小，10mm以内可以当作0来处理;(3)测量速度快，10ms的测量周期不易丢失目标;(4)发射头和接收头成直线关系。图3.6超声波模块的电路连接图3.4LCD1602液晶显示模块3.4.1LCD液晶显示模块电路的连接LCD1602液晶显示器与单片机的连接电路如图3.7所示，CV端是液晶显示对比度调节，如果直接接到VCC端会使对比度过高不会显示内容，一般要加一个电阻进行对比度调节，此次设计是直接把CV端接地，对比度最弱，但是仍然可以正常显示内容。E是使能端，又称为允许输入端或禁止端，高电平有效。RS是数据命令选择端，R/W是读写选择端。D0~D7是数据传输端。LCD1602液晶显示器共有16个引脚，引脚说明如表3.6所示。表3.6LCD1602液晶显示器引脚说明图3.7液晶显示电路3.4.2LCD1602液晶显示模块的主要操作(1)在使用LCD1602时，要先进行初始化操作，此次设计设置LCD1602显示为两行，5X7点阵，八位数据口，指令为0x3811此次设计采用开显示，不显示光标，光标不闪烁，指令为0x0c。读写字符后指针和光标自动加1，写字符屏幕不显示移动，指令为0x06。清屏指令，写入0x01进行数据指针和屏幕清零。(2)忙状态判断:定义一个变量temp，将液晶显示器的状态字读到temp中，液晶显示器的状态字共有八位，最高位为液晶忙状态字，所以只要判断最高位的值就可以知道该液晶显示屏是否处于“忙状态”，如果最高位为0，则表示液晶处于空闲状态就可以进行读写操作，如果最高位为1，就表示液晶正处于“忙状态”，那么就要继续等待重新判断液晶的状态。但是不能无限期的等待,要进行超时判断,否则就会进入死循环状态。(3)写命令:先判断液晶是否忙，如果正忙就继续等待，不忙就开始进行写命令操作，将使能端E拉低，RS端是命令数据选择端，写命令为低电平，R/W端是读写选择端，写操作为低电平，因为选择的是八位数据端口，所以直接将命令赋值给PO数据端，拉高使能端E,命令就会写入到P0端，再次拉低使能端E,防止干扰其他的读写操作。(4)写数据:与写命令的操作基本一致，只是在RS端选择写数据为高电平。3.5蜂鸣器报警电路蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,分为无源蜂鸣器和有源蜂鸣器，所谓的“源”是指电子元器件在工作时，如果其内部振荡源存在，则这种器件叫做有源器件。如果元器件在工作时内部没有振荡源存在，则这种器件被称为无源器件。有源蜂鸣器有自己的驱动器，直接给它一定的电压就可以发声，无源蜂鸣器只能靠外部驱动才可以发声。一定频率的方波是无源蜂鸣器的理想驱动力。本文采用无源蜂鸣器。蜂鸣器的I/O口与单片机的I/O口相连，当测量的距离小于20cm或者超出测距范围时蜂鸣器报警，蜂鸣器报警电路图如图3.8所示。图3.8蜂鸣器报警电路基于单片机超声波测距系统软件程序设计4.1Keil开发环境及开发语言选择4.1.1编程语言选择此次设计编程语言采用C语言，C语言是一门通用计算机编程语言，应用广泛。C语言较其他机器语言来说简明易懂，逻辑清晰，编译速度快，且移植性强，可以在任何一台计算机上运行。而其他的语言，如汇编语言，针对不同的操作平台，不同的微处理器，指令都可能是完全不同的，也不具有任何可移植性。4.1.2Keil开发环境此次设计开发环境主要选择采用美国KeilμVision4集成系统开发软件环境，KeilC51是美国Keiloftware公司自主生产研发出品的51系列，兼容单片机C语言开发系统。Keil提供了一个完整开发方案，包括C编译器、宏编译、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等，通过个集成开发环境(μVision)将这些部分组合在一起。4.2系统软件设计本次设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序的，程序由主程序模块，测温程序模块，测距程序模块，液晶显示模块，报警模块组成，主程序用来进行函数调用和定时器计时，其余模块各自完成自己的工作。系统总体流程如图4.2所示。图4.2超声波测距系统总体流程图4.2.1主程序模块主程序首先是调用各个模块的系统环境初始化函数，设置定时器T0的工作模式是16位定时计时模式，工作方式0，置位总中断允许位EA，定时器方式TMOD,TO溢出中断允许位ETO，开启定时器TR0，并且设置计时器的初始值为0，调用超声波发射函数，然后Echo引脚等待其变成高电平，开始计时，再次等待Echo引脚变成低电平，中断结束，调用温度计算函数得到温度值，再调用超声波计算函数，调用温度调用液晶显示函数，主函数流程图如图4.3所示。图4.3主函数流程图4.2.2超声波测距模块超声波测距模块包括超声波发射函数和超声波距离计算函数,超声波在超声波探头与障碍物之间的往返时间由主函数进行计算得出。在超声波发射函数中单片机给超声波的Trig端口一个高电平信号，用机器周期进行准确延时至少10us，这里延时所采用的方法是调用C语言库函数中的一个空循环函数，因为单片机的晶振为12MHZ，所以运行这一条指令的机器周期为1μs，这条指令存在于头文件intrins.h中，所以在使用这条指令时要加入头文件intrins.h。这样超声波测距模块就会发射超声波，10us后单片机给Trig端口一个低电平信号，发射信号结束，在计算函数计算出计时器的时间，然后计算出温度补偿之后的超声波传播速度，代入公式计算出测量距离。超声波模块的流程图如图4.4所示。图4.4超声波模块流程图4.2.3显示模块此次设计采用LCD1602显示温度和测量的距离，在使用LCD1602时，要先进行端口的声明，再进行初始化设置，初始化操作包括对显示格式、光标显示、清屏的操作。在读写操作中因为主要是用LCD1602进行显示距离和温度，所以LCD1602的读写操作只用到了写操作，没有用到读操作，所以设置Lcd_rw为0,低电平执行写操作，高电平执行读操作。LCD1602写操作包括写命令和写数据，这些命令也就是指定操作类型，如滚屏、闪烁、光标的消隐、以及指定要写数据显示的地址等。写数据一般就是写入要显示的字符。在进行写操作时，要先判断液晶此刻是否正忙，在软件编程中使用一个do_while循环来进行循环检测，如果液晶正忙会返回一个整形值为1，此时要循环继续检测液晶状态，如果返回值是0，表示液晶处于不忙状态，跳出循环继续进行写操作。在给LCD1602液晶显示屏写入字符的时候，要规定写入字符的位置，一般使用坐标(X,Y)来进行标识，如果Y=0，表示写在第一行，Y=1表示写在第二行，X=0表示从头开始写入，每一行最多可以写16个字符，其余的字符如果不换行显示，将会储存在之后的位置中，不进行显示。在使用LCD162时要先进行初始化操作，LCD1602初始化流程图如图4.5所示。图4.5LCD1602初始化流程图LCD1602的写操作共有写数据和写命令两种,写命令是将初始化的指令和字符或者字符串的显示位置写入到总线，写数据就是写入要显示的字符或者字符串。本次设计在写入字符串时有一个单独的函数进行字符串的处理，直接将字符串的首地址送入写数据函数，用指针移动的方法依次将全部的字符串送入写数据函数。调试过程及误差分析5.1实物测试图如图5.1为基于单片机的超声波设计实物正面图图5.1实物正面图5.2误差分析障碍物表面介质会引起误差，表面粗糙的障碍物要比表面光滑的障碍物的测量结果差得多，如果障碍物的表面比较粗糙，发射信号会分散，回波信号会减弱，引起测量误差(2)在测量时超声波的发射探头会发射超声波，但是有一部分的声波会直接发射到接受探头，这部分声波就是余波，可以通过软件算法来彻底消除直达波的影响，软件算法能自动判断接收到的超声波信号是否是余波信号,如果是余波信号，就继续等待在检测这个工作周期内是否有效的反射波反射回来，如果有就进行超声波处理，如果没有就继续进行新的测量。(3)超声波在空气中的传播速度与温度有关，所以还是不能完全消除温度对于超声波速度的影响。结论本文主要研究了基于单片机的超声波测距报警系统，系统硬件主要包括单片机最小系统、显示电路、语音