基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、屆 別 學 號 畢業(yè)設計基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)姓 名 系 別、 專 業(yè) 導 師 姓 名、職 稱 完 成 時 間 目錄摘要31、緒論41.1項目研究背景及意義41.2國內(nèi)外發(fā)展狀況52、總體設計方案及論證82.1 總體方案設計83、硬件實現(xiàn)及單元電路設計83.1 電路總體設計83.2電源電路設計93.3超聲波測試模塊93.3.1 超聲波的特性103.3.2超聲波換能器123.4超聲波傳感器原理133.5測距分析173.6 STC89C52單片機簡介183.7單片機最小系統(tǒng)183.8時鐘電路的設計193.9復位電路的設計203.10聲光報警電路的設計203.11數(shù)碼管顯示模塊214、軟件設計2

2、14.1 主程序工作流程圖21總結24參考文獻24附件1: 原理圖25附件2：源程序25附件3：實物圖35摘要超聲波測距系統(tǒng)是以STC89C52為主控芯片，該系統(tǒng)是有單片機最小系統(tǒng)、超聲波探頭、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器報警模塊、按鍵模塊和電源部分組成。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。當距離小于設置距離時，蜂鳴器和指示燈發(fā)出聲光報警，當距離大于設置距離，停止報警。報警距離可以通過按鍵設置，按下設置鍵，顯示“A”時，可以通過設置鍵的加減鍵設置報警距離。關鍵詞：超聲波測距儀、STC89C52單片機1、緒論1.1項目研究背景及意義 隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲

3、波將在傳感器中的應用越來越廣。在人類文明的歷次產(chǎn)業(yè)革命中，傳感技術一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個技術和應用領域的關鍵技術，在人們可以想象的所有領域中，它幾乎無所不在。傳感器是世界各國發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，在各國有關研究、生產(chǎn)、應用部門的共同努力下，傳感器技術得到了飛速的發(fā)展和進步。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的傳感技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產(chǎn)業(yè)領域1。超聲波測距與其它非接觸式的檢測方式方法相比，如電磁的或光學的方法它不受光線，被測對象顏色，電磁干擾等影響。超聲波對于被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應能力

4、2。因此在液位測量，機械手控制，車輛自動導航，物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辯力，因而其準確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結構簡單，體積小，信號處理可靠等特點3。超聲波是一種指向性強，能量消耗慢的波。它在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，可解決超長度的測量4。 超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?、反射、折射、干涉、衍射、散射與物理緊密聯(lián)系，應用靈活。并且更適合與高溫、高粉塵、高濕度和高強電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。超聲波可用于非接觸測量，具有不

5、受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標無損害5。而且超聲波傳播速度在相當大范圍內(nèi)與頻率無關。超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視。1.2國內(nèi)外發(fā)展狀況社會在進步，隨著經(jīng)濟生活的發(fā)展，隨著人們生活水平的提高，在當今社會，車輛已經(jīng)逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪兄陵P重要的一部分，我們知道我們越來越離不開汽車了，以車代步已經(jīng)成為生活的一部分。關于汽車的各種新技術也層出不窮，但是放眼望去，絕大多數(shù)的廠家和研究機構的研究方向過多的集中在了設備本來已經(jīng)相當高級的車上。而在平日的生活當中我經(jīng)常會遇到這樣的問題，如來到一個大型的停車場，

6、要來購物或者有非常著急的事情，但是卻往往找不到要停車的位置6。然而現(xiàn)在通常在有的有顯示空車位停車場當中又不能智能引導汽車走到空著的車位。在這種特殊的情況下，有通常會發(fā)生各種各樣棘手問題而束手無策，譬如：有很多車會堵在停車場門口處，又譬如浪費了很長時間找到車位又被其他車輛所占據(jù)，會導致打架的事情，直接導致家用車貨車的擱淺，引起極大的不便。再如長時間駕駛后在沒有需要的停車位置的情況下停車休息，由于極度疲勞導致的貴重錢物丟失現(xiàn)象以及大型長途貨車在停車場門口馬路很窄的情況下由于很多待于停車的車輛堵車引起的倒車不便等等。針對這些具體而實際的問題提出解決方案，節(jié)約資源時間，所以我們做一個智能車輛引導系統(tǒng)更

