【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)段煉燕 山 大 學(xué)2012年6月本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)學(xué)院（系）：里仁學(xué)院 專 業(yè)：電子信息工程 學(xué)生 姓名：段煉 學(xué) 號：081308061167 指導(dǎo) 教師：練秋生 教授 答辯 日期：20126 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院：里仁學(xué)院 系級教學(xué)單位：電子與通信工程系 學(xué)號081308061167學(xué)生姓名段煉專 業(yè)班 級電子信息工程083班題目題目名稱基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)題目性質(zhì)：工程設(shè)計 （ √ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）（ ）；（ ）；（ ）題目類型（ √ ） （ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ √ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容在深入學(xué)習(xí)單片機(jī)的基礎(chǔ)上，利用聲波傳播的延時設(shè)計無線測距系統(tǒng)。系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收模塊、顯示電路組成。為提高精度，應(yīng)考慮溫度補(bǔ)償問題。要求設(shè)計系統(tǒng)電路圖及系統(tǒng)軟件?；疽?1. CPU采用與51兼容的STC系列單片機(jī)2 要求設(shè)計硬件電路圖及系統(tǒng)軟件3 測距范圍5m,誤差10cm參考資料《單片機(jī)原理》《數(shù)字信號處理》基于AT89S51單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)設(shè)計，北京電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報，中國期刊全文數(shù)據(jù)庫及相關(guān)電子資源周 次1—4周5—7周7—12周13—14周15—17周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱資料熟悉內(nèi)容方案設(shè)計硬件調(diào)試軟件編程軟件調(diào)試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)撰寫論文指導(dǎo)教師：練秋生職稱：教授 2012 年 3 月 1 日系級教學(xué)單位審批：顧廣華 2012年 3月 10日摘要超聲波測距是無線測距的一種，由于其可以直接測量近距離目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強(qiáng)，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優(yōu)點。本次課題的主要內(nèi)容是在深入學(xué)習(xí)單片機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)利用超聲波進(jìn)行距離測量的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要原理是系統(tǒng)控制超聲波發(fā)射器發(fā)生超聲波的同時開始計時，之后超聲波接收器接到超聲波到達(dá)被測物體的反射信號后產(chǎn)生外部中斷停止計時，在已知超聲波的速度的情況下通過測量超聲波的運(yùn)動時間來進(jìn)行計算從而測量出測距系統(tǒng)與被測物之間的距離。整個系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計，包括單片機(jī)核心板，超聲波測距模塊，液晶顯示模塊和溫度測量模塊四部分。軟件部分包括溫度測量程序、液晶顯示程序、超聲波發(fā)送和接收程序以及主程序。經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，本系統(tǒng)成功實現(xiàn)了在一定距離范圍內(nèi)的準(zhǔn)確距離測量，具有迅速、方便、易于操作等特點，可應(yīng)用于移動機(jī)器人避障和汽車倒車?yán)走_(dá)等領(lǐng)域中。關(guān)鍵詞　超聲波；測距；單片機(jī)；溫度補(bǔ)償AbstractUltrasonic ranging is a kind of wireless ranging. Because of ultrasonic ranging can measure near objective directly, have a high lengthways resolution ratio, it39。s wide range of application, have strong direction, and have not affected by light, smog, electromagnetic interference and some other factor, and the coverage of ultrasonic ranging is bigger than other wireless ranging.Main content of this topic is on the basis of deep learning Single Chip Microputer, used acoustic wave propagation to design a wireless ranging system. The principle of this system is use the timer measurement of ultrasonic emission to reach the obstacle reflection back to the time of the ultrasonic receiver to measure the data. The hardware of whole system is formed by Single Chip Microputer, ultrasonic ranging measuring modular, display modular and temperature measurement modular. The software is formed by display program, temperature measurement program, ultrasonic transmitter and receiver program and main program. From the associative debugging, the system achieves the ultrasonic ranging in a near distance successfully, it’s so quick, convenient and easy to operate, can be applied to the field of mobile robots and car reversing radar.Key Words　 Ultrasonic。 Ranging。 MCU。 