avr单片机的超声波测距仪的研究与开发
随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用也将越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限。因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。本文在阐述了超声波测距原理的基础之上，以STC89C52单片机芯片作为主控单元，使其连续发出10us以上高电平，触发超声波测距模块HC-SR04发出8个40kHz方波，接收到回波后利用渡越时间法计算距离。作为一种非接触式测距仪，为了满足实际应用的需要，在分析测量误差产生的原因之后，通过温度补偿，湿度补偿，固定距测量误差校正以及分段线性插值法校正等方法大大提高了测距的精度。
目录
摘要 3
1绪论 4
1.1课题研究背景 4
1.2国内外研究概况及应用前景 4
2 超声波测距的基本原理 4
2.1超声波技术 4
2.1.1超声波定义 4
2.1.2超声波的传播速度 5
2.1.3超声波的产生 5
2.1.4超声波的反射与回波 5
2.2超声波测距原理 5
2.2.1超声波测距方法选择 5
2.2.2测距原理 6
3系统硬件设计 7
3.1单片机主控模块 8
3.2超声波收发模块 9
3.3温度补偿模块 10
3.3.1 DS18B20温度传感器 10
3.3.2 DS18B20工作原理 11
3.4显示模块与预警模块 12
4系统软件设计 13
4.1系统开发工具与平台 13
4.2软件设计 14
4.2.1定时器初始化、LCD初始化及显示子程序 15
4.2.2温度检测读取子程序 16
4.2.3超声波收发子程序 18
4.2.4测距误差分析及校正子程序 18
5结论与展望 22
5.1结论 22
5.2展望 23
致谢 23
参考文献 24
基于AVR单片机的超声波测距仪的研究与开发
引言
1 绪 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
论
1．1 课题研究背景
利用超声波测量基准位置与目标位置之间的距离，叫做超声波测距，仿生学中依据的是蝙蝠等无目视能力的生物发出超声波以定位障碍或猎物的手段。由于声音在空气介质中的传播速度要远远小于光速，利于检测其传播时间，故人类采用仿真技能使用超声波测距。
超声波测距技术是一种非接触的检测方式。在实际应用中，它几乎不受空气中粉尘、烟雾以及电、磁场的影响；同雷达、激光测距等技术相比，它又具有结构简单、成本低廉、可靠性高等特点。基于以上特点，超声波测距在实际生活中的应用非常广泛，例如：液位测量、机器人定位、汽车倒车防撞、井深测量及管道长度测量。
1．2 国内外研究概况及应用前景
历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始的。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的KK公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息均可显示，并可接微型打印机打印。
目前，超声波已应用在民用及国防工业中。例如：用超声波探测海洋潜艇位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置。利用超声波在固体里传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物界面上的反射来确定物体内部损伤（如裂缝、气孔及杂质等）位置，称之为无损探伤。利用超声波测距辅助机器人确定自身位置和环境识别，从而准确避开障碍物按照预先规划好的行进方向行进来完成预定任务。另外还应用于矿井探测、液面探测、建筑、汽车报警等领域。
随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用也将越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限。因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。超声波测距技术在自动化技术中应用较多，可以应用于汽车倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于井深、液位、管道长度的测量等场合。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。
展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常有用的工具在各方面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。
2 超声波测距的基本原理
2．1 超声波技术
2．1．1 超声波定义
每秒钟机械振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹（Hz）。人耳能听到的声波频率范围为20Hz~20000Hz。也就是说，当声波频率小于20Hz或是大于20000Hz时，人类便听不到声音了。其中，小于20Hz的声波称为“次声波”，大于20000Hz的声波便被称为“超声波”。
由公式v=λ* f可知，在声速一定的情况下，频率越高，波长越短。故超声波的波长要比一般声波短，因而具有良好的方向性，且能透过不透明物质；另外，由于声波能量与频率的平方成正比，故超声波的能量非常高，穿透能力强，在介质中传输时能量损失小，传输距离长。这些特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
2．1．2 超声波的传播速度
超声波速度也即声速，是指声波在介质中的传播速度。其大小随着介质的性质和状态的改变而改变。在形态不同的介质下，声速大小：固体 > 液体 > 气体。如在常温情况下，声速在空气中约为340m/s，在水中约为1500m/s，在铁棒中约为5200m/s。而在超声波应用最广泛的空气中，声速也受到温度、湿度、气压、气体杂质等因素的影响。其中，尤以温度影响明显。据测算，相同状态大气下，温度每升高1摄氏度，声速约增加0.6m/s。