7、具有現(xiàn)實意義。隨著計算機技術、自動化技術發(fā)展，測距與識別問題在工業(yè)中變得十分重要。例如，傳統(tǒng)的如鋼卷尺接觸式測量儀器在測量一定距離時，這種儀器對高于3m的頂板安設困難，且測量不準確；對于橫向變形量的測量，若安設于兩側之間，則妨礙人、車來往，如果不固定安設裝，則測量精度很低，難以監(jiān)測微小變形。在自動化裝配、檢測、分類、加工與運輸?shù)冗^程中，要對隨意放置的工件進行作業(yè)，這就必須對工件的位置、形狀、姿勢、種類自動地進行判別，尤其在在工件運輸過程中進行識別，則問題更為復雜與困難，因此人們急切需要各種非接觸式的測距儀7。我們目前的非接觸式測距儀常采用超聲波、激光和雷達，紅外線等。但激光和雷達測距儀造價偏高

8、，紅外線測量距離又太短，不利于廣泛的普及應用，在某些應用領域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點：1.對于設計停車場來說，超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標的距離，很合適；2.針對停車場停車當中有的車有天窗，是玻璃或其他透明物質(zhì)制的。超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體)；3.停車場應該是日夜工作的，超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中；4.超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行

9、實時控制。因此，超聲波方法作為非接觸檢測和識別的手段，已越來越引起人們的重視。在機器人避障、導航系統(tǒng)、機械加工自動化裝配及檢測、自動測距、無損檢測、超聲定位、汽車倒車、工業(yè)測井、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應用8。超聲檢測的原理主要是利用超聲波作為載體，即通過超聲在媒質(zhì)中的傳播、散射、吸收、波形轉換等，提取反映媒質(zhì)木身特性或內(nèi)部結構的信息，達到檢測媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結構的目的。我國無損檢測技術是從無到有，從低級階段逐漸發(fā)展到應用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化10。五十年代，我國開始從國外引進超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國

10、的UCT-2超聲波檢測儀，重達24Kg，各單位積極開展試驗研究工作，在一些工程檢測中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國內(nèi)科研單位進口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟大學研制出CTS一10型非金屬超聲檢測儀，也是電子管式，儀器重約20Kg，該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當時這種儀器只有個別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因無損檢測技術仍處于試驗階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的UCT-2，CTS一10型儀器。1976年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術列為重點攻關項目，組織全國6個單位協(xié)作

11、攻關。從此，無損檢測技術開始進入有計劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術的推廣普及。如羅馬尼亞N2701型超聲波測試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量10Kg。七十年代，英國CN.S公司推出僅有 3.5Kg重的PLJNDIT便攜式超聲儀11。1978年10月，中國建筑科學院研制出JC-2型便攜式超聲波檢測儀。該儀器采用TTL線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為5Kg。同期研制出的超聲檢測儀器還有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣一應用無損檢測技術奠定了良好的基

12、礎。隨著檢測技術研究的不斷深入，對超聲檢測儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差。進一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機的微處理功能。隨后具有檢測、記錄、存儲、數(shù)據(jù)處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象12。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡單.，可靠性高，具有斷電存儲功能，其串口可以方便用戶對儀器的測試數(shù)據(jù)進行后處理及有關程序的開發(fā)。與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設計新穎合理，功能齊全，在儀器設計上有重大突破和創(chuàng)新，達到了國際先進水平。目前，計算機市場價格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，計算機可發(fā)揮它一機多用

13、的各種功能，實際上是最大的節(jié)約。過去那種全功能的儀器設置，還不如單獨的超聲儀，計算機可充分發(fā)揮各自特點。高智能化檢測儀器只能滿足檢測條件，使用環(huán)境，重復性測試內(nèi)容等基木情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設計也應從實際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求。13綜上所述，我國超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號已超過國外同類儀器水平目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體力型。電聲型主要有：1壓電傳感器；2磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。流體動型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都超聲傳

