基于单片机超声波测距仪的设计

论文总字数：14033字

摘 要

本设计以AT89C51单片机为重要元件，利用超声波传感器实现对物体的长度或距离的测量。硬件电路由蜂鸣器发出响声电路，数字显示电路，超声波传感器测距模块等组成。软件电路是由主程序，定时中断子程序，外部中断程序组成。利用软件绘制了硬件电路并进行了仿真。超声波测距具有测量精度高，识别方向能力强，易于调试，操作简单快捷，成本少等优点，可广泛应用于生产生活当中，具有一定的实践意义。

关 键 字：单片机AT89C51，测距，超声波

Abstract: This design takes the AT89C51 single-chip microcomputer as the important component, and uses ultrasonic sensor to realize the measurement of the length or distance of the object. The hardware circuit consists of a buzzer, a digital display circuit and an ultrasonic sensor ranging module. The software circuit is composed of main program, time interrupt subroutine and external interrupt program. The hardware circuit is drawn and simulated. Direction of ultrasonic distance measurement with high accuracy of measurement, recognition ability strong, easy to debug, easy operation, less cost, can be widely used in production of life, has a certain practical significance.

Key word: SCM AT89C51, Distance measurement, Ultrasonic

目录

1 引言 4

1.1 目前状况 4

1.2 本设计任务的主要内容 4

2 超声波测距原理 5

3 超声波测距仪的硬件结构电路 6

3.1 系统结构 6

3.2 单片机最小系统 6

3.2.1 单片机模块 7

3.2.2 复位电路 9

3.2.3 晶振电路 10

3.3 超声波测距模块 10

3.3.1 超声波的发射和处理 11

3.3.2 超声波的接收与处理 12

3.3.3 超声波显示电路 12

3.4 蜂鸣器电路 13

3.5 供电模块 13

4 超声波测距系统的软件设计 14

5 仿真 15

6 调试和实物图 16

7 测试数据 17

总 结 18

参考文献 19

致 谢 20

附录A 21

附录B 21

1 引言

在我们日常生活学习当中，经常会用到测距的工具或仪器，市面上生活用或实验室用的大都是利用光，声音，电磁波的干涉等作用来测量事物的长度或距离。当然我们可以根据已经测量好的长度或距离，继而计算测量出事物的体积，质量，面积，速度等相关的参数，因此测量长度的工具极其受到大家的广泛使用，例如在汽车倒车，视力保护，工程测量等方面有广泛的应用和研究。

以实验的对象为尺度，咱们可以将测距仪主要划分为光电测距仪和声波测距仪两大类。除此之外，光电测距仪还可以继续以更加详细方式划分，根据测距的办法，可以分成相位测距仪和脉冲测距仪。

声波测距仪，顾名思义，是根据声波的反射原理来实现的测距效果，若对象为超声波时，我们将其细分，并命名为超声波测距仪。

1.1 目前状况

目前，传统的测量距离的方法具有一定的局限性，测量液面高度即是测量距离，之前使用的测量距离是用差位的方法将电极散布，通过输入电流或脉冲来测量液面高度，但是存在短处，即电位所处的环境如水或其他液体，可以破坏电位，降低其灵活性和敏捷性，不停歇困扰着人们。此时发现超声波具有识别多方位方向，灵敏度高，强度大等优点，可以有效地规避之前测量方法使用的弊端。因此利用超声波为来测量长度或距离的技术广泛应用在视力保护、户外地表测量、位置定位和倒车安全距离等方面。

超声波测距电路可以由古老方式的模拟电路或数字电路构建出，但是其弊端有灵活性差，操作困难，对环境要求高等，使该电路并没有被人类广泛应用和操作。因而本文设计的以单片机为主的超声波测距仪的生成和接收的超声波是通过过程简率的外部电路的，然后取样，获得传播的时间，当然也可以通过测量温度来补偿，尽可能精确地测量出长度和距离，其电路简单易懂，还有容易操作，灵活敏捷，适应能力强等优点。

1.2 本设计任务的主要内容

设计一款以单片机为主体的超声测波测距仪，其任务：

(1)理解利用基于单片机来超声波测距的基本原理和构造；

(2)设计出超声波测距仪的硬件，并作出实物；

(3)设计出超声波测距仪的程序；

(4)将测量的距离通过肉眼可以直接看到的数据表示出来，并对结果进行分析。

2 超声波测距原理

人类听到的声响是无止境的，能听见在20Hz到20kHz之间的声波，如果不在这个范畴之内，人类是听不到的。因此其若声波超过20kHz的，命名为超声波，它在空气中传播是直线的，其频率增长时，反射也会愈来愈明显。由这个特性为基础来设计基于超声波的测速仪^[1]。除此之外，超声波在介质为空气的环境中传输的时候的速率为330m/s,是非常迟缓的。这将会使咱们利用其测量更简易。超声波传感器依照压电效应，实现电能和机械能的转变，也就是说发射超声波是将电能转化成机械振动，继而产生超声波。当接收到返回的波时，将机械振动转变成电能。

从该超声波发射器发出超声波，发出的超声波按照某一个方向传输出去，在装置发出超声波的那一瞬间，计时器将开始启动，超声波则在介质空气传输，当超声波达到一个平面，并由其反弹回来，接收器接收到声波时，计时器停止工作。由在空气中传输的速率和得到的时间带入公式S=vt/2，算出被测物体的长度或距离。其原理图如下图2-1所示。

图2-1 超声波测距原理图

如果测距的过程中要求极其精确，还可以通过补偿温度的方式，加以修改校正，温度与声速的关系如表2-1所示。

表2-1 温度与声速的关系表

再结合温度传感器测来的温度，可根据表中关系迅速得到声速的大小，紧接着由公式通过简单计算得出距离 ，并将数据传到数码管显示出来。

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