51单片机多功能测距设计
随着测距技术的广泛应用，超声波测距在汽车倒车雷达上的应用也越来越普遍。但是，许多品牌汽车的倒车雷达都只有单一的语音播报报警或者单一的数字显示距离，且在复杂的外部环境下难以做到精确测距。因此我们有必要设计一款可以实现语音播报报警与数据显示相结合，并且在复杂的环境下如极冷或极热情况下实现精确测量的测距仪。经过我的深入了解与研究，多功能测距的系统硬件和软件设计会比较实用，并且会具有实用性好，应用范围广，环境适应性强等优点，可以适用于汽车倒车雷达，工业测距，医院等场合。利用超声波检测通常更快速、便利、计算容易、实时控制容易达成，且测量的精度在温度变化幅度大的地区也可以保证。相信未来测距技术的设计与研究将会适用于更多的场合服务于大众。
目录
一、绪论 1
1.1背景及重要意义 1
1.2设计任务及目标 1
1.3 设计参数要求 1
1.4测距原理 2
二、系统硬件设计 3
2.1对超声波的认识 3
2.2器材的选择 3
2.3 单片机模块 4
2.4 超声波发射电路 6
2.5 超声波检测接收电路 7
2.6 数码管显示电路设计 8
2.7 语音模块设计 8
2.8 温度补偿模块 10
三、系统软件设计 11
3.1主程序设计 11
四、系统调试 13
4.1 实物制作 13
4.2功能测试 13
五、总结与展望 16
六、参考文献 16
致谢 17
附录一 原理图 18
附录二 主要源程序 19
附录三 元器件清单 29
附录四 PCB图 30
一、绪论
1.1背景及重要意义
近年来，随着测距技术的快速发展，超声波也愈来愈在测距仪中得到广泛运用。超声波一种超出20kHz频率的机械波。超声波也是遵守在弹性介质中传布机械波的介质界面反射、折射、介质中和吸收衰减等一般
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
规律的。恰是因为这些特征，超声波能够用于距离测量。随着科学技术的不断进步，在人们的日常工作和生活中超声波测距技术得到了广泛的采用。
超声波测距，需求的是测量传输到接收信号开始的时间差，为了尽可能避免信号检测，使用回声来折射有用的信号用来检测。因为超声波测量有一个标准测量盲区。超声波信号接收与测量电路由一束随时间变化的连续的发射40kHz脉冲，从而更加方便接收到超声波信号。另一束是一个有效的信号，这是反映了表面的对象。声波被定义为介质中的纵波。当声波被大于波长的物体阻挡时，产生反射。若是声波在介质中传播的速率是已知的，以及声波从源到方针，继而返回到源的时段，从声波到目标的距离，就能够计算出来了。这是防撞报警系统的原理。
在上述背景下，多功能测距仪的设计显得尤为重要。本次设计的语音播报报警功能与温度补偿功能将会改善或者弥补汽车倒车雷达上的缺点，并对未来超声波测距的功能全面与精度有着深远的意义。
1.2设计任务及目标
为了解决当今一些汽车倒车雷达存在的问题，本课题设计研究了一款集超声波测距、语音播报、蜂鸣报警、数码显示和温度补偿等功能于一身的多功能测距系统。因此我需要了解超声波测距的原理以及根据超声波测距的原理，从而设计出多功能测距的硬件结构电路，完成语音播报和温度补偿模块。
本课题的目标是实现实时语音播报测量数据的同时在LED上显示，当测量距离超过预先设置的预警阀值时，蜂鸣器报警并且距离越短蜂鸣频率越快。最重要的是实现温度补偿功能从而为汽车倒车雷达在恶劣的气候条件下的测量精度问题提供技术与数据的参考。
1.3 设计参数要求
本课题的实现需要用具体的测试数据来体现，因此功能的设计与实现要达到如下参数要求：
（1）测量数值接近预警值时报警声音频率逐渐变快。
（2）测量范围在2cm4m，测量精度1cm。
（3）得出结果表明，与测量对象没有直接接触，测量结果清晰、稳定。
1.4测距原理
本设计采用单片机作为核心控制，显示模块为4个共阳极数码管，从而显示测量数值。由单片机接收超声波信号，通过单片机输出计算后得到测量距离，与此同时超声波发生器T发送超声波信号。如图11，当超声波遇到障碍物（对象）返回由接收器接受R的距离测量。
图11 测距的原理
