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1、超声波测距系统设计超声波测距系统设计专业班级：专业班级：学生学号：学生学号：学生姓名：学生姓名：指导老师：指导老师：二二XXXX 年年 X X 月月单片机测控系统设计单片机测控系统设计课程设计任务书课程设计任务书姓名学号专业班级课程设计题目超声波测距系统设计设计题目：设计题目：超声波测距系统设计设计内容与要求：设计内容与要求：（1）选用超声波测距模块，进行整个检测系统的设计（2）有必要的相关计算说明，精度分析及有关调试结果等（3）设计单片机检测系统课程设计目的与总体要求：课程设计目的与总体要求：本课程设计目的是使学生学习单片机应用系统的基本知识与基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计与调
2、试方法，初步具备应用单片机进行设备技术改造和产品开发的能力。通过本课程设计使学生能够综合运用所学单片机、测控电路、传感器等专业知识，掌握单片机测控系统的设计步骤和软硬件的开发流程，具备微机系统发、智能仪器设计的初步能力，为从事智能测控系统设计奠定基础。同时，培养学生的创新意识，提高学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力。本课程设计的设置应使学生接触和了解实际智能化微机测控系统设计从收集资料、方案比较、绘图、编程的全过程，进一步提高学生的系统分析、综合能力以及工程设计中电路设计与软件编程的基本能力，使学生具有进行智能仪器的设计与开发能力，为今后的课程设计与毕业设计以及日后的学习与工作做好必要的
3、准备。要求学生根据设计原理图正确搭建电路，正确编写程序，试验操作规范，能得出正确的结果并进行简要分析，撰写设计报告和设计报告，提交设计实物，并进行展示。课程设计目的与总体要求：课程设计目的与总体要求：本课程设计安排在第六学期，共 2 周，2 学分。在相关课程学完后进行，具体时间安排如下：1、布置任务及调研（1 天）；2、总体方案设计（1 天）；3、各子模块设计（4 天）；4、系统调试及实验（3 天）；5、整理设计说明书、电路图系统程序及相关技术资料（1 天）。课程设计内容：课程设计内容：针对特定任务或具体测量要求，用单片机或 DSP 为核心进行本课程设计，主要设计内容包括：微机测控系统总体方案
4、设计、数据采集系统设计与制作，人机交互界面、信号传输与通信系统以及执行机构的控制部分的设计与制作等。课程设计方式：课程设计方式：根据选题将学生分成若干小组，集中安排在实验室，在教师指导下进行课程设计。I课程设计考核办法与内容：课程设计考核办法与内容：学生课程设计评定成绩采用优、良、中、及格和不及格五级记分制。考核根据学生平时学习态度（含出勤率）20%；实物（包括，设计完备性 15%、难度 15%和完成情况 20%）；图纸及说明书质量 15%；答辩 15%确定。设计方面的考查内容：微机测控系统总体方案、数据采集系统、人机交互界面、信号传输与及执行机构的控制等，且在各子模块设计中：硬件应有电路图，
5、软件用相应的开发软件编程且已调试通过。其他需说明的：其他需说明的：设计报告应包括以下内容：设计题目、设计任务书、目录、任务分析或方案设计、模块（电路或软件）设计、实验或调试、结果分析、结束语、参考文献及必要的附录（电路图、程序代码）等。指导老师签字：年 月 日附注：目录目录目录第一章 研究方案11.1 研究对象分析.11.2 测试要求.11.3 系统框图.11.4 器件选择.21.4.1 传感器的选择.2 1.4.2 单片机的选择.4 1.4.3 显示器件的选择.6 1.5 系统研制可行性分析 .7第二章 硬件电路设计.92.1 理论依据.92.1.1 什么是超声波.9 2.1.2 超声波的特
6、性及特点10 2.1.3 超声波测距原理10 2.1.4 整体控制方式11 2.2 电路设计112.2.1 传感器电路11 2.2.2 单片机系统电路11 2.3 实物测试13第三章 软件设计.153.1 系统总体设计153.2 测距子程序设计163.3 显示子程序设计17第四章 调试与误差分析.194.1 电路调试.194.2 软件调试.194.3 误差分析.194.4 课程心得.21参考文献.23附录 A 实物图 .25附录 B 总程序 .27目录I第一章 研究方案0第一章第一章 研究方案研究方案1.11.1 研究对象分析研究对象分析测距的原理和方法有很多，根据其信息载体的不同可归纳为光学
7、方法、无线电方法和超声波方法。前两者在某些地方有局限性，相比之下，超声波方法具有突出的优点。首先，超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体），可以直接测量近距离目标、适用范围广、方向性强、覆盖面较大等优点；其次，超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛的应用。尤其是在空气测距的应用中，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容易检测出来，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，费用低，信
8、号处理简单可靠，易于小型化和集成化等特点。超声波测距作为一种非接触式测距技术，是利用超声波传播速度在相当大范围内与频率无关，通过计算超声波在声波探头与被测物体之间的传输时间来测量距离，在相关计算中相当灵活，且测量过程中对被测目标无损害。基于超声波的这些独特优点，使得超声波测距技术越来越受到人们的重视。本课程设计旨在研究超声波测距系统的原理和应用。1.21.2 测试要求测试要求选择合适的超声波测距模块测量距离，设计外部电路和应用单片机系统实现对距离的测量并通过显示装置显示距离。进行试验验证，并分析讨论相关特性参数等。1.31.3 系统框图系统框图超声波发送单片机控制器显示电路超声波接收图 1 系