14、感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛” 14。電子測距儀要求測量范圍在0.105.00m，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結果。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，公式L=(t/2)*C簡單易算，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波測距器，可以應用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、管道長度的測量等場合15。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。所以就順其自然的選擇用超聲

15、波探測儀來進行探測停車位是否有車了。2、總體設計方案及論證2.1 總體方案設計 本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。超聲波測距系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)、超聲波模塊、按鍵模塊、電源模塊、數(shù)碼管顯示模塊和聲光報警模塊組成。該系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為核心控制單元,當測得的距離小于設定距離時，主控芯片將測得的數(shù)值與設定值進行比較處理。然后控制蜂鳴器報警。系統(tǒng)總體的設計方框圖如圖1所示。電源部分超聲波模塊數(shù)碼管顯示聲光報警模塊按鍵模塊STC89C52單片機圖1 系統(tǒng)方框圖 3、硬件實現(xiàn)及單元電路設計3.1 電路總體設計硬件電路總設計見圖3，從以上的分析可知在本設計中要用到如下器件： STC89C52

16、、超聲波傳感器、按鍵、四位數(shù)碼管、蜂鳴器等一些單片機外圍應用電路。其中D1為電源工作指示燈。電路中用到3個按鍵，一個是設置鍵, 一個加鍵，一個減鍵。 圖3 總設計電路圖3.2電源電路設計電源部分的設計采用3節(jié)5號干電池4.5V供電。經(jīng)過實驗驗證系統(tǒng)工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。本電路有電源開關、電阻、電容和發(fā)光二極管組成。其中電容主要是對超聲波和單片機模塊濾波用，以提供穩(wěn)定的電源。具體電路圖如下圖所示：3.3超聲波測試模塊 超聲波模塊采用現(xiàn)成的超聲波模塊，該模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm。模塊包括超聲

17、波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚翰捎?IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號;模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2。實物如下圖4。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四支線。圖4 超聲波模塊實物圖超聲波探測模塊HC-SR04的使用方法如下：IO口觸發(fā)，給Trig口至少10us的高電平，啟動測量；模塊自動發(fā)送8個40Khz的方波，自

18、動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口Echo輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離=（高電平時間*340）/ 2，單位為m。程序中測試功能主要由兩個函數(shù)完成。 實現(xiàn)中采用定時器0進行定時測量，8分頻，TCNTT0預設值0XCE，當timer0溢出中斷發(fā)生2500次時為125ms，計算公式為（單位：ms）：T = （定時器0溢出次數(shù) * （0XFF - 0XCE）/ 1000 其中定時器0初值計算依據(jù)分頻不同而有差異。3.3.1 超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關的一種自然現(xiàn)象。當聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取整數(shù)為2000

19、0赫茲)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。人的聽覺范圍如圖5所示。圖5 人的聽覺范圍 超聲波的特性有：（1）束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當射線透過一種物質(zhì)進入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。（2）吸收特性聲波在各種介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這是因為介質(zhì)要吸收掉它的部分能量。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強。對于一個頻率一

20、定的聲波，在氣體中傳播時吸收尤為歷害，在液體中傳播時吸收就比較弱，在固體中傳播時吸收是最小的。（3）超聲波的能量傳遞特性超聲波之所以能在各個工業(yè)部門中得到廣泛的應用，主要原因還在于比聲波具有強大得多的功率。為什么有這么強大的功率呢?因為當聲波進入某一介質(zhì)中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關外，主要是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換

21、句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 （4）超聲波的聲壓特性當聲波進入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。3.3.2超聲波換能器完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者

22、金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率范圍為

23、：20Hz20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340ms，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應來進行工作的。逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設

24、計和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 圖6 超聲波傳感器結構 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構如圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當

25、共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。如圖6所示。3.4超聲波傳感器原理市面上常見的超聲波傳感器多為開放型，其內(nèi)部結構如圖7所示，一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是由諧振器以及一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器，所謂叫雙壓電

