基于51单片机的超声波测距系统的毕业设计

中北大学毕业论文1摘要超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路，另外还有复位电路和LED控制电路等。采用以STC89C51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。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、供电、温度测量、显示等模块组成。发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计时器开始计时，超声波被发射后按原路返回,在经过放大带通滤波整形等环节,然后被单片机接收,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正,结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在LED上。另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等，空气的温度对超声波的速度影响也很大。此外供电电源也会使测量差生很大的误差。再设计的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。关键词STC89C51超声波测距中北大学毕业论文1目录摘要.............................................................................1第1章绪论.........................................................................21.1课题背景及重要意义..............................................................21.2国内超声检测发展综述............................................................21.3超声波测距存在的问题与课题的意义................................................31.4本文主要研究内容................................................................3第2章超声波测距原理与方法..........................................................52.1超声波简介......................................................................52.1.1超声波的三种形式...........................................................52.1.2超声波的物理性质...........................................................52.1.3超声波对声场产生的作用.....................................................52.2超声波传感器介绍................................................................62.2.1超声波测距原理及结构.......................................................62.2.2超声波传感器选择............................................................92.2.3超声波测距的原理............................................................92.2.4发射脉冲宽度...............................................................102.2.5测量盲区...................................................................112.3本章小结.......................................................................12第3章系统硬件设计................................................................133.1发射电路设计..................................................................133.1.1发射电路设计方案...........................................................143.1.2发射电路常用方案...........................................................143.1.3超声波发射器的注意事项....................................................153.2接收电路设计..................................................................163.3单片其他电路设计...............................................................173.3.1LCD显示部分...............................................................173.3.2报警部分...................................................................183.4本章小结.......................................................................19第4章软件设计和测量结果分析.......................................................194.1系统软件设计...................................................................194.2外部中断子程序.................................................................204.3定时器中断子程序...............................................................204.4实现重要功能的程序分析........................................................214.4.1实现温度读取功能..........................................................214.4.2实现根据温度转化声速......................................................224.4.3实现距离计算..............................................................224.5本章小结.......................................................................23中北大学毕业论文2第5章结论.........................................................................23参考文献............................................................................242第1章绪论1.1课题背景及重要意义近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。1.2国内超声检测发展综述在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。例如，液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液面，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。由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广3泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。1.3超声波测距存在的问题与课题的意义我就影响超声测距误差的几个因素做了分析，并为本系统选择了比较适合的传感器，即由一支发射探头UCM-T40KI和一支接收探头UCM-R40KI的收发分体式传感器。本节在此基础上就如何具体设计本系统进行详细分析。系统计划在实验室内实现小范围测距，测试距离约为0.2m—3m米，系统整体结构如图所示。图1-1系统设计方案图发射电路采用单片机P1.0端口编程输出40kHz左右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器T0。由于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求，驱动超声传感器UCM-40T发射