9、统框图第一章 研究方案11.41.4 器件选择器件选择距离传感器是利用测时间来实现测距离的原理，以检测物体的距离的一种传感器。在三角测量、导线测量、地形测量和工程测量等工作中都需要进行距离测量。目前测量距离一般有以下几种方法：1、超声波测距法。利用超声波传感器产生超声波和接收超声波，同时超声波在空气中的传播速度已知，通过测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。2、激光测距法。激光测距一般有脉冲法和相位法。脉冲法测距过程：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距
10、仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 10 厘米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是 1 米左右。3、红外测距法。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器LDM301 发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用 CCD 图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。4、24GHZ 雷达测距法。24GHz 雷达传感器是可以将微波回波信号转换为电信号的微波传感器的一种类型，将 24GHz 选为发射频率，利用发送与接收信号的频率差，通过公式计算出物体运动的速度。经过参考信号与
11、回波信号的混频，双通道传感器输出两个频率幅度相同，相位差为 90的中频信号 IF1 和 IF2，根据 90相位引导的信号类型，可识别物体的运动方向（远离或靠近）。如果要测量一个参数（距离），如静态物体到传感器的距离，那么选用线性升坡或降坡作为发射频率的时间相关函数就足够了，并定期重复这些坡，以期得到可能的平均值。根据延迟效应的计算公式可以得到物体的距离。1.4.11.4.1 传感器的选择传感器的选择本课程设计采用的是超声波测距法，即采用超声波传感器作为采样传感器，对距离进行采样。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置
12、就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头的工作原理主要是基于压电压电晶体的压电效应。压电效应主要分为正压电效应和逆压电效应，所谓正压电效应就是在晶体两级加入电压时，晶体会产生机械变形，从而在晶体表面产生机械波；逆压电效应正好相反，当晶片本身产生机械形变，或者加入了机械波时，在晶体的表面就会产生电荷，从而在晶体两级产生相应的电压。超声波传感器主要由压电晶片组成，是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡第一章 研究方案2频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外
13、加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器。从而既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声波传感器内部结构图如图 2 所示。图 2 超声波传感器内部结构图经分析论证，本课程设计采用 HC-SR04 超声波测距模块集距离数据。HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工
14、作原理：1、采用IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号；2、模块自动发送 8 个 40KHz 的方波，自动检测是否有信号返回；3、有信号返回，通过 IO 口的 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。超声波测距模块的超声波时序图如图 3 所示。图 3 超声波时序图时序图表明，只需要提供一个 10us 以上的的高电平信号该模块内部将自动发送 8个 40KHz 的周期电平，并自动检测是否有信号返回。一旦检测到有信号返回，则输出回响信号，回响高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。由此通过发射信号到收到回响的信号时间间隔可以计算得到距离。H
15、C-SR04 超声波测距模块有四个引脚，测距模块实物图如图 4 所示。其中 VCC为电源引脚，供 5V 电源，GND 为接地引脚，TRIG 为触发控制信号输入，ECHO 为第一章 研究方案3回响信号输出。图 4 HC-SR04 超声波测距模块实物图表 1 HC-SR04 超声波测距模块的电气参数电气参数HC-SR04 超声波测距模块工作电压DC 5V工作频率15mA工作频率40KHz最近射程2cm最远射程4m测量角度15 度输入触发信号10us 的 TTL 脉冲输出回响信号输出 TTL 电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm本课程设计采用 HC-SR04 超声波测距模块进行测距的原
16、因：该型超声波测距模块集成了包括超声波发射器、接收器与控制电路这三个主要测距电路，其高集成度之高，所以能大大地简化超声波测距电路的组成，而且该模块性能稳定，测度距离精确，高精度等特点，使得盲区超近（2cm）。 同时，在连接电路时应注意此模块不宜带电连接，如要带电连接，则先让模块的GND 端先连接，否则会影响模块的正常工作。测距时，被测物体的面积不少于 0.5 平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果。1.4.21.4.2 单片机的选择单片机的选择单片微型计算机简称单片机，它把组成微型计算机的各个功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、可编程存储器 EPROM、并行及串行输入输出 I/O 接口电路、定时器/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。第一章 研究方案4单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/