声速与温度关系表21
温度（摄氏度）
30
20
10
0
10
20
30
100
声速（米/秒）
313
319
325
目录
摘要 3
1绪论 4
1.1课题研究背景 4
1.2国内外研究概况及应用前景 4
2 超声波测距的基本原理 4
2.1超声波技术 4
2.1.1超声波定义 4
2.1.2超声波的传播速度 5
2.1.3超声波的产生 5
2.1.4超声波的反射与回波 5
2.2超声波测距原理 5
2.2.1超声波测距方法选择 5
2.2.2测距原理 6
3系统硬件设计 7
3.1单片机主控模块 8
3.2超声波收发模块 9
3.3温度补偿模块 10
3.3.1 DS18B20温度传感器 10
3.3.2 DS18B20工作原理 11
3.4显示模块与预警模块 12
4系统软件设计 13
4.1系统开发工具与平台 13
4.2软件设计 14
4.2.1定时器初始化、LCD初始化及显示子程序 15
4.2.2温度检测读取子程序 16
4.2.3超声波收发子程序 18
4.2.4测距误差分析及校正子程序 18
5结论与展望 22
5.1结论 22
5.2展望 23
致谢 23
参考文献 24
基于AVR单片机的超声波测距仪的研究与开发
引言
1 绪 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
论
1．1 课题研究背景
利用超声波测量基准位置与目标位置之间的距离，叫做超声波测距，仿生学中依据的是蝙蝠等无目视能力的生物发出超声波以定位障碍或猎物的手段。由于声音在空气介质中的传播速度要远远小于光速，利于检测其传播时间，故人类采用仿真技能使用超声波测距。
超声波测距技术是一种非接触的检测方式。在实际应用中，它几乎不受空气中粉尘、烟雾以及电、磁场的影响；同雷达、激光测距等技术相比，它又具有结构简单、成本低廉、可靠性高等特点。基于以上特点，超声波测距在实际生活中的应用非常广泛，例如：液位测量、机器人定位、汽车倒车防撞、井深测量及管道长度测量。
1．2 国内外研究概况及应用前景
历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始的。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的KK公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息均可显示，并可接微型打印机打印。
目前，超声波已应用在民用及国防工业中。例如：用超声波探测海洋潜艇位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置。利用超声波在固体里传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物界面上的反射来确定物体内部损伤（如裂缝、气孔及杂质等）位置，称之为无损探伤。利用超声波测距辅助机器人确定自身位置和环境识别，从而准确避开障碍物按照预先规划好的行进方向行进来完成预定任务。另外还应用于矿井探测、液面探测、建筑、汽车报警等领域。
随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用也将越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限。因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。超声波测距技术在自动化技术中应用较多，可以应用于汽车倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于井深、液位、管道长度的测量等场合。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。
展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常有用的工具在各方面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。
2 超声波测距的基本原理
2．1 超声波技术
2．1．1 超声波定义
每秒钟机械振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹（Hz）。人耳能听到的声波频率范围为20Hz~20000Hz。也就是说，当声波频率小于20Hz或是大于20000Hz时，人类便听不到声音了。其中，小于20Hz的声波称为“次声波”，大于20000Hz的声波便被称为“超声波”。
由公式v=λ* f可知，在声速一定的情况下，频率越高，波长越短。故超声波的波长要比一般声波短，因而具有良好的方向性，且能透过不透明物质；另外，由于声波能量与频率的平方成正比，故超声波的能量非常高，穿透能力强，在介质中传输时能量损失小，传输距离长。这些特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
2．1．2 超声波的传播速度
超声波速度也即声速，是指声波在介质中的传播速度。其大小随着介质的性质和状态的改变而改变。在形态不同的介质下，声速大小：固体 > 液体 > 气体。如在常温情况下，声速在空气中约为340m/s，在水中约为1500m/s，在铁棒中约为5200m/s。而在超声波应用最广泛的空气中，声速也受到温度、湿度、气压、气体杂质等因素的影响。其中，尤以温度影响明显。据测算，相同状态大气下，温度每升高1摄氏度，声速约增加0.6m/s。
声速与温度关系表21
温度（摄氏度）
30
20
10
0
10
20
30
100
声速（米/秒）
313
319
325
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