基于MSP430 launchpad超声波测距系统
目录
摘要 (2)
第1章绪论 (4)
1.1 课题研究的背景 (4)
1.2 课题研究的意义 (4)
1.3 论文结构 (5)
第2章超声波测距原理 (6)
2.1 超声波简介 (6)
2.2 超声波测距原理 (6)
第3章方案论证 (8)
3.1 设计思路 (8)
3.2 系统结构设计 (9)
第4章主要元件介绍 (10)
4.1 单片机MSP430 launchpad M430G2553 (10)
4.2 超声波传感器HC-SR04 (11)
第5章硬件电路设计 (14)
5.1 超声波发射电路 (14)
5.2 超声波接收电路 (14)
5.3 显示电路 (15)
5.4 电源电路 (17)
5.5 复位电路 (17)
第6章软件设计 (18)
6.1 主程序流程 (18)
6.2 子程序设计 (20)
6.2.1 超声波发送子程序及超声波接收中断子程序 (20)
6.2.2 测温子程序 (21)
6.2.3 距离计算子程序 (22)
第7章软件调试及系统仿真 (23)
7.1 软件编译调试环境——IAR (23)
7.2 IAR 工程文件的建立、设置与目标文件的获得 (23)
7.2.1 IAR 工程的建立 (23)
7.2.2 工程的详细设置 (25)
7.2.3 编译、连接 (26)
7.3 误差及特性分析 (28)
结论 (29)
参考文献 (30)
致谢 (31)
附录1 相关设计图 (32)
附录2 元器件清单表 (34)
附录3 主要程序 (35)
摘要
本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由AT89C430控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，用四位LED数码管切换显示距离和温度。整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。
关键词：AT89C430，超声波，温度补偿，测距
ABSTRACT
The design introduces the principle of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMC-controlled: AT89C430 controls timers to produce the ultrasonic wave pulse and time,count the time of ultrasonic wave spontaneous emission to receive round-trip,thus obtains the measured distance.And the temperature compensation adjustment is used in the data processing, with four LED nixie tubes display distance or temperature by switching.The entire hardware circuit is composed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the power circuit, display circuit, and other modules. The probe signals are integrated analysised by SCMC to achieve the various functions of ultrasonic distance measurement instrument.Based on this has designed system's overall concept, final adoption of hardware and software to achieve the various functional modules. The relevant parts have the hardware schematics and process flow chart.It has given the system constitution, the circuitry and the programming. The instrument system has features: ease of control, stability of operation, highness of precision and distinctness of programme process ,etc. After the realization of the works can be used for needs of the various parameters measured distance applications.
Keywords:AT89C430, Ultrasonic wave, Temperature compensation, Measure distance
第1章绪论
1.1 课题研究的背景
人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。
随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题。毋庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
1.2 课题研究的意义
在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于
AT89C430单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。
1.3 论文结构
论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。
第2章先就超声波测距的原理进行介绍，并提出了提高测距的精度的方案——温度补偿，且描述了其具体补偿方式。
第3章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，并得出了系统结构框图。
第4章介绍了设计中需要用到的主要器件，且因其在本设计的作用不同而详尽程序亦不同。
第5章从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。
第6章先给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释。
程序编译及系统仿真也是本文的一个要点，所以特别分出一章来详细介绍了程序编译的环境和编译的步骤以及仿真的环境和部分仿真的效果图。
第2章
超声波测距原理
2.1 超声波简介
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，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20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”。通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。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 超声波测距原理
超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离D 为
ct D 2
1
（2.1） 式中 c ——超声波的传播速度；
t 2
1
