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1、 单片机技术课程设计说明书 超声波测距 系 、 部： 电气与信息工程 学生姓名： 凌 昇 指导教师： 万系杰 职称 教师 专 业： 电气自动化 班 级： 电气1101 完成时间： 2013.12.22 摘 要超声波测距作为一种非接触性的光学测量方法，近年来得到了广泛应用。它具有测量方便,不对被测物体产生损坏等优点。超声波明显特征是方向性好，穿透性强。尤其是在光不透过的固体中，它碰到杂质或分界面就有显著的反射。因此，可以利用超声波实现对距离的测量。距离是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差来确定的。采用压电式超声波换能器。装置包括单片机系统、显示电路、超声波发射电路和超声波检
2、测接收电路四部分。系统的软件部分则包括主程序、定时子程序、显示子程序和外部中断服务子程序。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。完成了超声波测距仪的软硬件设计，实现了测量结果的显示，经系统调试可看出，LED数码管显示清晰稳定，测量结果稳定可靠，测距仪最大误差不超过5cm。关键词：超声波测距；51单片机 ABSTRACTUltrasonicRangingisanon-contactopticalmeasurementmethodwhichhasbeenwidelyappliedinrecentyears.Ithastheadvantagesofmeasuringconven
3、ience,notbetheobjectproducedamage.Obviousfeaturesoftheultrasoundisdirectional,penetrating.Especiallyinlightopaquesolid,itmettheimpuritiesortheinterfacewillhaveasignificantreflection.Therefore,wecanuseultrasoundtoachievethemeasurementofdistance.Thedistanceisgotbymeasuringtimedifferencethatbetweenemis
4、sionultrasonicandtheechoofthemeasuredobjectreflectionreceivedwithpiezoelectricultrasonictransducer.Thedeviceincludesamicrocontrollersystem,displaycircuit,ultrasonictransmitterandultrasonicdetectionreceivercircuit.Thesoftwarepartofthesystemincludethemainprogram,timingsubroutinedisplayroutines,andexte
5、rnalinterruptserviceroutine.ThemainprogramuseClanguageforconducivetotheprogramstructureandeasytocalculatethedistance.Icompletehardwareandsoftwaredesignoftheultrasonicrangefinder,andachievemeasuredresultsdisplay.Accordingtosystemdebugging,LEDdigitaldisplayclearandmeasuringresultsarestableandreliablea
6、ndtherangefindererrorislessthan5cm.Keywords:ultrasonic rangefinder；51MCU目录1绪论11.1课题设计的研究现状11.2课题设计的任务和要求11.2.1课题设计的任务11.2.2课题设计的要求21.3选题的意义22超声波测距原理42.1超声波简介42.1.1超声波的声学特性42.1.2超声波的发生原理52.2超声波传感器的原理与特性52.2.1原理52.2.2特性72.3超声波测距仪的测距原理82.3.1单片机最小系统92.3.2超声波发射电路102.3.3超声波接收电路112.3.4超声波测距仪显示电路122.4本章小结13
7、3超声波测距系统软件设计143.1超声波设计概述143.2主程序流程图144电路调试及误差分析164.1系统的调试164.2系统的误差分析164.2.1声速引起的误差164.2.2单片机的影响174.2.3 其他的误差174.3提高测距精度的方法185. 结束语19致谢20参考文献21附录221绪论1.1课题设计的研究现状当我们的测距技术日渐趋于成熟，我们对测距的精度要求也日渐严苛，传统的测距技术在某些场合已经不能够满足人们的需要，如在井道，水位，管道等的长度测量方面，传统的测距方式已然不再适用。在现代社会中，我们既要要求测量的准确性，又要避免人类在危险的环境下作业。为此我们需要一种可以精确测
8、量的非接触式的测距方式，于是超声波测距仪应用而生。由于超声波是一种非接触式的测量方式，它具有不被光、粉尘或电磁波等外界因素干扰的一系列优点，由于自身抗干扰性好、方向性强、反射性好等优点越来越多地被人们作为一种测距识别手段1。它利用超声波测距传感器的发射探头与接收探头工作时的时间差来计算出障碍物的距离，对被测目标无任何影响，再者超声波传播速度也在一定范围内与其频率无关。这些独特的优点都使得超声波测距越来越受到人们的重视，也从70年代末期开始在生产领域广泛应用。这也就是超声波常被用于测距的原因，如测距仪或物们测量仪等等都是通过超声波来实现的。利用超声波检测距离比较迅速、方便，计算也较简单，易于做到
9、实时检测，并且在精度方面也能够达到工业实用的要求，因此在工农业生产上也得到了广泛的应用。超声波测距传感器按其可实现的检测距离可以分为大、中、小三种量程，小量程探测距离小于2m，工作频率60kHz300kHz之间；中量程探测距离约为2ml0m，工作频率在40kHz60kHz之间；大量程探测距离约为20m50m，工作频率处在16kHz30kHz之间。在我国的相关技术与发达国家相比也较落后，因此对这种能准确、高效、实时测量距离的方式的研究在我国尤其重要。不论在国内还是在国外，超声波测距都占有着相当重要的地位，而它的应用也已经越来越广泛，但在国内，它的发展尚处于初期阶段，利用超声波测距技术还十分有限，
10、在不久的未来，超声波测距仪也必将作为重要的测距手段而被社会广泛需要。而随着计算机的迅速发展，超声波测距仪将更加智能化，精确化。1.2课题设计的任务和要求1.2.1课题设计的任务此次课题的研究方向是超声波测距仪的软件设计。软件主要工作流程是：单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后将数据输出P0口显示。软件系统总体划分为：主程序模块，显示子程序模块，定时子程序模块，外部中断子程序模块。主程序完成数据
11、初始化，参数设置，以及各功能模块的调用。显示部分完成数据在LED数码管的显示。中断服务程序中，提供了定时、计数功能，并且调用相关处理程序。故总体而言，此次选题的要求可概括为以下几点：(1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。(2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。(3).以数字的形式显示测量距离。(4).对设计的电路进行分析。1.2.2课题设计的要求通过介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射
12、时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，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V，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。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离
13、,结果输出给LED显示。利用本测距系统测量，范围应在10cm200cm内，其最大误差控制在5cm。1.3选题的意义超声波测距仪是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象着色、大小等的影响，较其它测距仪，它更加而潮湿、高温、粉尘、腐蚀气体等恶劣环境，具有不污染、高可靠、长寿命等优点，且易于维护。超声波测距技术是一种原理简单、易于实现的非接触测量技术，被广泛地应用于工业、医疗、军事及日常生活等诸多领域。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
14、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。而本次研究的就是以AT89S52单片机为核心实现测距，有着非常重要的现实意义。首先，有利于培养学生的独立科研开发能力。其次，有利于学生进一步理解所学的专业知识，将自身所学与实践相结合，实现自身能力的锻炼与提高。第三，更重要是培养团队合作意识，通过与搭档的共同努力，基于对超声波测距仪软硬件的了解，设计出一个简单，精度高，误差小的测距装置。此题是分为两人一起来做的，目的在于使学生学会在团队中摆正自己的位置，根据自己的能力分担工作；培养同组内的合作意识及学习别人的长处，既能当好主角，也甘于当好配角，能脚踏实地的做好本职工作。2超声波测距原理2.1超声波简介声波是一种能在气体、固体、及液体中传播的机械波，由于振动频率的不同可分为：(1)次声波：振动频率低于16Hz的机械波。(2)可闻波：振动频率在16
