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1、2015届本科毕业设计（论文）题目：超声波测距仪Title：Ultrasonic rangefinder学号 姓名 学院指导老师专业 完成时间摘要本设计的核心是89C52单片机，用它来实现超声波测距仪的硬件电路和软件设计方案。整个电路采用模块化设计，由主程序、各模块子程序等模块组成。由超声波模块发射和接受超声波，送回单片机，并通过DS18B20温度模块进行补偿，避免因客观环境的温度变化而影响波速，提高测量精确度。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
2、、程序流程图。超声波测距在近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，并且成本低廉，可操作性强。关键词：89C51、超声波、测距Abstract:The core of this design is the 89C52 single chip microcomputer .The design scheme of hardware circuit and software to implement it using the Ultrasonic range finger .Uses the modular design of the whole circuit
3、,composed by the main programed each modelsubprogram .The transmission and reception of Ultrasonic come time sent to MCU by Ultrasonic module ,and temperature compensation by DS18B20 temperature module. Avoid the change of objective environment .temperature affect velocity ,improve the accuracy of .
4、 MCU calculate distance and display the results . The probe signal by MCU integrated.processing of various functional circuits. with the relevant parts of the circuit diagram and program flow diagram . Ultrasonic distance measurement has been widely used in recent years. The utility model has the ad
5、vantages of good direction,strong permeability , low cost and strong operability.目录摘要iAbstract:ii1引言- 2 -1.1 课题研究的背景以及意义- 2 -2 超声波的介绍及测距原理- 2 -2.1 超声波的介绍- 2 -2.1.1 超声波- 2 -2.1.2 超声波的特性- 2 -2.1.3 超声波的应用- 2 -2.2 超声波测距原理以及误差分析- 2 -2.2.1 超声波测距原理- 2 -2.2.2 超声波测距仪的误差分析- 2 -3 超声波测距系统硬件设计- 2 -3.1 超声波测距系统的结构
6、设计- 2 -3.2 超声波测距系统的主控芯片STC89C52- 2 -3.3 超声波收发模块- 2 -3.4 温度补偿电路- 2 -3.5 显示电路- 2 -3.6 声音报警电路- 2 -3.7 超声波测距系统总括- 2 -4 软件设计- 2 -4.1 程序流程图- 2 -1 引言1.1 课题研究的背景以及意义国内从五十年代起对超声波测距进行了较多的研究，并取得了可喜的成果。近年来由于电子技术的飞速发展，传感器、单片机技术的应用，使得原来非常复杂的超声波物位测量仪的设计有了大幅简化的可能，非接触式检测技术被广泛应用，目前有超声波测距，CCD探测，雷达测距等。各行各业对于各种技术参数的测定的各
7、方面的要求也变得越来越高。无论是从精确程度，还是测量效率都变得要求很苛刻。所以各种快速测量，精确程度高，测量方便的仪器也变得越来越被业界所渴求。距离的测量便成为各项技术参数最基本的参数之一，CCD探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销1，而雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点2，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂3。声纳主要是满足水中武器实施全隐蔽需要，解决海水中目标识别问题。而在其他一些工程领域
8、声纳测距便显得不适用了。超声波测距因其简便性，测量准确度高，操作方便成为测距仪中的翘楚。而且超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。在这一个测距技术十分有限的时候，但又处在其技术及产业邻域正蓬勃发展而又有无限前景的今天，超声波测距仪便作为一种新型的非常重要
9、有用的工具在各个产业领域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，以满足日益发展的社会需求。所以超声波测距在现实应用中更具有实际的意义。并且在测量精度要求不是特别精确的市场中有着广泛的需求。2 超声波的介绍及测距原理2.1超声波的介绍2.1.1超声波声波是由物体机械振动而产生的。物体每秒钟震动的次数，我们叫做频率。频率决定了物体震动的快慢。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波和可闻声波本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内
10、会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。2.1.2超声波的特性超声波有如下几个特性：（1)超声波在传播时，波长短，方向性强，能量易于集中。（2)超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。（3)超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效用及治疗。（4）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。（5）超声波可传递很强的能量。（6）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。超声波其不足之处：1 要探测某个物体是否存在，超声波必须在该物体上得到反射。由于金属、木材、混凝土、玻
11、璃、橡胶和纸等可以近乎100%反射，布、棉花、绒等可以吸收超声波，因此我们很难探测到它们。同时由于不规则反射，通常很难探测到凹凸表面以及斜坡表面物体。声波的传播速度会受到环境中温度的影响。要精确测量某个物体，始终检查周围温度是十分必要的，所以本设计加入了温度补偿模块。2 超声波在传播过程中随着距离的增加其强度会成比例衰减。这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失4。其声压和声强的衰减规律为式中：、距离声源x处的声压和声强： x声波与声源间的距离衰减系数，单位为Np/cm如图一所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波
12、的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。超声波传感器的震荡频率为40KHz，传播10米超声波信号强度便衰减到40个声压级。此时超声波接收探头就很难接收到回波信号。因此，从理论上分析，本设计超声波测距部分的实际范围是10cm500cm，理想的避障范围是10cm100cm,所以用它测量五米左右的物体还是比较理想的。图一 超声波衰减图3 根据超声波传感器的某些电气特性如：声压、灵敏度、辐射特性等参数，在选择超声波传感器工作在40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度，这为设计中选择合适的超声波传感器指明了方向。2.1.3超声波的应用超声波我们利用其特性在很多领域都有应用在医学农业工业军事上都应
13、用广泛。可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。医疗行业：医疗器械的清洗、消毒、杀菌、实验器皿的清洗等。半导体行业：半导体晶片的高清洁度清洗。光学行业：光学器件的除油、除汗、清灰等。石油化工行业：金属滤网的清洗疏通、化工容器、交换器的清洗等。电子行业：电子行业是超声波清洗应用最早，最为普及的行业。工业：焊接、清洗、测距、自动化控制。美容业：软坚去脂治暗疮、消除暗疮愈后瘢痕（结节）、清除皮肤异常色素、分化色素除皮下斑、减轻眼袋和消除黑眼圈5。所以超声波的应用极其广泛，对超声波的研究具有重大意义。2.2超声波测距原理以及误差分析2.2.1超声波测距原理超声波测距原理，通过超声波发射装置发出
14、超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。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大约为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=340t/2）测距的公式表示为：s=ct但是目前国内的超声波测距集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，因为空气中温度对声速都有影响所以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度
15、。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。2.2.2超声波测距仪的误差分析根据超声波测距的公式s=ct，可知超生波测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。而超声波的波速受环境温度的影响最大，不同环境温度超声波的波速会相差很多，见表一。如果采用某一特定波速的话那么在测量的时候误差就会很大。例如0摄氏度和20摄氏度的声速就相差12m/s。如果采用20摄氏度的声速为测量参数，那么在0摄氏度的环境中测量每五米误差就有2cm。这样的误差程度就很大了远远不能达到测量要求。所以在
