本科毕业设计（论文）基于单片机的超声波测距系统的设计与实现段炼燕 山 大 学2012年6月本科毕业设计（论文）基于单片机的超声波测距系统的设计与实现学院（系）：里仁学院 专 业：电子信息工程 学生 ：段炼 学 号：7 指导 教师：练秋生 教授 答辩 日期：2012-6 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电子与通信工程系 学号7学生段炼专 业班 级电子信息工程08-3班题目题目名称基于单片机的超声测距系统设计与实现题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ）主要容在深入学习单片机的基础上，利用声波传播的延时设计无线测距系统。系统由单片机、超声波发射电路、超声波接收模块、显示电路组成。为提高精度，应考虑温度补偿问题。要求设计系统电路图与系统软件。基本要求 1. CPU采用与51兼容的STC系列单片机2 要求设计硬件电路图与系统软件3 测距围5m,误差10cm参考资料单片机原理数字信号处理基于AT89S51单片机的超声测距系统设计，电力高等专科学校学报，2011.9中国期刊全文数据库与相关电子资源周 次14周57周712周1314周1517周应完成的容查阅资料熟悉容方案设计硬件调试软件编程软件调试系统联调撰写论文 / 指导教师：练秋生职称：教授 2012 年 3 月 1 日系级教学单位审批：顾广华2012年 3月 10日摘要超声波测距是无线测距的一种，由于其可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。本次课题的主要容是在深入学习单片机的基础上，设计并实现利用超声波进行距离测量的系统。系统主要原理是系统控制超声波发射器发生超声波的同时开始计时，之后超声波接收器接到超声波到达被测物体的反射信号后产生外部中断停止计时，在已知超声波的速度的情况下通过测量超声波的运动时间来进行计算从而测量出测距系统与被测物之间的距离。整个系统硬件电路采用模块化设计，包括单片机核心板，超声波测距模块，液晶显示模块和温度测量模块四部分。软件部分包括温度测量程序、液晶显示程序、超声波发送和接收程序以与主程序。经过系统联调，本系统成功实现了在一定距离围的准确距离测量，具有迅速、方便、易于操作等特点，可应用于移动机器人避障和汽车倒车雷达等领域中。关键词超声波；测距；单片机；温度补偿AbstractUltrasonic ranging is a kind of wireless ranging. Because of ultrasonic ranging can measure near objective directly, have a high lengthways resolution ratio, its 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 Microcomputer, 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 Microcomputer, 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, its 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目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1 课题背景11.1.1 超声波测距技术的国外现状11.1.2 超声波测距技术研究的主要成果21.1.3 超声波测距技术的主要发展趋势31.1.4 超声波测距技术存在的问题31.2 本文的结构和主要容4第2章超声波测距硬件设计62.1超声波测距基本原理62.2 单片机核心部分72.2.1 电源供电电路92.2.2 单片机时钟电路92.2.3 单片机复位电路102.3 液晶显示模块102.4 温度测量模块112.5 超声波测量模块132.5.1 超声波的特性132.5.2 超声波传感器原理132.5.3 超声波发射部分152.5.4 超声波接收部分152.6 各部分连接方案162.7 本章小结17第3章超声波测距软件设计193.1 软件设计方法193.2 软件系统流程介绍203.3 液晶显示模块203.4 温度测量模块223.5 超声波测量模块233.6 主程序部分243.7 本章小结25第4章系统联调过程与结果分析263.1 系统联调过程与结果263.2 存在的问题与原因303.2.1 无法测量过近距离303.2.2 测量结果不够精确313.2.3 测量距离不够远323.3 本章小结32结论33参考文献34致35附录136附录244附录350附录459第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 超声波测距技术的国外现状无线测距指用无线电测量载机与某个目标或反射面之间的信号传播延迟、频率、相位差来测定两点之间直线距离的方法。目前，测量距离的方法主要采用测量波在介质中传播速度与时间的关系。随着传感器和单片机控制技术的不断发展，无线检测技术已被广泛应用于多个领域。目前，典型的无线测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等。其中，CCD探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销。雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。与前几种测距方式相比，超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。目前，超声波测距已普遍应用在液位测量、移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔。超声波是指频率在20kHz以上的声波。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，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，它属于机械波的畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。其中，相位检测法精度高，但检测围有限；声波幅值检测法易受反射介质的影响。因此，当前超声波测距一般使用渡越时间法。超声波测距的工作原理是发射换能器向外发射超声波，超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收换能器接收回波。渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差求出目标障碍物距信号发射源的距离。从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化从上个世纪70年代末期已经广泛应用于各个领域。近十年来，国科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。1.1.2 超声波测距技术研究的主要成果超声波测距凭借其原理简单、易于实现以与成本低等优点，在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞、曲面仿形检测和导盲系统等领域得到了广泛的应用。接触式液位测量存在易渗漏、易腐蚀、不便于检修和维护等问题，利用超声波测距可以实现液位的非接触式测量，解决上述问题。与其他测位方法相比，超声波液位测量具有结构简单、非接触、安装和维护方便、性能稳定可靠等优势。移动机器人需要装备多种传感器来获取环境信息以确定自身的位置和绕开障碍物，其中比较常用的传感系统是视觉系统和超声波测距系统。超声波传感器已经被广泛用作测距传感器，并应用于机器人的定位和避障。随着汽车拥有量的增长，汽车的安全和使用便捷性能受到了空前的关注。由于存在视觉盲区，人们在倒车时无法看清楚车子后面的障碍物，很容易刮伤汽车或发生事故。通过在车身前后安装超声测距传感器可以有效测量车身距障碍物间距离，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视