——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。 由上式可风，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度
由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz 的晶振，使机器周期为精确的1μs,不会产生累积误差，使定时间达到1μs 。超声波的传播速度c 并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为
K
T
c M
RT
c 27310+
==
γ （2.2） 式中 γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。 R ——气体普适常数，为8.314kg/mol 。
T ——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t 。 M ——气体相对分子质量，空气为28.8×10-3kg/mol 。 c 0——0℃时的声波速度，为331.4m/s 。
由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系，如表2.1所示。温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0℃时的速度为332m/s ，30℃时的速度为350m/s ，相差18m/s 。因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s 。
表2.1 超声波传播速度与温度关系表
第3章方案论证
3.1 设计思路
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331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M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：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通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，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
目前超声波测距已得到广泛应用，国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、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。以80430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CPU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，位RAM、ROM （EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。所以，80430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位处理则在数据采
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，可以采用AT89C430单片机作为主控制器，它控制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产
生超声波；超声波信号的接收采用锁相环LM567对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（此频率主要由RC 值决定），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，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；AT89C430还控制显示电路，用动态扫描法实现LED数字显示。
3.2 系统结构设计
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、温度传感器、键盘、LED显示电路及电源电路组成。系统主要功能包括：
1)超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；
2)检测空气温度用于距离计算的补偿；
3)LED显示器显示距离；
4)键盘接收用户命令并处理；
5)当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位。
图3.1 超声波测距仪系统结构框图
第4章主要元件介绍
4.1 单片机MSP430 launchpad M430G2553
简介
单片机即单片微型计算机SCMC（Single Chip MicroComputer）。它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如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）、中断系统、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MCU （Microcontroller Unit）。相对于普通微机，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EMCU（Embedded Microcontroller Unit)。
简介
MSP430 LaunchPad是一款易于使用的闪存编程器和调试工具，它提供了在MSP430 超值系列器件上进行开发所需的一切内容。它提供了具有集成仿真功能的14/20 引脚DIP 插座目标板，可通过Spy
Bi-Wire（2 线JTAG）协议对系统内置的
MSP430 超值系列器件进行快速编程和调
试。由于MSP430 闪存的功耗极低，因此
无需外部电源即可在数秒内擦除闪存并对
其进行编程。LaunchPad 将MSP430 器件
与Code Composer Studio 版本 4 或IAR
嵌入式工作平台等集成软件环境相连接。
MSP430 超值系列器件上的这些IDE 是免
费且非受限的软件。LaunchPad 支持所有采
用14 或20 引脚DIP 封装（TI 封装代
码：N）的MSP430G2xx 闪存器件。
LaunchPad 还采用用于定制项目和应用的
板载可编程LED 和按钮！10 引脚PCB
连接器还可用于连接LaunchPad 和附加器件
特性
实现在采用14 或20 引脚DIP (N) 封装的所有MSP430 超值系列器件上的开发。
LaunchPad 的集成仿真器接口将基于闪存的MSP430 超值系列器件与PC 相连接，可通过USB 实现实时系统内编程和调试
包含一根可与PC 相连接的微型USB 电缆
现已推出可供免费下载的IAR Kickstart 和Code Composer Studio 版本 4 集成开发环境，它们包含汇编器、连接器、仿真器、源码级调试器和 C 编译器。MSP430 超值系列器件上的这些免费IDE 是非受限的软件。符合RoHS
4.2 超声波传感器HC-SR04
１、本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。模块高精度，盲区（2cm）超近,稳定的测距是此产品成功走向市场的有力根据！
2主要技术参数：
1：使用电压：DC5V 2：静态电流：小于2mA
3：电平输出：高5V 4：电平输出：底0V
5：感应角度：不大于15度6：探测距离：2cm-450cm