因此，我们只需要计算出超声波传播的时间就可以计算出发射器与物体之间的距离。距离式：2 /（2 / TCSD）。我们务必发射超声波和接收超声波，才能利用超声波作为检测方法，该装置是实现超声波传感器的功用，俗称超声换能器。超声波传感器可用于发送和接收声波，不过有两种发射器和接收器也可以实现。超声波测距原理通常选用渡越时间法。第一次的经验是从超声波障碍物的发射测量，乘以超声波的速度。由于我们知道超声波在空气中的流速为332.45m/s，因此当学生和障碍物之间的距离是两倍，测量远距离的物体与物体之间的就离将更加精确。由于单片机利用的是12MHZ晶振，因此可以把系统理论的测量精确到毫米。
超声波是一种随环境温度与声波速率相关的一种波，所以我列出了变化的温度下的声速如表1。
表1 声速与温度关系表
因此当我们行使时，若是温度转变不大，不妨认为声速是基本稳定的。若是测距精度较高，则应采用温度补偿的方式进行校正。比如当带有倒车雷达的汽车在寒冷或炎热的天气下运行时，声速会因为温度的关系变化较大，从而影响测量数据。这时候我们就需要温度补偿模块根据外界的温度调整从而保证测量精度。
这样我们就可以通过测量传播时间从而得到距离数据。之前所证明的便是超声波测距系统的机理。
二、系统硬件设计
2.1对超声波的认识
超声波技术是一门集物理、电子、机械、材料科学为基础，可用于各行各业的通用技术之一。超声波技术是由超声波产生、传输和接收的物理过程来完成的。该技术在国民经济中，提高了产品质量，保证了生产安全和设备安全运行，降低了生产成本，提高了生产效率，特别是潜在的生产能力。因此，超声的研究在中国尤为活跃。超声波的传播速率在介质中产生的三种形式：传播方向的波与振动方向相垂直；纵波相干波的振动方向和传播方向；纵波和横波的质点振动之间的关系，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能够在固体液体和气体中传播。为了测量每个状态下的物理量，超声波采用纵波形式。
超声波的物理性质：
（1）和超声波的反射折射在超声波传播的平面界面两特性阻抗不同的媒体是超声波的一部分被反射；另外一部分是通过接口传输，然后在相邻介质中传播。这两个条件叫做超声反射和折射。
（2）超声波在介质中传播的衰减，声压和声强随指数函数衰减。
（3）超声波的干扰，如果少数声波在介质中传播，从而产生波的干涉。由于超声波干扰，包括最大和最小的扬声器字段形成在散热器周围。
目录
一、绪论 1
1.1背景及重要意义 1
1.2设计任务及目标 1
1.3 设计参数要求 1
1.4测距原理 2
二、系统硬件设计 3
2.1对超声波的认识 3
2.2器材的选择 3
2.3 单片机模块 4
2.4 超声波发射电路 6
2.5 超声波检测接收电路 7
2.6 数码管显示电路设计 8
2.7 语音模块设计 8
2.8 温度补偿模块 10
三、系统软件设计 11
3.1主程序设计 11
四、系统调试 13
4.1 实物制作 13
4.2功能测试 13
五、总结与展望 16
六、参考文献 16
致谢 17
附录一 原理图 18
附录二 主要源程序 19
附录三 元器件清单 29
附录四 PCB图 30
一、绪论
1.1背景及重要意义
近年来，随着测距技术的快速发展，超声波也愈来愈在测距仪中得到广泛运用。超声波一种超出20kHz频率的机械波。超声波也是遵守在弹性介质中传布机械波的介质界面反射、折射、介质中和吸收衰减等一般
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
规律的。恰是因为这些特征，超声波能够用于距离测量。随着科学技术的不断进步，在人们的日常工作和生活中超声波测距技术得到了广泛的采用。
超声波测距，需求的是测量传输到接收信号开始的时间差，为了尽可能避免信号检测，使用回声来折射有用的信号用来检测。因为超声波测量有一个标准测量盲区。超声波信号接收与测量电路由一束随时间变化的连续的发射40kHz脉冲，从而更加方便接收到超声波信号。另一束是一个有效的信号，这是反映了表面的对象。声波被定义为介质中的纵波。当声波被大于波长的物体阻挡时，产生反射。若是声波在介质中传播的速率是已知的，以及声波从源到方针，继而返回到源的时段，从声波到目标的距离，就能够计算出来了。这是防撞报警系统的原理。