Temperature Compensation目錄摘要 IAbstract II目錄 III第1章 緒論 1 課題背景 1 超聲波測距技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 1 超聲波測距技術(shù)研究的主要成果 2 超聲波測距技術(shù)的主要發(fā)展趨勢 3 超聲波測距技術(shù)存在的問題 3 本文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容 4第2章 超聲波測距硬件設(shè)計 6 6 單片機(jī)核心部分 7 電源供電電路 9 單片機(jī)時鐘電路 9 單片機(jī)復(fù)位電路 10 液晶顯示模塊 10 溫度測量模塊 11 超聲波測量模塊 13 超聲波的特性 13 超聲波傳感器原理 13 超聲波發(fā)射部分 15 超聲波接收部分 15 各部分連接方案 16 本章小結(jié) 17第3章 超聲波測距軟件設(shè)計 19 軟件設(shè)計方法 19 軟件系統(tǒng)流程介紹 20 液晶顯示模塊 20 溫度測量模塊 22 超聲波測量模塊 23 主程序部分 24 本章小結(jié) 25第4章 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程及結(jié)果分析 26 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程及結(jié)果 26 存在的問題及原因 30 無法測量過近距離 30 測量結(jié)果不夠精確 31 測量距離不夠遠(yuǎn) 32 本章小結(jié) 32結(jié)論 33參考文獻(xiàn) 34致謝 35附錄1 36附錄2 44附錄3 50附錄4 59第1章 緒論 課題背景 超聲波測距技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀無線測距指用無線電測量載機(jī)與某個目標(biāo)或反射面之間的信號傳播延遲、頻率、相位差來測定兩點之間直線距離的方法。目前，測量距離的方法主要采用測量波在介質(zhì)中傳播速度與時間的關(guān)系。隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，無線檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。目前，典型的無線測距方法有超聲波測距、CCD探測、雷達(dá)測距、激光測距等。其中，CCD探測具有使用方便、無需信號發(fā)射源、同時獲得大量的場景信息等特點，但視覺測距需要額外的計算開銷。雷達(dá)測距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測距的優(yōu)點，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。與前幾種測距方式相比，超聲波測距可以直接測量近距離目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強(qiáng)，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優(yōu)點。目前，超聲波測距已普遍應(yīng)用在液位測量、移動機(jī)器人定位和避障等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限時，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間法三種。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射介質(zhì)的影響。因此，當(dāng)前超聲波測距一般使用渡越時間法。超聲波測距的工作原理是發(fā)射換能器向外發(fā)射超聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播，遇到障礙物后反射，產(chǎn)生回波，接收換能器接收回波。渡越時間法就是通過檢測發(fā)射超聲波與接收回波之間的時間差求出目標(biāo)障礙物距信號發(fā)射源的距離。從技術(shù)上看，超聲波測距系統(tǒng)在上個世紀(jì)70年代已經(jīng)實用化從上個世紀(jì)70年代末期已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。近十年來，國內(nèi)科研人員在超聲波回波信號處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究，并針對超聲測距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施。 超聲波測距技術(shù)研究的主要成果超聲波測距憑借其原理簡單、易于實現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點，在液位測量、移動機(jī)器人定位和避障、汽車防撞、曲面仿形檢測和導(dǎo)盲系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。接觸式液位測量存在易滲漏、易腐蝕、不便于檢修和維護(hù)等問題，利用超聲波測距可以實現(xiàn)液位的非接觸式測量，解決上述問題。與其他測位方法相比，超聲波液位測量具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、安裝和維護(hù)方便、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。移動機(jī)器人需要裝備多種傳感器來獲取環(huán)境信息以確定自身的位置和繞開障礙物，其中比較常用的傳感系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)和超聲波測距系統(tǒng)。超聲波傳感器已經(jīng)被廣泛用作測距傳感器，并應(yīng)用于機(jī)器人的定位和避障。隨著汽車擁有量的增長，汽車的安全和使用便捷性能受到了空前的關(guān)注。由于存在視覺盲區(qū)，人們在倒車時無法看清楚車子后面的障礙物，很容易刮傷汽車或發(fā)生事故。通過在車身前后安裝超聲測距傳感器可以有效測量車身距障礙物間距離，解除了駕駛員泊車、倒車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。大多數(shù)曲面外形尺寸很難通過傳統(tǒng)測量方式獲得，而超聲波測距可以通過采用多傳感器多角度測距，確定其外形特征，以實現(xiàn)對曲面的檢測。目前市場上有多種導(dǎo)盲設(shè)備,但大多原理簡單、功能單一、較機(jī)械化,出現(xiàn)的問題也較多,給經(jīng)常出門的盲人使用者帶來不便。而利用超聲波測距系統(tǒng)制作的導(dǎo)盲系統(tǒng)操作簡單方便。超聲測距、無線傳輸讓整個導(dǎo)盲設(shè)備更輕便。具有語音告知功能, 兼帶振動功能, 更加人性化、智能化。 超聲波測距技術(shù)的主要發(fā)展趨勢超聲波測距中，超聲波回波處理方法的優(yōu)劣，直接關(guān)系到回波前沿的定位精度和渡越時間的測量精度，進(jìn)而決定著超聲波探測定位系統(tǒng)的精度和反應(yīng)速度。因而今后超聲波測距信號處理方法的改進(jìn)是超聲波測距的主要研究方向之一。目前，國內(nèi)學(xué)者對超聲波回波信號處理算法的研究已經(jīng)日漸成熟，但其作為超聲波探測定位的關(guān)鍵技術(shù)，仍將是一個重要的研究方向。隨著超聲波回波信號處理方法的不斷完善，如何研發(fā)新型、高性能超聲波換能器以進(jìn)一步拓寬超聲波測距的應(yīng)用空間，作為解決超聲波測距系統(tǒng)不足的根本手段，越來越受到國內(nèi)學(xué)者關(guān)注?，F(xiàn)階段，國內(nèi)一些科研人員在超聲波發(fā)射電路的簡化、發(fā)射功率和頻率的控制、最大探測距離的提高等方面對新型超聲波換能器進(jìn)行研究并取得了一定成果，但對新型超聲換能器制作材料、超聲波發(fā)生機(jī)理創(chuàng)新等方面的研究尚有不足。目前市場上普通的超聲波測距系統(tǒng)，一般采用發(fā)射單超聲脈沖的方法，這種方法在測距精度和可靠性等方面的研究已較成熟。但是當(dāng)它采用較高頻率超聲波時，會因空氣吸收而較快衰減，導(dǎo)致有效測量距離降低；在通過降低頻率以增大測距范圍時，測距的絕對誤差又會增大。因而該方法存在測量分辨力和有效作用距離的矛盾，極大制約了超聲波傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。近年來，如何合理選擇超聲發(fā)射脈沖，可以使超聲波測距系統(tǒng)在提高有效作用距離的同時，相應(yīng)提高測量精度與抗干擾能力，成為超聲波測距技術(shù)的又一個重要研究方向。 超聲波測距技術(shù)存在的問題超聲波傳播波速不恒定，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨周圍環(huán)境（溫度、壓力等）的變化而變化，其中溫度的影響最為明顯。常溫下，超聲波的傳播速度為340m/s，溫度每升高1℃， m/s，因此超聲波測距中一般采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，即在?shù)據(jù)處理中對超聲波傳播速度進(jìn)行實時溫度補(bǔ)償?；夭ㄐ盘柗惦S傳播