超声波测距仪说明书

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1、覘衣Nt衣尊HOffFI UNIVERSfir Of TIEHHOLDSY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311课题设计及意义312设计内容32超声波测距设计原理及方案选择 321超声波测距原理32. 2设计方案43硬件选择与设计 53.1单片机的选择 632超声波模块的选择 63.2.1 HCSR04超声波模块时序图 73.2.2 HCSR04模块的使用 83. 3数码管的选择83.4硬件电路的设计94软件部分设计 95数据处理及误差分析 116设计体会与总结 11附录 13附录I：超声波测距

2、仪系统实物图 错误！未定义书签。附录II：程序代码13附录皿:参考文献 151绪论11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

3、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。12 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

4、。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21 超声波测距原理超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一， 超声波对色彩，光照度，外界光线和电磁场不敏感，因此超声波测距对于被测物 处于黑暗，有灰尘或烟雾，强电磁干挠，有毒等恶劣的环境下有一定的适用能力， 在液体测位，机器人避障和定位，倒车雷达、物体识别等方面有广泛应用。而且 超声波传播不易受干挠，因而经常用于距离的测量。在某一时刻给超声波发生器

5、施加40 khz方波信号，发生器发出超声波，遇 到被测物体后反射回来，被超声波接受器接受到。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 立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时就可以计算出被测物体的 距离d=s/2=(vt)/N其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的 路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用时间。这 就是所谓的时间差测距法。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，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间 差计算出发射点到障碍物的实际距离。2

6、.2 设计方案为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能 的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感 器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将 电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距仪利用超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远的特点测量两点之间的距离的仪器。这个设计就是利用超声波传输中的距离与时间的关系，采用了 STC89C52单片机对超声波仪进行控制及数据处理，设计出了能够精确测量两点间距离的超声波测距仪。该测距仪主要是由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模

7、块、接收模块所构成。其中采用STC89C52单片机作为主控模块，用来控制超声波的发出和接收，并且计算距离。用超声波模块HC-SR04发出和接受超声波，用3位数码管作为显 示模块。本次设计的超声波测距仪，具有迅速、操作方便、计算简单、易于做到 实时控制，并且测量精度较高的特点。测量范围可达到25cm350cm，其误差1cm 左右。在理论分析上达到了本次课设的要求。超声波测距仪原理框图如下图：图 1 超声波测距仪原理框图3硬件选择与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STC89C52RC系列。采用11.0594MHz高精度 的晶振，

8、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P3.2端口监测超声波接收电路 输出的返回信号，使用T0定时器来发射方波脉冲。显示电路采用简单实用的4 位共阴LED数码管，用0.5k排阻驱动。3.1单片机的选择在这个设计中单片机选用的是STC89C52（如图3）,它内部集成了功能强大的 中央处理器。具有以下标准的功能：32个I/O 口线，看门狗（WDT）, 4k字节的 Flash闪速存储器，128字节的内部RAM, 个向量两级中断结构，两个16位定 时/计数器，两个数据指针，片内振荡器及时钟电路，一个全双工串行通信口。 CPU的工

9、作在空闲方式下停止，但允许RAM,定时/计数器，串行通信口及中断 系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所 有部件工作直到下一个硬件复位。STC89C52 集成了几乎完善的 8 位中央处理单元，处理功能强，中央处理单 元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加，减，乘，除法器和布尔处理机以 及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。STC89C52 把微型计算机的大部分的部件都是集成在一个芯片上，所以达达 缩短了数据传输距离，具有更高的可靠性，和更快的运行速度，由于微型计算机 已经芯片化了，所以各功能部件的布局和结构在芯片中已经达到最优化，加强了 抗干

10、扰能力，工作也相对稳定。它是40引脚双列直插分装方式（如图2 ） 。1234567c891 01 11 21 31 41 51 61 r1 /1 81 9-0P1P1P1P1P1P1P1P101234567R STP3P3P3P3P3P3P3P3V CCP0P0P0P0P0P0P0P00123456.70 /R1 /T x2 /IN T03 /IN T14 /T 05 /T 16 /W R7 /R DX TA L2X TA LIG NDEA /Vp pA LE/ PR O GPS ENP2P2P2P2P2P2P2P276543210403938363534卄282+图3 STC89C52引脚图