在上述背景下，多功能测距仪的设计显得尤为重要。本次设计的语音播报报警功能与温度补偿功能将会改善或者弥补汽车倒车雷达上的缺点，并对未来超声波测距的功能全面与精度有着深远的意义。
1.2设计任务及目标
为了解决当今一些汽车倒车雷达存在的问题，本课题设计研究了一款集超声波测距、语音播报、蜂鸣报警、数码显示和温度补偿等功能于一身的多功能测距系统。因此我需要了解超声波测距的原理以及根据超声波测距的原理，从而设计出多功能测距的硬件结构电路，完成语音播报和温度补偿模块。
本课题的目标是实现实时语音播报测量数据的同时在LED上显示，当测量距离超过预先设置的预警阀值时，蜂鸣器报警并且距离越短蜂鸣频率越快。最重要的是实现温度补偿功能从而为汽车倒车雷达在恶劣的气候条件下的测量精度问题提供技术与数据的参考。
1.3 设计参数要求
本课题的实现需要用具体的测试数据来体现，因此功能的设计与实现要达到如下参数要求：
（1）测量数值接近预警值时报警声音频率逐渐变快。
（2）测量范围在2cm4m，测量精度1cm。
（3）得出结果表明，与测量对象没有直接接触，测量结果清晰、稳定。
1.4测距原理
本设计采用单片机作为核心控制，显示模块为4个共阳极数码管，从而显示测量数值。由单片机接收超声波信号，通过单片机输出计算后得到测量距离，与此同时超声波发生器T发送超声波信号。如图11，当超声波遇到障碍物（对象）返回由接收器接受R的距离测量。
图11 测距的原理
因此，我们只需要计算出超声波传播的时间就可以计算出发射器与物体之间的距离。距离式：2 /（2 / TCSD）。我们务必发射超声波和接收超声波，才能利用超声波作为检测方法，该装置是实现超声波传感器的功用，俗称超声换能器。超声波传感器可用于发送和接收声波，不过有两种发射器和接收器也可以实现。超声波测距原理通常选用渡越时间法。第一次的经验是从超声波障碍物的发射测量，乘以超声波的速度。由于我们知道超声波在空气中的流速为332.45m/s，因此当学生和障碍物之间的距离是两倍，测量远距离的物体与物体之间的就离将更加精确。由于单片机利用的是12MHZ晶振，因此可以把系统理论的测量精确到毫米。
超声波是一种随环境温度与声波速率相关的一种波，所以我列出了变化的温度下的声速如表1。
表1 声速与温度关系表
因此当我们行使时，若是温度转变不大，不妨认为声速是基本稳定的。若是测距精度较高，则应采用温度补偿的方式进行校正。比如当带有倒车雷达的汽车在寒冷或炎热的天气下运行时，声速会因为温度的关系变化较大，从而影响测量数据。这时候我们就需要温度补偿模块根据外界的温度调整从而保证测量精度。
这样我们就可以通过测量传播时间从而得到距离数据。之前所证明的便是超声波测距系统的机理。
二、系统硬件设计
2.1对超声波的认识
超声波技术是一门集物理、电子、机械、材料科学为基础，可用于各行各业的通用技术之一。超声波技术是由超声波产生、传输和接收的物理过程来完成的。该技术在国民经济中，提高了产品质量，保证了生产安全和设备安全运行，降低了生产成本，提高了生产效率，特别是潜在的生产能力。因此，超声的研究在中国尤为活跃。超声波的传播速率在介质中产生的三种形式：传播方向的波与振动方向相垂直；纵波相干波的振动方向和传播方向；纵波和横波的质点振动之间的关系，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能够在固体液体和气体中传播。为了测量每个状态下的物理量，超声波采用纵波形式。
超声波的物理性质：
（1）和超声波的反射折射在超声波传播的平面界面两特性阻抗不同的媒体是超声波的一部分被反射；另外一部分是通过接口传输，然后在相邻介质中传播。这两个条件叫做超声反射和折射。
（2）超声波在介质中传播的衰减，声压和声强随指数函数衰减。
（3）超声波的干扰，如果少数声波在介质中传播，从而产生波的干涉。由于超声波干扰，包括最大和最小的扬声器字段形成在散热器周围。
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