7: 高精度可达0.2cm
接线方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND
3模块工作原理：
(1)采用IO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)有信号返回，通过IO输出一高电平，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;
超声波模块原理图:
第5章 硬件电路设计
5.1 超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图5.1所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz 的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
图5.1 超声波发射电路原理图
5.2 超声波接收电路
超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求。锁相环LM567内部压控振荡器的中心频率为)211.1/(10C R f P ，锁定带宽与C3有关。由于发送的超声波频率为40kHz ，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为40kHz ，只响应该频率的信号，避免了其他频率信号的干扰。
当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz，则从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。超声波接收电路如图5.2所示。
图5.2 超声波接收电路
5.3 显示电路
显示电路采用LCD43010显示，该模块具有以下特点：
●84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字，
●采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。支持多种串行通信协议（如A VR 单片机的ＳＰI、MCS430 的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。
●可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。
●LCD 控制器／驱动器芯片已绑定到LCD 晶片上，模块的体积很小。
●采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA 以下，且具有掉电模式。
LPH7366 的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中
5.4 电源电路
电源电路如图5.4所示。为方便起见，本设计采用的是9V电池供电，直流电送入三端稳压器LM7805稳压，输出+5V稳恒直流电，作为电路的电源。LED是电源指示灯，通电后发光。
图5.4 电源电路
5.5 复位电路
AT89C430复位有一个专用的外部引脚RESET，外部可通过此引脚输入一个正脉冲使单片机复位。所谓复位，就是强制单片机系统恢复到确定的初始状态，并使系统重新从初始状态开始工作。本设计采用的是电平式开关与上电复位电路，为了能使运行中的系统，经人工干预，强制系统进行复位。其电路图如5.4所示：
图5.4 复位电路
第6章软件设计
6.1 主程序流程
我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。
因为本设计对时间要求精度较高的部分全部由单片机内部的定时器完成，而虽然温度传感器的读写对时间精度要求也高，但经详细计算所得出的C程序已被广泛应用，故直接借用已有程序也能作到对温度的准确读取，所心本设计全部使用C语言编程，这样能使设计中所用到的公式能方便快捷的体现和实现，又缩短了论文的篇幅。
软件采用模块化设计方法，由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断子程序、温度测量子程序、距离计算子程序、显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成。
图6.1为主程序流程图。
系统上电后，首先系统初始化，不断扫描按键k1，若按键k1按下，则开始测量空气温度，然后将P1.0置位，使定时器T0开始定时，控制超声波传感器发出超声波，同时使定时器T1开始定时。CPU循环检测P3.3引脚，当P3.3为低电平时接收到回波，立即使T1停止工作，保存定时器的计数值。
然后根据温度和传输时间计算距离，温度补偿措施使测量精度有了明显提高，计算出距离后调用距离显示子程序，LED显示距离。
最后检测按键k2，若k2闭合，则LED显示温度（5s后恢复显示本次测量距离；若按键k2没有闭合，则显示器恒定显示最新一次的测量结果；若要进行下一次测量，则先要按下k3重新开始，再按下按键k1才执行新一次测量。由于不需输入数据，键盘只设置了1个按键，用于复位。
6.2 子程序设计
6.2.1 超声波发送子程序及超声波接收中断子程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T1打开进行计时，定时器T1
工作在方式0。
超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波INT引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器信号（即1
T1停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返
回信号，则定时器T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成功。
T0中断服务程序如下：
sbit send=P1^0;
void timer0(void)interrupt 1
{ send=!send;
TH0=0x1f;
TL0=0xf4;
}
超声波接收（外部中断1）程序：
void int1(void)interrupt 2
{ if(TH1!=0x00&&TH0!=0x00)
{ b=1;
TR1=0;
TR0=0;
t=TH1*256+TL1;
t=t/1000000;
TH0=0x1f;
TL0=0xf4;
TH1=0x00;
TL1=0x00;
51单片机超声波测距程序
//晶振:11.0592 //TRIG:P1.2 ECH0:P1.1 //波特率：9600 #include
{ j=10; while(--j); } } } void zd0() interrupt 1 //T0中断用来计数器溢出，超出测距范围{ flag=1; //中断溢出标志 } void StartModule() //T1中断用来扫描数码管和计800ms启动模块{ TX=1; //800MS启动一次模块 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TX=0; } void main(void) { TMOD=0x21; //设T0为方式1,GATE=1; SCON=0x50; TH1=0xFD; TL1=0xFD; TH0=0; TL0=0;
超声波测距系统设计
目录 一、课程设计目的 (2) 二、内容及要求 (2) 2.1、设计内容 (2) 2.2、设计要求 (2) 三、超声波传感器的工作原理 (2) 四、系统框图 (3) 五、单元电路设计原理 (3) 5.1、51系列单片机的功能特 (4) 5.2、超声波发射电路 (4) 5.3、超声波检测接收电路 (5) 六、完整的电路图………………………………………………………………… 七、程序流程图 (6) 八、参考文献 (7) 九、设计中的问题及解决方法 (7) 十、总结 (7)