11、3.2超声波模块的选择在超声波测距仪设计中，采用 HY-SRF05 超声波模块（如图 3），它性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。可以用来设计机器人避障、物体测 距、 液位检测等领域。图4 HY-SRF05超声波模块HC-SPQ1HY-SRF05 超声波测距模块设计的嵌入式系统这样的项目。它的分辨率为 0.3 和测距距离为2cm至400厘米。它采用一个5V直流电源供电，待机电流小于2mA。 该模块发送的超声波信号，拿起其回波，测量所经过的时间之间的两个事件和输 出波形，其高的时间是由测得的时间的距离成正比的调制。3.2.1 HY-SRF05超声波模块时序图T Tan smilerOUt

12、DUL图5 HY-SRF05时序图Wkfth proparticnal ta rneasuredl dUBtence-从时序图中，可以看到的40kHz脉冲串传输的的10US触发脉冲后的回声输 出后，得到一些更多的时间。只有后回波消失，这个时间段被称为循环周期，可 以给出的下一个触发脉冲HY-SRF05的循环周期必须不低于50毫秒。根据数据表， 就可以计算出距离。3.2.2 HYSRF05模块的使用初始化时将trig和echo端口都置低，首先向给trig发送至少10 us的高电 平脉冲（模块自动向外发送8个40K的方波），然后等待，捕捉echo端输出上 升沿，捕捉到上升沿的同时，打开定时器开始计

13、时，再次等待捕捉echo的下降 沿，当捕捉到下降沿，读出计时器的时间，这就是超声波在空气中运行的时间， 按照如下计算公式：测试距离=（高电平时间*声速（340m/s）/2就可以算出超声波到障碍物的距离。3.3数码管的选择在本设计中采用共阴极显示模块（如图5），个数为4个。LED显示块与单片 机接口非常容易，只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚连接即 可。EatelomRndIH图6显示电路设计3.4 硬件电路的设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产 生：内部时钟方式和外部时钟方式，在这个设计中采用的是内部时钟方式。单片 机内部有一个高增益反向放大器，

14、用于构成内部震荡器，引脚XTAL1和XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振 器，就构成了稳定的自激震荡器，其发生的脉冲直接送入内部时钟发生器，见图 5。外接陶瓷谐振器时，电容约为22pF。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器 稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近。在这儿采用 了震荡频率为11.0592MHz的晶振。4软件部分设计超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序 及显示子程序组成。超声波测距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）。软件分为两部分，主

15、程序和中断服务程序，主程序完成初始化工作、超声波 发射和接收顺序的控制、计算距离、输出显示。定时器T0中断服务子程序完成 超声波的间隔发射、定时器T1完成超声波发射到接收计时、外部中断服务子程 序主要完成时间值的读取、接收超声波成功标志设置等工作。主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0、T1工作模式为16位定时 计数器模式，置位总中断允许位EA=1、打开外部中断、设置负跳变有效，为定 时器T0赋初值。然后等待接收超声波，没有接到超声波报警灯亮，继续等待，定时器TO时间溢出将产生中断，调用超声波发生子程序送出8个超声波脉冲， 为了避免超声波发射计时错误，在发射前将计时器T1关闭、清零，发射

16、完成后 再次启动定时器T1，接着重新为定时器TO赋初值。P1.0端口接收到超声波，电平负跳变产生，调用外部中断子程序。接着关闭 定时器TO、T1、外部中断，然后读取时间值，设置接收成功标志，并将定时器 T1清零。由于采用的是12MHz的晶振，计数器T1每计一个数就是0.5 口 S,当主 程序检测到接收成功的标志位后，将定时器T1中的数(即超声波来回所用的时 间)按下式计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取10C时的声 速为338 m/s，取其近似值340m/s则有：d=(cXt)/2=(340*T1/1000000)*100cm=0.034*T1cm其中，T1为计数器T1的计算值。测

17、出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED,然后再进入主程序中等待 超声波发射，中断产生发超声波脉冲重复测量过程。利用定时器T0、计数器T1、外部中断有利于程序结构化、条理清晰和容易计算出距离。超声波测距软件设计流程图如下：图 8 主程序图9 定时中断图 10 外部中断5数据处理及误差分析数据处理用超声波测距仪测得的数据如下（表 1）表 1 所测数据标准数据5.0010.0015.0020.0025.00测量数据（/cm）4.989.9514.8617.9524.184.869.8814.9018.2624.264.929.7014.7518.4924.48平均值4.929.8414.841

18、8.2324.31对表1 中数据进行拟合，如图 11图 11 数据拟合由上图拟合出超声波测距数学模型为：y=0.9280x+0.4640。6设计与体会这一次的课程设计要用到超声波来测量距离，这是一个我们之前没有接触到 的题材。一开始我们都没有很清晰的思路，只能在摸索中前进。本次课程设计 只有短短一周，但让我对所学的电路知识及刚刚上学期学习的单片机知 识有了更深的理解，同时这也是难得的一次理论与实践相结合的机会，以前只是 在书本上学单片机可实现的很多功能，还有各种中断，但却没有机会实践，一直 只有理论的学习，通过这次课程设计我才真正了解其中的原理。刚开始我拿到题目的时候不知道应该怎么做，查完资料

19、后，自己大概知 道了电路需要哪些模块，下来就是针对每个模块进行具体设计，同时我还要进行 一些仿真，其中应用哪些电阻，电容，这都要通过仿真来确定，期间遇到很多困 难，都是团体同伴帮助我的，这也让我认识到团体的合作精神。通过本次课程设计我不光复习了模电知识及单片机知识，锻炼了动手能力， 同时也熟悉掌握了 pro teus仿真软件和Pro tel电路设计软件的使用，对于我们 测控专业的学生来说，Pro teus和Pro tel是必须掌握的电路仿真软件，这次课 程设计给我提供了一个很好的机会锻炼自己的实践能力，我想对于我们工科学生 来说动手能力是很重要的，以前每天只是在教室里面学习理论知识，而没有机会

20、 将理论与实践结合起来。这次课设提高了我们的动手实践能力。超声波测距之前有同学做过，也跟我 简要介绍过。这个题材当时在我看来感觉很难很高端，直到这次自己和同组同学 也把这个课题的实物做出来后，我便真正了解这个课题的思路，知道自己也是能 够运用所学过的理论知识将这个小设计完成的，这增强了我的自信。希望自己在 今后的学习过程中能够继续加强实践能力，这是成为一个合格的工程师的必经之 路。感谢学校给我们提供了这次宝贵的动手实践机会，通过动手操作，我们学到 了许多书本上没有的知识，而且更加巩固了所学知识，真正做到了所学即所用。附录附录I:实物图图 12 实物图附录II:程序代码#include#defi

21、ne uchar unsigned char#define uint unsigned intuint time,timeH,timeL,succeed_flag;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;sbit trig=PO；/超声波激励信号口sbit echo=P39;/超声波返回信号口sbit baiw=P2A2;sbit shiw=P2A1;sbit gew=P2A0;uint distance,distanceO,X,Y,a;/

22、按键延时发射方波的周期（10us）/数码管显示void delayms(uint xms) uint i,j;for(i=xms;i0;i-) for(j=110;j0;j-);void delay_10us() for(a=0;a1;a+); void display(uint temp) P2=0xfe;P0=leddatatemp/100;delayms(1);P0=0x00;P2=0xfd;P0=leddatatemp%100/10;delayms(1);P0=0x00;P2=0xfb;P0=leddatatemp%100%10+0x80;delayms(1);P0=0x00;P2=0

23、xf7;P0=leddatatemp%10; delayms(1);P0=0x00; void main()trig=0;distance=0;EA=1; /开总中断TMOD=0X11;/定时器的工作方式TH0=(65536-50000)/256;/发射方波的间隔TL0=(65536-50000)%256;while(1) ET0=1; /开启定时器0中断TR0=1;/开启定时器 0EX0=1;/开启外部中断IT0=1;/外部中断 0 触发方式为电平触发while(echo=1) for(Y=0;Y5;Y+)display(distance0); if(succeed_flag=1) time

24、=timeH*256+timeL; /读取时间 distance=time*0.034/2;/计算距离distance0=distance*0.9280+0.4640; 拟合曲线succeed_flag=0; display(distance); void exter() interrupt 0 TR0=0;TR1=0;EX0=0;timeH=TH1; timeL=TL1; succeed_flag=1;TH1=0;TL1=0; void maichong() interrupt 1 TR1=0;TH1=0;TL1=0;for(X=0;X8;X+)trig=1; delay_10us(); t

25、rig=0; delay_10us();TR1=1;TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256;/外部中断接受超声波/定时器0 初始化/定时器1 初始化/定时器 T0 发射 8 个超声波附录III:参考文献1 康华光陈大钦，等.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社2003年2 谭浩强.C程序设计（第二版）.清华大学出版社.1999年3 李全利.迟荣强.单片机原理及接口技术.高等教育出版社.2004年4 郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社.2008年5 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化.2003.106 时德刚.刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制.2002.107 华兵.MCS-52单片机原理应用.武汉.武汉华中科技大学出版社.2002.5