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1、摘要本设计采用以AT89S58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、预置子程序、发射子程序、接受子程序、显示子程序、语音播报子程序等模块组成。发射模块发射超声波，接受模块接受回波，单片机计算距离，显示测量结果。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。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。超声波测距今年来得到了广泛的应用。本设计的优点在于超声波明显特征是方向性好，穿透性强。尤其是在光不透明的固体中，它碰到杂质或分界面就有显著地反射
2、。用超声波测距离时通过测量发射的超声波与接受到被测物体反射的回波之间的时间差来确定的。关键词：AT89S51，超声波，测距54目 录第一章 绪论11.1课题设计目的及意义11.1.1设计的目的11.1.2设计的意义11.2超声波测距仪的现状和发展11.2.1发展历史11.2.2 研究现状31.3本课题研究的主要内容3第二章 系统方案论证42.1超声波测距仪的设计思路42.1.1超声波测距原理42.1.2超声波测距仪原理框图42.1.3课题设计的要求42.2超声波测距方法的选择52.3超声波发生器选择62.4超声波接受传感器62.5显示单元选择72.6语音播报电路选择72.7温度传感器的选择7第
3、三章 系统的硬件结构设计93.1 AT89S51单片机的功能及特点93.1.1主要性能参数93.1.2功能特性概述93.2单片机最小系统103.3单片机测距原理113.4超声波发射电路123.5超声波检测接收电路133.6温度补偿电路143.7显示单元电路153.7.1 12864液晶资料163.7.2 12864液晶基本特性163.8语音播报电路173.9无线发射与接收电路183.9.1APC240无线通信模块主要特点183.9.2APC240无线通信模块主要技术指标19第四章系统的软件设计204.1超声波测距仪的算法设计204.2主程序流程图204.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序2
4、24.4系统的软硬件的调试24总 结25致 谢27参考文献28附录一 超声波测距电路原理图30附录二 程序清单31第一章 绪论1.1课题设计目的及意义1.1.1设计的目的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。但就目前的急速水平来说，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，满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本：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求；继续发展采用低
5、频线谱检测的潜艇拖拽线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合与前还工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；搭理降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。毋庸置疑，无线的超声波测距仪将于自动化智能化接轨，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。1.1.2设计的意义随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落
6、后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此，箱涵的排污疏通对打城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。1.2超声波测距仪的现状和发展1.2.1发展历史我国，关于超声的大规模研究始于1956年。迄今，在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。中国测试技术研究所
7、李茂山在超声波测距原理及实践技术中详细地阐述了超声波的测距原理，并给出了实现超声波测距的具体框图，并讨论了影响超声波测距精度的几种原因。在本文中，他并未提及超声波测距所需的一些具体电路，只是给出了测距一般所需的电路名称，没有提及各种电路间的匹配。而国外关于超声波测距研究的主力是莱卡公司。1996莱卡Power型迪士通在日光下也能进行长距离测量。1998莱卡迪士通推出basic型产品。作为第二代的迪士通，它不仅代表了新的技术飞跃，在设计上也跃上新的台阶：多功能底座、电池供电、快速测距等无不体现了莱卡对创新的执着。 1998莱卡迪士通推出memo和pro型，增加了数据存储功能和应用程序。再次引发测
8、量技术革命。迪士通memo型能存储1000个测量值，实现智能化的测量，pro型则答应应用相关的程序进行高精密测量，成为莱卡迪士通家族中顶级的手持激光产品。带内存的pro不光能直接用于测量，也能进行联机操作。 1999莱卡迪士通第三代classic产品诞生。莱卡测量系统的手持激光测距仪取得了新的技术突破。classic3取代basic，仍旧沿袭着手持测距技术世界领先的地位。它保留了basic型诸如可靠、易于使用、精度高等使之成为行业首选产品的知名性能，又取得了要害性的进步：体积更小、重量更轻、测距更快和价格更优。耐用、防水的classic3堪称30m到100m乃至更远距离测量应用的理想工具。20
9、01创新不断，莱卡测量系统又创立了新的技术标准，率先在手持激光测距仪上采用字母数字单片机毕业论文式混合键盘。新一代迪士通成为迪士通发展历程上新的里程碑。它包括四类产品：莱卡迪士通lite、迪士通classic4、迪士通pro4和迪士通pro4a。 2002测量从未如此简单！莱卡测量系统推向市场的第五代迪士通产品中，新增了两款独特的型号，莱卡迪士通lite5和classci5。一键按发使测量变得前所未及的简单便捷，在0.2m到200m之间，单次测量时间用不到1秒！用lite 5，每项工作如测距、计算面积或体积都能用已明确定义的按键容易实现。classic5则以轻触式的键盘和为方便长距离测量而内置
10、的望远镜给人留下深刻印象。事实上，作为多年的市场领先者，莱卡测量系统深得信赖。1.2.2 研究现状随着电子技术的发展出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大成本高一般仅用于军事工业而超声波测距则由于其技术难度相对较低且成本低廉适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波常常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。随着自动测量和微机技术的
11、发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。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，它不受光芒、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、单片机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特殊是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很轻易检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离。1.3本课题研究的主要内容超声波是指频率高于
12、20KHz的机械波。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。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。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。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。本设计主要是基于AT89S51芯片为核心的超声
13、波测距仪，74LS04组成的超声波发射电路、并有超声波处理模块CX20106A、液晶显示等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LCD显示电路语音播报电路。主要实现超声波测距并指示功能。依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路。本系统成本低廉，功能实用。第二章 系统方案论证2.1超声波测距仪的设计思路2.1.1超声波测距原理发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体是被反射返回，由接受器接受，其往返时间为t，有s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，
14、则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应该通过温度补偿的方法加以校正。表21 超声波波速与温度的关系表温度（）-30-20-100102030100声速（m/s）3133193253233383443493862.1.2超声波测距仪原理框图单片机发出40khz的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接受器将接受到得超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行辨别、计算，得出距离数并送LCD显示并送语音播报模块播报。2.1.3课题设计的要求设计一个超声波测距仪，要求：1) 具有超声波测距功能，测量距离0.20m5.00m测距精
15、度1。2) 具有测量距离数值无线传输功能。3) 实时显示测量的距离，显示格式为：X.XXm。4) 汉字提醒显示：距离在0.40m1.00m，显示“危险距离”并用红色LED灯指示；距离在1.00m2.00m，显示“保持距离”，并用黄书LED灯指示；距离在2.00m以上，显示“安全距离”并用绿色LED灯指示。5) 具有实时语音播报功能，实时播报测量距离数值，格式：X.XXm,实时播报时间间隔10s，实时播报声音清晰明亮、无明显失真，在1m距离处人耳能准确分辨。语音播报要与显示同步。2.2超声波测距方法的选择超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓
