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基于单片机的超声波测距系统设计目录摘要································I1绪论························错误!未定义书签。1.1超声波测距研究意义及发展概况·············································错误!未定义书签。1.2超声波特性及超声换能器现状················································错误!未定义书签。2超声波测距系统的原理及设计方案···········错误!未定义书签。2.1超声波发生器及测距原理······················································错误!未定义书签。2.2方案的设计········································································错误!未定义书签。2.3超声波的电路设计·······························································错误!未定义书签。2.4超声波发射与接收电路·························································错误!未定义书签。3软件设计······················错误!未定义书签。3.1主流程图············································································错误!未定义书签。3.2温度读取程序······································································错误!未定义书签。3.3LCD显示流程图···································································错误!未定义书签。3.4外中断服务程序···································································错误!未定义书签。3.5超声波发射程序···································································错误!未定义书签。结论·························错误!未定义书签。参考文献·······················错误!未定义书签。附录1部分程序····················错误!未定义书签。附录2总电路图····················错误!未定义书签。后记·························错误!未定义书签。摘要本文介绍了一种基于单片机的超声波测距系统。该系统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，并且描述了系统研制的理论基础。文章概述了超声检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的原理及特性，并且在介绍超声测距系统的基础上．提出了系统的总体构成。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，并且超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力的超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。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。关键词：超声波测距单片机温度补偿第一章绪论超声波是指频率在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。它也有自已的特性，如它的频率可以非常高，达到兆赫级，因此，它在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内，具有良好的成束性，也就是方向性好。1.有关于超声波的简单介绍1.1课题研究背景超声波[1]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。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。1.2课题研究意义由于超声测距是一种非接触[2]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，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境有一定的适应能力。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、公路限高料位测量、车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域中。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。1.3国内外相关研究情况国内的超声波测[3]量主要集中在对0~10m固体和液体的测量，一般测量精度高，回波稳定[4]。近年来随着超声波技术研究的不断深入已广泛应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内的一些学者也作了大量相关的研究。南昌航空工业学院的江泽涛[5]在《温度对液体中超声波速度的影响》一文中，洋细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度同液体压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系，进而研究了温度对声速及声时的影响，用实验测量了不同的液体成分下的声时同温度的关系。FigneroaJ．F．，LamancusaJ．S．[6]在《Amethodforaccuratedetectionoftimeofarrival：AnalysiSanddesignofultrasonicrangingsystem}一文中，提出一种新的计时方法，该方法的原理是回波时延由峰值时延和相位时延相加而得，分别用不同的检测方法得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波的传播时间。2.课题设计的任务和要求主要内容根据所学知识，设计一个基于单片机的超声波测距系统。（1）硬件设计：选择单片机型号和超声波模块，设计主要的电路模块，主要包括：单片机最小系统、键盘接口模块、超声波接口电路模块和显示模块；（2）软件设计：使用KeilC51设计系统软件，并完成联机调试，软件设计的主要模块有：系统初始化、键盘扫描、超声波测距和测量结果显示。（3）需要实现的技术指标：探测距离：2cm-450cm精度：可达10mm第二章超声波测距原理1.研究方案及选择1.1方案一：基于ARM[7]的超声波测距系统设计以S3C2410为核心，通过对其进行软件编程，实现该芯片对其外围电路的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去[8]。频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，发射的超声波被调制成40kHz左右，具有一定间隔调制脉冲波信号。测距系统结构如图2.1所示。系统由测距系统、控制和显示部分组成。图2.1基于ARM的超声波测距系统框图1.2方案二：采用CPLD来控制的超声波测距仪采用CPLD来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）编写程序使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高频率可达175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。充分利用了其多达128个宏单元、68pin可编程I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测距结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPROM，那么设计的成本较高。同时在FPGA中还要用硬件描述语言(VHDL语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。发射电路接收电路S3C2410温度补偿LCD显示1.3方案三：采用51单片机控制的超声波测距系统采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由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。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：S=vt/2原理框图如2.2所示。t障碍物s超声波发射超声波接收图2.2超声波的测距原理方案一统能够实现自动测距、自动探伤和实时显示功能，集探伤、测距等多种功能于一体，所有运算、处理、显示都实现数字化；并且操作简单。使用方便，所有功能都有按键控制；测量速度快、准确，结果显示直观；仪器依靠电池供电，设有低功耗模式；体积小，携带方便，适用于室内、野外等各种条件下作业。方案三计硬件简单，容易实现，测距范围适中。测量误差可以控制在士1cm左右。系统软件采用合理算法，提高了测量精度，具有较好的应用价值。另外其使用的51系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机，内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写；用静态时钟方式，可以节省电能；支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序；晶振频率高达24M，运行速度更快，价格也比较便宜；增了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。与第二种方案相比，第三种使用的是单片机，编译语言可以用C语言来实现，所以比较简单。2.超声波测距的原理2.1超声波的基本理论超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可