一、课程设计目的 通过《传感器及检测技术》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、内容及要求 超声波测距系统设计 2.1设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量范围：30cm～200cm。 3）误差＜0.5cm。 4）其它。 2.2设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。 三、超声波传感器的工作原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。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农业生产等自动化的使用要求。 目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89C51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 理论计算 如图1所示为反射时间法，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式(T/2) C S=其中，S为被 * 测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T2 =），这样可以求出距离： T1 T+
10米超声波测距仪设计实现
10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪，可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米，测量精度1cm，测量时与被测物体不接触，并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1．单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波换能器所需的40Hz方波信号，利用外中断0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳极LED数码管，段码用74LS244驱动，位用PNP8550驱动。 2．超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3．超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片，可利用它做接收电路。 4．系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序：
开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化，设置T0为方式1，EA=1，P0，P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器，需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz，计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s，则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序：通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号，脉宽12us，同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波，一旦接收到返回的信号，立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波
基于51单片机的超声波测距毕业设计(论文)
一设计题目基于51单片机的超声波测距 二设计者 姓名班级学号组号 三、设计思路及框图、原理图 任务：以单片机为核心，设计并制作一超声波测距系统基本要求： 利用时间差测距，不考虑温度变化 用数码管显示测试结果 工作频率：450kHz 测距范围：0.5~10米 测试精度： 10% 发挥部分尽量增大测控范围，提高测试精度 1.系统的硬件结构设计 1.1. 超声波发生电路 发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的450kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。 1.2超声波检测接收电路 采用集成电路CX20106A为超声波接收芯片。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电
容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 1.3 显示电路 显示电路主要由74ls273芯片驱动，用PNPC8550三级管进行位选，七段共阳极数码管显示。 2.系统的软件结构设计 设计思路 主程序中包括温度补偿子程序，计算子程序，显示子程序。采用汇编编程。首先进行系统初始化。其次利用循环产生4个40KHZ的方波，由输出口进行输出，并开始计时。第三等待中断，若超声波被接收探头捕捉到，那么通过中断可测得
超声波测距系统设计
中北大学 物联网工程专业 无线传感器网络课程设计 报告 课题名称：超声波测距系统设计 班级： 13270841 指导教师：马永 开设时间： 2016 年 6 月
目录 一、课程设计目的 (1) 二、课程设计题目 (1) 三、课程设计内容、要求 (1) 1、设计内容 (1) 2、设计要求 (1) 四、传感器工作原理 (1) 1.超声波传感器 (1) 2.温度传感器DS18B20 (3) 五、系统框图 (3) 六、单元电路设计原理 (4) 1、超声波发射电路 (4) 2、超声波检测接收电路 (4) 3、单片机最小系统 (5) 3.1、STC89C52芯片 (5) 3.2 复位电路 (5) 3.3 晶振电路 (6) 4、显示部分 (7) 5、温度检测电路 (7) 七、软件设计与系统调试 (8) 1、主程序流程图 (8) 1.1发射程序与接收程序流程图 (9) 1.2 中断子程序流程图 (10) 1.3 距离计算与显示子程序 (11) 2.系统调试 (12) 八、设计中的问题及解决方法 (12) 九、总结 (13) 十、参考文献 (14)
一、课程设计目的 通过《无线传感器网络》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、课程设计题目 超声波测距系统设计 三、课程设计内容、要求 1、设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。采用发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。根据温度传感器DS18B20所采集的温度数据来修正测距系统中的声速，从而使超声波测得的距离更准确。 功能：1）所有测距和温度数据均通过液晶显示器LCD1602 显示出来，距离精确到毫米，温度精确到小数点后一位（单位：摄氏度）。 2）测量范围：30mm～2000mm。 3）误差＜5mm。 4）其它。 2、设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图 四、传感器工作原理 1. 超声波传感器 本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波传感器分机械方式
基于单片机的超声波测距
测控技术与仪器专业课程设计报告 班级姓名学号起始时间 课程设计题目： 测控技术与仪器专业课程设计报告 摘 要：本文介绍了一种基于单片机的超声波测距仪的设计。详细给出了超声波测距仪的工作原理、超 声波发射电路和接受电路、测温电路、显示电路等硬件设计，以及相应的软件设计。设计中采用升压电路，提高了超声换能器的输出能力；采用红外接收芯片，减少了电路间相互干扰，提高了灵敏度;同时，考虑了环境温度对超声波测距的影响，采用温度传感器，提高了测量精度。该设计试验运行良好，系统结构简单、操作方便、价格低廉，具有广阔的推广前景。 关键字：超声波测距仪；超声波换能器；单片机；温度传感器 1 对题目的认识和理解 目前，常用的测距方法主要有毫米波测距、激光测距和超声波测距三种。超声波测距较前两种测距方法而言，具有指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小等特点，广泛应用于如井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。 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331.45m/s ，由单片机负责计时，单片机使用12.0M 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是：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通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。 本设计选用频率为40kHZ 左右的超声波，它在空气中传播的效率最佳。由于超声波测距主要受温度影响较大，所以本设计增加了温度补偿电路。本设计具有电路简单、操作简便工作稳定可靠、测距精确和能耗小、成本低等特点，可实现无接触式测量，应用广泛。 1.1 超声波测距原理 超声波测距是通过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反射回来，超声波接收器收到回波就立即停止计时。根据计时器测出发射和接收回波的时间差t ，可以计算出发射点距障碍物的距离s ：2 = t c s ，其中t c 为超声波在空气中的传 播速度，它随温度的变化而变化，其变化关系如下：331.50.6=+t c T 式中T 为环境摄氏温度，可由温 度传感器获取。
超声波测距仪单片机课设实验资料报告材料
微机原理与单片机系统课程设计 业：专轨道交通信号与控制 级：班1305 交控
姓名：贺云鹏 学号： 201310104 指导教师：建国 交通大学自动化与电气工程学院 30 日 12 2015 年月 超声波测距仪设计设计说明1 设计目的1.1 测量声波在发超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍射后遇到障碍物反射回来的时间，物的实际距离。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。 超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。 1.2 设计方法 本课题包括数据测距模块、显示模块。测距模块包括一个HC-SR04超声波测距模块和一片AT89C51单片机，该设计选用HC-SR04超声波测距模块，通过单片机对超声波进行计时并根据超AT89C51发射和接受超声波，使用HC-SR04．声波在空气中速度为340米每秒的特性计算出距离。显示模块包括一个4位共阳极LED数码管和AT89C51单片机，由AT89C51单片机控制数码管动态显示距离。 1.3 设计要求 采用单片机为核心部件，选用超声波模组，实现对距离的测量，测量距离能够通过显示输出(LED，LCD)。 2 设计方案及原理 2.1超声波测距模块设计
高精度超声波测距系统设计
高精度超声波测距系统设计。 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差， 然后按照下式计算，即可求出距离： 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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， 因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上， 给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播 的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μｓ的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在 1 mm的测量范围内。
超声波测距系统设计
摘要 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。 介绍了一种以A T 89C2051 单片机为核心, 利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Psp ice 对硬件的主要部分进行了模拟仿真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进, 电路达到了预期的效果。 关键词：AT89C2051; 超声波；测距 Abstract With the development of science and technology, the improvement of people's tandard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban rainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However,due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction.Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. A kind of u lt rason ic telem eter based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem eter is provided w ith som e m er it s such as low co st and h igh2accu racy becau se of the u lt rason ic w ave character ist ic. The hardw are p r incip le elect r ic circu it and them ain sof tw are design idea are show ed. The sim u lat ion of the m ain par t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A t last, acco rding to the theo ret ical analysis and the exper ience som e imp rovem en t s of the design are m ade. The system has ach ieved the an t icipated effect. Key words:AT89C2051; Silent Wave；Measure Distance
基于单片机的超声波测距系统设计
基于单片机的超声波测距系统设计 ［摘要］超声波技术是一项应用十分广泛的实用的非接触式技术。它具有传播距离远、聚向性能好、能源在传播过程中消耗缓慢等优点，而超声波测距更是借助了超声波的上述优点外还有如原理简单易懂、相关配件价格实惠等优势而被大量推崇。文章首先介绍超声波测距的测距原理和系统构架，然后分别对制作超声波测距的硬件电路和软件编程思路进行阐述，最后介绍调试超声波测距仪中的一些测试结果。 ［关键词］单片机；超声波；测距系统 众所周知，城市轨道交通的检修为了不打扰正常的运营通常放在半夜进行，而在此过程中如要进行一些非接触式的检测项目时，往往由于现场的光线昏暗或是检测条件有限，通常是由检修的老员工通过自己多年的经验来主观判断是否存在误差。这样凭自己的主观工作经验而下的判断无疑是给列车的安全出行埋下了安全隐患。超声波测距技术正是一项非接触式的测距技术，它具有传播距离远、能量消耗少、聚向性能佳等优势，特别适用于传播媒介是空气的应用环境之中。由于在空气中波速较慢，因此容易检测出反射信号的信息，具有很强的分辨能力。同时，它能做到实时控制和检测可靠优势而使其具有很高的工业实用价值，因此它被广泛地应用，而且价格相对低廉，不会给企业和个人使用增加太多的成本负担。一、超声波测距的工作原理 目前超声波的测距原理主要有三种方式：分别是渡越时间检测
法、相位检测法和声波幅值检测法[1] 。相位检测法虽然通过相位之间的角度计算能够得出比较高的精确度[2]，但是计算方式比较复杂，而且相关的硬件设备价格较贵；而采用声波幅值检测方法的话，主要的瓶颈在于它容易受到反射波的干扰，而造成灵敏性和精确度不高[3]。综合比较下来，渡越时间检测法的检测原理简单易懂同时反射波也不会对其造成干扰而使其灵敏度和精确度下降，最终笔者选择的超声波测距原理是渡越时间检测法。 渡越时间检测法的原理就是：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间[4]。而用在传媒介质为空气中声波的速度乘以该渡越时间就可以得出我声波总 的传播距离。由于该距离是发射到发射面后再有接收端口接收到的，因此实际的距离则是之前声波乘以渡越时间的一半。而对于时间的计算则是通过51单片机的内部定时器来实现。 测距的具体过程如下：通过超声波发射装置向某一方向或是某一反射面发射超声波，同时激发单片机内部的定时器开始计时。在超声波发射后遇到障碍物则被反射回来，之后被超声波的接收端所接收到；与此同时，单片机的内部定时器停止计时。那么在单片机的内部定时器中的这段时间就是渡越时间，之后将这段时间送给单片机进行读取并计算，最后单片机将最终的结果显示到数码管上。二、超声波测距系统的组成 整个测距系统的话主要是由c51单片机作为核心的控制系统以及发射模块、接收模块、报警模块、显示模块、电源模块等组成。具
基于单片机的超声波测距系统实验报告
基于单片机的超声波测距系统实验报告
一、实验目的 1.了解超声波测距原理； 2.根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路； 3.对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用 超声波方法测量物体间的距离； 4.以数字的形式显示所测量的距离； 5.用蜂鸣器和发光二极管实现报警功能。 二、实验容 1.认真研究有关理论知识并大量查阅相关资料，确定系统的总体设计方案，设计出系 统框图； 2.决定各项参数所需要的硬件设施，完成电路的理论分析和电路模型构造。 3.对各单元模块进行调试与验证； 4.对单元模块进行整合，整体调试； 5.完成原理图设计和硬件制作； 6.编写程序和整体调试电路； 7.写出实验报告并交于老师验收。 三、实验原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。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机理，单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号,经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入,锁相环对此信号锁定,产生锁定信号启动单片机中断程序,得出时间t,再由系统软件对其进行计算、判别后,相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。 （一）超声波模块原理： 超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提供 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：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，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。实物如下图1。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。
超声波测距系统设计
（一）题目 超声波测距系统设计 （二）内容及要求 1）设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LCD液晶显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量方式可通过硬件开关预置。 3）测量范围：30cm～200cm， 4）误差＜0.5cm。 5）其它。 2）设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。（三）传感器工作原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。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机理。 （四）系统框图 图1 超声波测距系统框图 （五）单元电路设计原理
1、AT89C2051的功能特点 AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。 AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0t Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。 图2 ATC2051示意图 2、LCD的工作原理 在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。 LCD器件是由背光源发射的光通过偏振片和液晶盒时，控制投
超声波测距电路
超声波测距电路 摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。 关键词：超声波；测距；FPGA实现 1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。 2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1℃,声波速度增加0.6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。 3超声波发生/接收器：为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。（可采用MA40LIS和MA40LIR） 4超声测距原理：最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度 补偿问题。 5系统设计：
