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本科毕业设计

(2007届)

题目基于单片机控制的超声波测距系统

设计与实现学院电子信息学院专业电子信息工程班级030418学号03903203学生姓名张春梅指导教师王维平完成日期2007年3月

诚信承诺

我谨在此承诺:本人所写的毕业论文《基于单片机控制的超声波测距系统地设计与实现》均系本人独立完成,没有抄袭行为,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,若有不实,后果由本人承担.

承诺人(签名):张春梅

2007年3月23日

摘 要

超声波测距在社会生活中已经有广泛的应用如汽车倒车雷达等.本文主要研究了一种基于单片机微处理器的超声波测距仪.该仪器以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离.本文阐述了仪器研制的理论基础,介绍了具体的软硬件设计以及相关情况.

该系统的硬件部分主要由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组成.软件部分主要由主程序,超声波发生子程序,超声波接收中断程序及显示子程序等部分组成.利用单片机AT89C2051对超声波接收信号进行处理(通过一定的算法),并将它显示到LED上.单片机程序使用KEIL设计并调试.

关 键 词:超声波,测距系统,单片机

ABSTRACT

Thetechnologyofmeasuringdistancebyultrasonicsignaliswidelyusedinmany

socialfields,suchasbacking-carradarandsoon.Thispaperprimarilyinvestigatsakindofultrasonicrangefinderbasedonmicroprocessor.Thisdevicecanmeasurecertaindistancewithreflectedwaveonconditionthatthespeedoftransmittingwaveisfixed.Itgenerallyspecifiesthetheoreticalfoundationofthedevice,introducesthesoftwareandhardwaredesignofthedeviceandcorrelativethings.

Thepartofthehardwareofthesystemismainlyposedwiththethreepartsasthemicroprocessorsystemanddisplaycircuit,theultrasonictransmittingcircuitandtheultrasonicreceivingdetectioncircuit.Thepartofsoftwareismainlyposedwithmainprogram,ultrasonicoccurredsubrouting,ultrasonicreceivedinterruptionsubroutinganddisplaysubrouting.UsingtheMCUAT89C2051,dealsthesignaloftheultrasonic(throughsomealgorithm),andshowsitontheLED.

Keywords:ultrasonicrangingsystem,microcontroller

目录

1引言1

2概述2

2.1超声与超声的应用2

2.1.1超声的产生2

2.1.2超声的发展史2

2.1.3超声的分类3

2.1.4超声声速的计算3

2.1.5使用超声波和使用激光测距的比较4

2.2超声波换能器的介绍4

2.2.1超声波换能器的分类4

2.2.2超声波换能器的基本原理4

2.2.3超声波换能器的基本构造6

2.3超声波测距电路原理6

2.4测量盲区7

2.5超声波的衰减8

2.6主要技术指标9

2.7总结9

3硬件电路设计10

3.1AT89C51和AT89C2051的区别10

3.2硬件电路的总体设计12

3.3测距原理12

3.4超声波测距系统的工作过程13

3.5超声波测距部分硬件实现13

3.5.1单片机系统部分13

3.5.2显示部分13

3.5.3发射部分15

3.5.4接收部分15

3.5.5限制系统的最大可测距离的因素16

3.5.6硬件电路设计总结16

3.6用PROTEL绘制原理图16

4软件设计18

4.1总体方案18

4.2程序流图18

4.3模块说明19

4.3.1超声波测距仪的算法设计19

4.3.2主函数19

4.3.3超声波发生子程序和超声波接收子程序20

4.3.4显示函数20

5.制作与调试22

5.1硬件的制作与调试22

5.2软件的调试22

5.3软硬件结合调试23

致谢25

参考文献26

附件一:超声波测距仪的程序27

附件二:超声波测距仪的硬件原理图30

1引言

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,页面测量就是一种距离测量,传统的电极法是采用差位分布电极,通过给电或脉冲来检测页面,电极长期浸泡于水中或其他液体中,极易被腐蚀,电解,失去灵敏性.利用超声波测量就可以解决这些问题.

这些年来,随着超声波技术研究的不断深入,在加上其具有的高精度,无损,非接触等优点,超声波的应用变得越来越普及.目前已经广泛地应用在机械制造,电子冶金,航海,宇航,石油化工,交通等工业领域.此外在材料科学,医学,生物科学等领域中也占据重要地位.

利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段,也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上机械波),借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法.由于超声波的速度相对于光速要小的多,其传播时间就比较容易检测,并且易于定向发射,方向性好,强度好控制,因人类采用仿真技能利用超声波测距.超声波测距是一种利用声波特性,电子计数,光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法.由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求.

超声波测距在某些场合有着显着的优点,因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的,因此它是一种非接触式的测量所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用.比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离.

2概述

2.1超声与超声的应用

2.1.1超声的产生

我们生活的世界充满了各种可听的声信号.在科学史上,人们很久以前对声音信号就有了认识,声学是最早发展的学科之一.我国两千多年前的先秦时期,在乐律和乐器的研究方面,对声学的发展作出了重要的贡献.在国外,19世纪,声学己成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平.然而由于超声是人耳听不到的信号,直到18世纪,人们在研究蝙蝠,海豚等动物时,才推测自然界中存在超声.

波是由某一点上开始的扰动所引起的,并按预定的方式传输或传播到其他点上.声波是一种弹性机械波,即机械振动在弹性媒质中的传播.按线性声学的观点,对声波产生的物理过程做如下定性描述.连续弹性媒质可以看作是由许多彼此紧密相连的质点组成,当弹性媒质中的质点受到某种扰动时,此质点便产生偏离其平衡位置的运动,这一运动势必推动与其相邻质点也开始运动.随后,由于媒质的反弹作用,该质点及相邻质点又相继返回其平衡位置,但因质点运动的惯性,它们又在相反方向产生上述过程.如此,媒质中质点相继在各自的平衡位置附近往返运动,便将扰动以波动的形式传播到周围更远的媒质中去,形成声波.频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波,称为超声波,或称超声.

现代声学已经涵盖了从Hz的频率范围,相当于从大约3小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动,即跨越了量级

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