26、晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。圖7 超聲波內(nèi)部結構超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。超聲波的基本特性如下所述：1 波長波的傳播速度是用頻率乘以波長來表示。電磁波的傳播速度是3×108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20時)。在這種比較低的傳播速度下，波長很短，這就意味著可以獲得較高的距

27、離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進行測量時獲得很高的精確度。2 反射要探測某個物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測到它們。同時，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測到凹凸表面以及斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測試環(huán)境是在空曠的場所，并且測試物體必須反射超聲波。3 溫度效應聲波傳播的速度“c”可以用下列公式表示。c=331.5+0.607t (m/s)式中，t=溫度 ()也就是說，聲音傳播速

28、度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測量與某個物體之間的距離時，始終檢查周圍溫度是十分必要的，尤其冬季室內(nèi)外溫差較大，對超聲波測距的精度影響很大，此時可用18B20作溫度補償來減小溫度變化所帶來的測量誤差，考慮到本設計的測試環(huán)境是在室內(nèi)，而且超聲波主要是用于測距功能，對測量精度要求不高，所以關于溫度效應對系統(tǒng)的影響問題在這里不做深入的探討。4. 衰減傳播到空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是因為衍射現(xiàn)象所導致的在球形表面上的擴散損失，也是因為介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖8所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超

29、聲波傳感器有效距離。圖8 聲壓在不同距離下的衰減特性5聲壓特性聲壓級 (S.P.L.) 是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”為有效聲壓 (bar)，“Pre”為參考聲壓 (2×10-4bar)如圖6所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。圖9 超聲波傳感器的聲壓圖6靈敏度特性靈敏度是表示聲音接收級的單位，使用下列公式予以表示。靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為所產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(bar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測距范圍，如圖7所示為幾種中常見超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中

30、可以發(fā)現(xiàn)40KHz時傳感器的聲壓級最高，也就是說40KHz時所對應的靈敏度最高。圖10 超聲波傳感器靈敏度示意圖7輻射特性把超聲波傳感器安裝在臺面上。然后，測量角度與聲壓 (靈敏度) 之間的關系。為了準確地表達輻射，與前部相對比，聲壓 (靈敏度) 級衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用1/2表示。超聲波設備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖11所示為幾種常見超聲波傳感器的輻射特性示意圖。圖11 超聲波傳感器輻射特性示意圖分析以上研究結果不難看出超聲波傳感器工作在40KHz范圍內(nèi)具有最大的聲壓級和最高的靈敏度。3.5測距分析超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超

31、聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關。在使用時，如果傳播

32、介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖12所示： 超聲波發(fā)射 障礙物 S H 超聲波接收圖12 超聲波的測距原理 （3-1） （3-2）式中:L-兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 3-3)式中:v超聲波在介質(zhì)中的傳播速度; t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間.將（32）、（33）代入（3-1）中得： ( 3-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)(例如在溫度T=30度時,V=

33、349m/s);當需要測量的距離H遠遠大于L時,則(34)變?yōu)? ( 3-5) 所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H.3.6 STC89C52單片機簡介 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Fl

34、ash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。這一模塊以單片機為中心把程序代碼燒進去然后外圍接上復位電路、振蕩電路、鍵盤控制、LED顯示電路、報警電路等子模塊。3.7單片機最小系統(tǒng) 要使單片機工作起來最基本的電路構成為單片機最小

35、系統(tǒng)如圖3-7所示。 圖3-7信號處理模塊 單片機最小系統(tǒng)包括單片機、復位電路、時鐘電路構成。STC89C52 單片機的工作電壓范圍：4V-5.5V,所以通常給單片機外界5V直流電源。連接方式為單片機中的40腳VCC接正極5V，而20腳VSS接電源地端。復位電路就是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機接通電源時產(chǎn)生復位信號，完成單片機啟動確定單片機起始工作狀態(tài)。當單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復位和外部按鍵手動復位，單片機在時鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復

36、位操作。本設計采用的是外部手動按鍵復位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。 時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。 3.8時鐘電路的設計XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反

