超声波测距带有实物

单片机课程设计课题：超声波测距离

系别：电气与信息工程学院

专业：电子信息工程

姓名：管俊豪

学号：093411121

河南城建学院

2014年01月01日

成绩评定·

一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分

课程设计成绩评定

目录

1 绪论 (1)

1.1摘要 (1)

1.2 课题的提出及研究意义 (1)

1.2.1 课题的提出 (1)

1.2.2 课题的研究意义 (1)

2 超声波的介绍 (2)

2.1超声波测距的原理 (2)

2.2单片机实现测距的原理 (3)

2.3超声波测距误差分析 (3)

3 系统硬件设计 (4)

3.1总体方案设计介绍 (4)

3.2硬件电路设计 (5)

3.3 STC89C52单片机主要特性 (5)

3.4AT89C51管脚说明 (7)

3.5超声波发射和接收模组 (8)

3.6数据显示模块 (9)

3.7 STC89C52复位电路 (10)

4.系统程序的设计 (10)

4.1超声波测距器的算法设计 (10)

4.2 主程序 (12)

4.3 超声波发生子程序和超声波接收及显示程序 (13)

4.4调试及性能分析 (16)

4.5性能指示 (17)

5课程设计体会 (18)

6.附件 (19)

6.1控制源程序 (19)

6.2电路图 (23)

6.3实物整体图 (23)

7参考文献 (24)

1 绪论

1.1摘要

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。但就目前技术水平来说，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；大力降低潜艇自噪声，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。

本设计采用以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、中断程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。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。

1.2 课题的提出及研究意义

1.2.1 课题的提出

测距的原理和方法有很多，根据其信息载体的不同可归纳为光学方法、无线电方法和超声波方法。前两者在某些地方有局限性，相比之下，超声波方法具有突出的优点，首先，超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体);其次，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑

暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;最后，超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。因此超声波作为非接触测量手段，己越来越引起人们的重视。本课题设计为基于超声波的测距。

1.2.2 课题的研究意义

超声波测距是一种极有潜力的方法，近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。超声测量另一个突出优点是:环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛。更重要的是超声波检测降低了劳动强度，避免工人在恶劣工作环境下(高、低温，高、低压，强辐射，有毒气、液体环境等)受到伤害，还大大提高了测量精度，可靠性高;另外，超声波测距还可以应用到其他的功能系统中，例如在机器人避障系统、移动机器人避障的超声测距系统、智能机器人管家和简易智能电动车自动避障系统、车载系统、自动泊车系统、自动刹车系统和倒车雷达系统中，超声波测距也有其重要的应用。

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8051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，8051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。

2 超声波的介绍

2.1超声波测距的原理

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。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

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，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

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LM92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。

2.2超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差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。

1）时间误差

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。

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1mm的误差。使用的12MHz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89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

2）超声波传播速度误差

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。

已知超声波速度与温度的关系如下：

式中：r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，

T —绝对温度，273K+T℃。

近似公式为：C=C0+0.607×T℃

式中：C0为零度时的声波速度332m/s；

T为实际温度(℃)。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s，30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。

2.3单片机实现测距的原理

单片机发出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tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C 为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

3 系统硬件设计

3.1总体方案设计介绍

本文所研究的超声波测距仪利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时，停止计时。设超声波在空气中的传播速度为V，在空气中的传播时间为T，汽车与障碍物的距离为S，S=VT/2，这样可以测出汽车与障碍物之间的距离，然后在液晶显示屏1602上显示出来。

其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即逆压电效应是在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变，这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围内，这种机械波就是超声波。

本文所设计的超声波测距仪主要由STC89C52单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路、复位电路。

首先由单片机驱动产生12MHZ晶振，由超声波发射探头发送出去，在遇到障碍物反射回来时由超声波接收探头检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入单片机进行计算，把计算结果输出到LED液晶显示屏上。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式。产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为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，超声波测距器系统设计如图3.1所示。

图3.1 超声波测距器系统设计框图

3.2硬件电路设计

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端口输出及输入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。

主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路以及复位电路四部分组成。采用STC89C52来实现对超声波模组进行控制，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

3.3 STC89C52单片机主要特性

与MCS-51 兼容

4K字节可编程FLASH存储器

寿命：1000写/擦循环

数据保留时间：10年

全静态工作：0Hz-24MHz

三级程序存储器锁定

128×8位内部RAM

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5个中断源

可编程串行通道

低功耗的闲置和掉电模式

片内振荡器和时钟电路

STC89C52 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，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。

3.4AT89C51管脚说明

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接

收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作

对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器

（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.5超声波发射和接收模组

本文采用的超声波测距模组集发射和接受为一体，并且为了提高精确度采用两路超声波测距，内部超声波传感器谐振频率40KHz，模组传感器工作电压4.5V~9V，模组接口电压4.5V~5.5V。提供三种测距模式，选择跳线可以选择短距、中距和可调距。本实验采用短距（20~100cm）精度1cm。模组结构示意图如3.2图所示：

图3.2

应用时只需要用csb1的第1个引脚、csb2的第一个引脚与单片机Vcc连接，它们的最后一个引脚与单片机GND连接，第2个引脚分别与单片机的P1.0口、P1.2引脚相连接，它们的第3个引脚分别与单片机P1.0口、P1.2口连接。

每个接收模块中测得的超声波信号共有两个波束，第一个为余波信号，即超声波接收头在发射头发射信号（一组40KHz的脉冲）后，马上就接收到了超声波信号，并持续一段时间。另一个波束为有效信号，即经过被测物表面反射的回波信号。超声波测距时，需要测的是开始发射到接收到信号的时间差，要尽量避免检测到余波信号，这也是检测中存在最小测量盲区的主要原因。

单片机控制模组每次发生若干完整的40KHz的脉冲信号，发射信号前打开计数器T0，进行计时，等计时到达一定值后再开启检测回波信号，以避免余波信号的干扰。采用外部中断INT0对回波信号进行检测，接收到回波信号后马上读取计数器中的数值，此数据即为需要测量的时间差数据。

3.6数据显示模块

显示电路采用简单实用的液晶显示器，由P2口输出显示数据，P0.2~P0.4为控制端。显示电路如3.3图所示：

图3.3

3.7 STC89C52复位电路

STC89C52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。其电路图如图3.4

所示；

图3.4

4.系统程序的设计

超声波测距器的软件设计主要由主程序，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，本设计程序采用C语言设计。下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。

4.1超声波测距器的算法设计

超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器R接收到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器于反射物体的距离。该距离的计算公式如下：

d1=s1/2(v×t1)/2 d2=s2/2(v×t2)/2

其中：d1和d2分别为被测物于两个测距器的距离；s1和s2为声波的来回路程；v为声速；t1和t2为声波来回所用的时间。

超声波也是一种声波，其声速v于温度有关。表4.1列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变的。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。表4.1不同温度下超声波声速表

表4.1

表4.2

在实物测量过程中分别记录了在小于测量范围，测量范围以及超出测量范围情况下的显示屏数据如下图所示：

图4.3（小于测量范围）

图4.4（测量范围内）

图4.5（大于测量范围）

4.2 主程序

主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口P0和P2清0；然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传到接收器引起的直射波，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才可打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，

计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（3—2）计算，即可得被测物体与测距器之间的距离。设计时取20℃时的声速为344m/s，则有

d=（v×t）/2=（172T/10000）cm （3—2）

其中：T为计数器T0的计数值。

测出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约为0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。图3.7所示为主程序流程图。

※※※※※※主程序※※※※※※

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

//这三个引脚参考资料

sbit EN=P0^4; //1602使能引脚

sbit RW=P0^3; //1602读写引脚

sbit RS=P0^2; //1602数据/命令选择引脚

sbit BF=P2^7;

void Delay1ms(unsigned int count);

uchar BusyTest(void);

void write_com(uchar com);//数据发送位选择在P2，写命令

void write_data(uchar dt);//写数据

void locade(uchar locade);

void L1602_init(void);

void L1602_dis(uint distance);

4.3 超声波发生子程序和超声波接收及显示程序

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率40KHz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行时。超声波发生子程序较简单。

/******************************************************************** * 文件名：液晶1602显示.c

* 描述 : 该程序实现了对液晶1602的控制。

********************************************************************* **/

#include "1602.h"

#include "math.h"

#include

/******************************************************************** * 名称 : delay()

* 功能 : 延时,延时时间大概为140US。

* 输入 : 无

* 输出 : 无

********************************************************************* **/

void Delay1ms(unsigned int count)

{

unsigned int i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j<120;j++);

}

uchar BusyTest(void)

{

bit result;

RS=0; //根据规定，RS为低电平，RW为高电平时，可以读状态

RW=1;

EN=1; //E=1，才允许读写

_nop_(); //空操作

_nop_();

_nop_();

_nop_(); //空操作四个机器周期，给硬件反应时间

result=BF; //将忙碌标志电平赋给result

EN=0; //将E恢复低电平

return result;

}

/******************************************************************** * 名称 : enable(uchar del)

* 功能 : 1602命令函数

* 输入 : 输入的命令值

* 输出 : 无

********************************************************************* **/

/******************************************************************** * 名称 : write(uchar del)

* 功能 : 1602写数据函数

* 输入 : 需要写入1602的数据

* 输出 : 无

********************************************************************* **/

void write_com(uchar com)//数据发送位选择在P2，写命令

{

while(BusyTest()==1);

RS=0;

RW=0;

EN=0;

Delay1ms(2);

P2=com;

Delay1ms(4);

EN=1;

Delay1ms(4);

EN=0;

}

void write_data(uchar dt)//写数据

{

while(BusyTest()==1);

RS=1;

RW=0;

EN=0;

Delay1ms(2);

P2=dt;

Delay1ms(4);

EN=1;

Delay1ms(4);

EN=0;

}

void locade(uchar locade)