基于51单片机的超声波测距系统
基于51单片机的超声波测距系统 贾源 完成日期：2011年2月22日
目录 一、设计任务和性能指标 (3) 1.1设计任务 (3) 1.2性能指标 (3) 二、超声波测距原理概述 (4) 2.1超声波传感器 (5) 2.1.1超声波发生器 (5) 2.1.2压电式超声波发生器原理 (5) 2.1.3单片机超声波测距系统构成 (5) 三、设计方案 (6) 3.1AT89C2051单片机 (7) 3.2超声波测距系统构成 (8) 3.2.1超声波测距单片机系统 (9) 图3-1：超声波测距单片机系统 (9) 3.2.2超声波发射、接收电路 (9) 图3-1：超声波测距发送接收单元 (10) 3.2.3显示电路 (10) 四.系统软件设计 (11) 4.1主程序设计 (11) 4.2超声波测距子程序 (12) 4.3超声波测距程序流程图 (13) 4.4超声波测距程子序流程图 (14) 五.调试及性能分析 (14) 5.1调试步骤 (14) 5.2性能分析 (15) 六.心得体会 (15) 参考文献 (16) 附录一超声波测系统原理图 (18) 附录二超声波测系统原理图安装图 (19) 附录三超声波测系统原理图PCB图 (20) 附录四超声波测系统原理图C语言原程序 (21) 参考文献 (26)
一、设计任务和性能指标 1.1设计任务 利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个超声波测距仪器，用LED数码管把测距仪距测出的距离显示出来。 要求用Protel 画出系统的电路原理图，印刷电路板，绘出程序流程图，并给出程序清单。 1.2性能指标 距离显示：用三位LED数码管进行显示（单位是CM）。 测距范围：25CM到 250CM之间。误差：1%。
超声波测距系统设计
超声波测距系统设计
论文题目：超声波测距系统设计 摘要 超声波具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，超声波测距作为一种有效的非接触式测距方法已被应用于多个领域。 本设计采用渡越时间法，硬件系统分为发射模块、接收模块、显示模块、中央处理模块四个部分。本设计采用STC89C52单片机作为微型中央处理器并由软件实现40kHz脉冲经放大电路从超声波发射探头T-40发射出超声波，接收探头R-40收到声波后经集成芯片CX20106A放大滤波整形后回送到单片机计算，通过发射与接收的时间差和声速计算出距离。本系统使用四位共阳极LED数码管显示距离，能实时显示即时距离。 经测试,在30cm～200cm范围内，误差能控制在2cm以内。根据实验数据进行了误差分析，并提出了解决方案，最后对超声波测距技术的发展进行了展望。通过系统的调试和测试，本设计基本完成了设计要求。 【关键词】单片机，超声波，测距，渡越时间法； 【论文类型】应用型
Title: The design of ultrasonic distance measurement system Major:Electronic and Information Engineering Name: Zhang Yankun Signature:_______ Supervisor: Zhang Xiaoli Signature:_______ ABSTRACT The advantages of ultrasound without the influence of outside light and electromagnetic fields and other factors , ultrasonic distance measurement as an effective non-contact distance measurement method has been used in many fields. This design uses the transit time method, the hardware system is divided into transmitter module, receiver module and display module, the central processing module. This design uses a microcontroller STC89C52 as micro central processing unit and 40 kHz pulse by the software, The ultrasonic emission from the ultrasonic probe the T-40 via the amplifier circuit. Acoustic
超声波测距仪说明书
自动测量及控制综合课程设计说明书 题目超声波测距仪 学院机械工程学院 班级 学生姓名 学号 指导老师 2015年1月18日
目录 1绪论 (3) 1.1课题设计及意义 (3) 1.2设计内容 (3) 2超声波测距设计原理及方案选择 (3) 2.1超声波测距原理 (3) 2.2设计方案 (4) 3硬件选择与设计 (5) 3.1单片机的选择 (6) 3.2超声波模块的选择 (6) 3.2.1 HC-SR04超声波模块时序图 (7) 3.2.2 HC-SR04模块的使用 (8) 3.3数码管的选择 (8) 3.4硬件电路的设计 (9) 4软件部分设计 (9) 5数据处理及误差分析 (11) 6设计体会与总结 (11) 附录 (13) 附录Ⅰ：超声波测距仪系统实物图................ 错误!未定义书签。 附录Ⅱ：程序代码 (13) 附录Ⅲ：参考文献 (15)
1绪论 1.1课题设计及意义 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前水平说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为种新型的非常重要的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；降低潜艇噪声，改善潜艇声纳的工作环境。 无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。 1.2设计内容 超声波测距仪的设计,由单片机控制超声发射装置发射超声波，当超声波遇到障碍物时，发生反射，再由接受装置接受超声波，由单片机计算从发射到接受的时间并计算出障碍到超声波发射器的距离。 在理解超声波测距原理的基础上，设计出基于51单片机为核心的超声波测距仪。该超声波测距仪，要求测量距离≤6m，测量精度要求优于1%,显示方式为数码管显示，具有RS-232通信能力，具有较强的抗干扰能力。测量时与被测物体无直接接触，能够清晰、稳定地显示测量结果。 2超声波测距设计原理及方案选择 2.1超声波测距原理
基于单片机的超声波测距仪设计
基于单片机的超声波测距仪设计
基于单片机的超声波测距仪设计 1总体设计方案介绍 1.1超声波测距原理 发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v 与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 表1-1 超声波波速与温度的关系表 表1-1 1.2超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED
显示。 图1-1 超声波测距仪原理框图 2 系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 2.1.1 51系列单片机的功能特点 5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：IP0，