37、向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us，故而一個機器周期為1us。如圖13所示為時鐘電路。圖13 時鐘電路圖3.9復位電路的設計復位方法一般有上電自動復位和外部按鍵手動復位，單片機在時鐘電路工作以后, 在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。例如使用晶振頻率為12MHz時，則復位信號持續(xù)時間應不小于2us。本設計采用的是自動復位電路。如圖

38、14示為復位電路。圖14 復位電路圖3.10聲光報警電路的設計本設計中聲光報警電路采用NPN型S8550三極管驅動，當單片機的P23口輸出低電平時，三極管的VE>VB>VC>0。三極管的發(fā)射結正偏，集電結反偏，三幾個飽和導通，此時發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出聲光報警，當單片機的P23口輸出高電平時，三極管截止，聲光報警停止工作。具體電路圖如圖15所示：圖15 聲光報警電路圖3.11數(shù)碼管顯示模塊 顯示模塊采用數(shù)碼管顯段選接在單片機的P1口，位選接在單片機的P34、P35、P36、P37口，采用三極管驅動方式。當位選輸出低電平時，相應的三極管將飽和導通，再打開相應的段碼，這樣就可以在

39、數(shù)碼管上顯示了。在本設計中采用動態(tài)掃描的方式。具體電路圖如圖16所示：圖16 數(shù)碼管電路4、軟件設計4.1 主程序工作流程圖按上述工作原理和硬件結構分析可知系統(tǒng)主程序工作流程圖如下圖17所示；系統(tǒng)初始化報警結束測得距離與設定值比較，小于距離比較，報警是否持續(xù)開始啟動報警電路開始報警再次檢測等待下次報警結束YNNYYN圖17 主程序工作流程圖超聲波探測程序流程圖：開始Trig高電平10uS時間關閉定時器0計數(shù)器清零啟動定時器0ECH0=0ECH0=1關閉定時器0計算temp=TH0*256+TL0YNNY圖19 超聲波探測程序流程圖總結本設計研究了一種基于單片機技術的超聲波智能測距報警系統(tǒng)。該系

40、統(tǒng)通過以STC89C52單片機為工作處理器核心，超聲波的原理是利用超聲波發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播時間來計算出傳播距離。經(jīng)過單片機的處理在數(shù)碼管上把距離顯示出來，當小于設置距離時發(fā)出聲光報警。本設計系統(tǒng)雖然有一定的實用性，但該系統(tǒng)在設計過程中仍然存在很多漏洞，很多東西都考慮的不是很詳細，但我用了很多時間去查找資料同時也請教了老師同學來幫助我完成這個設計，出于個人水平以及時間的關系所以并沒有把自己當初考慮的所有可能情況都考慮進去。這幾個月的大學畢業(yè)設計給我的影響很大同時也讓我學會了很多，覺得自己好多的東西都給忘記了還有就是學的知識太少，以后要多用些時間去補充自己，因此我要更加努力，學無

41、止境。參考文獻1 李華 單片機語言編程·北京航空航天大學出版社·2005·26562 宋文緒. 傳感器與檢測技術M. 北京: 高等教育出版社, 2004.3 胡漢才 單片機原理及其接口技術·清華大學出版社·2004·11234 唐桃波, 陳玉林. 基于AT89C51的智能無線安防報警器 J. 電子設計應用, 2003, 5(6): 4951.5 高飛燕 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設計·信息技術·2005·41526 薛均義, 張彥斌. MCS-51系列單片微型計算機及其應用M. 西安: 西安交通大學出版

42、社, 2005.7 徐愛鈞, 彭秀華. 單片機高級語言C51應用程序設計M. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2006.8 康華光. 電子技術基礎（模擬部分）M. 北京: 高等教育出版社, 2004.附件1: 原理圖附件2：源程序#include <reg52.h>#include <intrins.h>#include <string.h>#include "eepom52.h"#define uchar unsigned char #define uint unsigned int/數(shù)碼管段選定義 0 1 2 3 4 56 7 8

43、9uchar code smg_du=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff; /斷碼/數(shù)碼管位選定義/uchar code smg_we=0xe0,0xd0,0xb0,0x70;uchar dis_smg8 =0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8;sbit smg_we1 = P34; /數(shù)碼管位選定義sbit smg_we2 = P35;sbit smg_we3 = P36;sbit smg_we4 = P37;sbi

44、t c_send = P32;/超聲波發(fā)射sbit c_recive = P33;/超聲波接收uchar flag_hc_value; /超聲波中間變量sbit beep = P23; /蜂鳴器IO口定義bit flag_key_b_en,flag_key_set_en; /按鍵蜂鳴器使能uchar smg_i = 3; /顯示數(shù)碼管的個位數(shù)bit flag_300ms ;bit key_500ms ;long distance; /距離uint set_d; /距離uchar flag_csb_juli; /超聲波超出量程 !不能用bit變量/uint flag_time0; /用來保存定時

45、器0的時候的long flag_time0;/ 按鍵的IO變量的定義uchar key_can; /按鍵值的變量uchar zd_break_en,zd_break_value; /自動退出設置界面uchar menu_shudu = 10; /用來控制連加的速度bit flag_lj_en; /按鍵連加使能bit flag_lj_3_en; /按鍵連3次連加后使能 加的數(shù)就越大了 uchar key_time,flag_value; /用做連加的中間變量uchar menu_1; /菜單設計的變量uchar a_a;int iBuff5;void choise(int *a,int n) /

46、選擇法排序 int i,j,k,temp; for(i=0;i<n-1;i+) k=i; /*給記號賦值*/ for(j=i+1;j<n;j+) if(ak>aj) k=j; /*是k總是指向最小元素*/ if(i!=k) /*當k!=i是才交換，否則ai即為最小*/ temp=ai; ai=ak; ak=temp; /*處理距離函數(shù)*/void smg_display()int Buff5;char i;if(distance = 95)return; /95去掉iBuff4 = iBuff3;iBuff3 = iBuff2;iBuff2 = iBuff1;iBuff1 =

47、 iBuff0;iBuff0 = (int)distance;for(i = 0; i<5; i+) Buffi = iBuffi;choise(Buff,5); /5個數(shù)排序distance = (long)Buff2; /取得5個值的中間值 EA = 0;dis_smg0 = smg_dudistance % 10;dis_smg1 = smg_dudistance / 10 % 10;dis_smg2 = smg_dudistance / 100 % 10 & 0x7f;EA = 1;/*把數(shù)據(jù)保存到單片機內(nèi)部eepom中*/void write_eepom()Sector

48、Erase(0x2000);byte_write(0x2000, set_d % 256);byte_write(0x2001, set_d / 256);byte_write(0x2058, a_a);/*把數(shù)據(jù)從單片機內(nèi)部eepom中讀出來*/void read_eepom()set_d = byte_read(0x2001);set_d <<= 8;set_d |= byte_read(0x2000);a_a = byte_read(0x2058);/*開機自檢eepom初始化*/void init_eepom()read_eepom();/先讀if(a_a != 1)/新的

49、單片機初始單片機內(nèi)問EEPOMset_d = 100;a_a = 1;write_eepom();/*獨立按鍵處理函數(shù)*/void key()static uchar key_new = 0,key_old = 0,key_value = 0;if(key_new = 0) /按鍵松開的時候做松手檢測if(P2 & 0x07) = 0x07)key_value +;else key_value = 0;if(key_value >= 5)key_value = 0;key_new = 1;flag_lj_en = 0;/關閉連加使能flag_lj_3_en = 0;/關閉3秒后使

50、能flag_value = 0;/清零key_time = 0;write_eepom();else if(P2 & 0x07) != 0x07)key_value +; /按鍵按下的時候else key_value = 0;if(key_value >= 5)key_value = 0;key_new = 0;flag_lj_en = 1; /連加使能zd_break_en = 1; /自動退出設置界使能zd_break_value = 0; /自動退出設置界變量清零flag_key_b_en = 1; /按鍵蜂鳴器使能key_can = 20;if(key_500ms = 1)/連加key_500ms = 0;key_new = 0;key_old = 1;zd_break_value = 0;if(key_new = 0) && (key_old = 1)switch(P2 & 0x07)case 0x06: