基于单片机超声波测距仪的设计与实现
基于单片机超声波测距仪的设计与实现[20200419155052]
摘 要
超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，无接触等特点。所以，超声波测距普遍的运用于各行各业。本设计主要对超声波测距系统的原理及应用等进行分析与探究。由单片机为该测距仪的控制核心，发射电路和接收电路为辅助。并结合温度与精度的关系，对系统进行温度的补偿。 最后分析温度、角度、以及其它因素对测距误差产生影响的原因。并且通过改进测量角度以及合理运用温度参数计算，来完善超声波测距仪精度误差的问题。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:超声波测距单片机温度补偿精度误差
目录
1.绪论 1
1.1超声波测距的研究背景及意义 1
1.1.1测距仪研究的背景 1
1.1.2测距仪研究的意义 1
1.2设计项目概述 1
1.2.1设计的任务与要求 1
1.2.2 设计思路 2
2.超声波测距的原理 3
2.1超声波简介 3
2.2超声波传感器的原理 3
2.3超声波测距系统构成 4
3.系统方案选择 6
3.1方案一（集成式） 6
3.2方案二（带温度补偿的独立式） 6
3.3方案的比较与确定 6
4各单元硬件电路设计 7
4.1硬件总体结构设计 7
4.2超声波测距电路设计 7
4.2.1超声波传感器 7
4.2.2超声波发射电路设计 9
4.2.3超声波接收电路设计 9
4.3温度补偿电路设计 11
4.3.1温度传感器DS18B20 11
4.3.2 温度传感器与单片机的典型接口 12
4.4数码管显示模块 12
5系统软件设计 14
5.1主程序流程图 14
5.2子程序的设计 16
5.2.1超声波发射与接收子程序 16
5.2.2距离计算子程序 16
5.2.3温度检测子程序 17
5.2.4数码显示函数 18
6硬件与软件调试 19
6.1硬件调试 19
6.2软件调试 19
7系统误差与分析 20
7.1温度引起的误差 20
7.1.1温度与声速的关系 20
7.1.2试验比较 20
7.1.3温度误差分析 21
7.2角度引起的误差 21
7.2.1角度与距离的关系 21
7.2.2角度误差分析 22
7.3其它因素引起的误差 22
7.4问题的解决与改进 22
8总结 24
参考文献 25
附 录 26
附录一 26
附录二 27
致谢 34
1.绪论
1.1超声波测距的研究背景及意义
1.1.1测距仪研究的背景
超声波在时代发展的趋势下，被人们搬上了历史的舞台。但随着科学水平的进步超声波开始慢慢代替一些传统的测距手段。因为，这是一个新的创新领域又是一个正在迅速发展的技术。想象一下未来的发展。超声波传感器作为一只新秀，在各行各业都有着巨大的发展前期，它的使用将会是测量技术的象征，以满足于人们的生活和社会的所需。在生活中我们经常需要一些技术手段来帮助我们做一些难度较高的事。像在两个山崖之间搭建一个吊桥或者是水下作业人员在进入一些不明的海沟时，他们都需要一种无接触性的测量手段去处理这些问题。所以超声波本着它的优点被人们开发到测量距离的工程上去。大大提高了人们做事的效率，而本设计正是研究它为什么会广泛运用在多种场合中使用，并且分析它的优缺点。
1.1.2测距仪研究的意义
在当今的时代中，利用超声波测距仪可以很好的解决一些传统的测量方法无法处理的一些问题[1]。例如在某些特殊的场合以及恶劣的自然环境中。超声波本着自身的特性优势，以及完美的结合单片机充分的彰显出其功能齐全，操作简单，精度好的优点。被运用于各个领域，解决人们在日常生活或生产中的种种问题，在各国都被广泛的运用，充分体现出现代科技与实践的完美配合，本设计对其研究也有着重要的学术价值，对以后的技术创新有着深远的意义。
1.2设计项目概述
1.2.1设计的任务与要求
本课题是结合单片机与超声波的工作原理来实现超声波测距。主要适用于倒车雷达、液位的监控等场合。具体任务与要求如下：
（1） 没有任何接触的测量物体，并能够清楚准确的显示测量结果。
（2） 检测温度用于计算距离时做温度补偿
（3） 研究在不同温度下和不同介面下传播的影响
（4） 研究在不同折射角度下对距离的影响，
（5） 提出提高测距精度及稳定性的建议与方法。
1.2.2 设计思路
测量距离方法多种多样，短的可以用尺，远的可以用激光。而超声波测距适用于精度相对比较高的中短距离。因为超声波的传播速度很快，并且是由单片机控制，单片机特有的12.0M晶振，可以使系统测量精度达到较高的水平，所以对超声波测距研究有着特殊的意义。
超声波测距的设计想法：超声波对被测体发出频率信号，通过获取发射频率的信号与接收频率信号的所用时间，来测算出与被测体之间的距离。例如一些超声波测量液位的装置，能够适用于无接触的场合。超声波本着有在介质中传播远，能量消耗缓慢，指向性强的特点，所以被用于距离的测量[2]。超声波测距有着设计容易，计算处理简单。但是目前国内外做超声波测距的手段大多都是批量化的集成，对于精度方面要求自然也不是很高。本设计重在设计的过程与精度的研究方面，所以采用了独立式的电路来研制超声波测距仪。并且能够在产生现象的同时研究分析出影响其精度误差的原因，以及能够通过自己所学的知识来改进完善该系统。
根据设计的要求以及多方面的因素，起先决定采用专用集成电路来设计测距仪，但是由于集成式芯片成本高，功能较为单一。所以本设计选择成本较低，操作简单，精度好的单片机作为核心。以STC89C52单片机系列作为控制的核心，因为它硬件结构功能部件齐全、功能强的优势。而发射信号与接收信号的装置考虑到成本问题最后决定用反相器和专用的接收器来制作。并且设计一个温度补偿的装置来控制精度的误差。
利用单片机进行对超声波信号的采集与处理可以轻松的控制。而通过温度补偿装置，可以更好的降低误差值，对测得的数据能够更加的优化；并且可以动态的显示出变化的数据实用性十分的强。
2.超声波测距的原理
2.1超声波简介
通常当物体发生振动会产生声音。振动次数叫做声波频率，它的单位是赫兹。我们将频率在20? 20000赫兹并且能被人耳所能见到的机械波称为声波。频率大于或小于20赫兹的机械波是人耳所不能听见的次声波[3]。而高于20,000赫兹的频率的机械波就被称为“超声波”。超声波方向性，穿透力强能够在水，空气和固体中传播。广泛的被军事，工业，农业所使用。
经多方研究证明，超声波所产生的振荡能量与频率息息相关。能量越大，频率就会越高。例如，深海的潜艇在海下运动时。通过超声波能在水下传播，遇到固体障碍物时会反射，使潜艇免于触礁石的危险，这就是声呐探测器的原理。对于汽车泊位，利用障碍物到车子的距离发出警告从而汽车可以准备的停泊在正确的位置，超声波广泛的用于车载倒车雷达中。而超声波碎石器就是利用超声波产生的能量，利用声能转换成动能来击碎人内部的结石制造出来的。
2.2超声波传感器的原理
超声波有别的声波没有的特性，例如传播速度快，距离远。被用于超声波传感器的制造。
超声波传感器结构主要分为发射器和接收器。有分立式型和一体式型两种，分立式型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；一体式型就是发送器和接收器一体式，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等[4]。每一种频率都有其适用的场合。
摘 要
超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，无接触等特点。所以，超声波测距普遍的运用于各行各业。本设计主要对超声波测距系统的原理及应用等进行分析与探究。由单片机为该测距仪的控制核心，发射电路和接收电路为辅助。并结合温度与精度的关系，对系统进行温度的补偿。 最后分析温度、角度、以及其它因素对测距误差产生影响的原因。并且通过改进测量角度以及合理运用温度参数计算，来完善超声波测距仪精度误差的问题。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:超声波测距单片机温度补偿精度误差
目录
1.绪论 1
1.1超声波测距的研究背景及意义 1
1.1.1测距仪研究的背景 1
1.1.2测距仪研究的意义 1
1.2设计项目概述 1
1.2.1设计的任务与要求 1
1.2.2 设计思路 2
2.超声波测距的原理 3
2.1超声波简介 3
2.2超声波传感器的原理 3
2.3超声波测距系统构成 4
3.系统方案选择 6
3.1方案一（集成式） 6
3.2方案二（带温度补偿的独立式） 6
3.3方案的比较与确定 6
4各单元硬件电路设计 7
4.1硬件总体结构设计 7
4.2超声波测距电路设计 7
4.2.1超声波传感器 7
4.2.2超声波发射电路设计 9
4.2.3超声波接收电路设计 9
4.3温度补偿电路设计 11
4.3.1温度传感器DS18B20 11
4.3.2 温度传感器与单片机的典型接口 12
4.4数码管显示模块 12
5系统软件设计 14
5.1主程序流程图 14
5.2子程序的设计 16
5.2.1超声波发射与接收子程序 16
5.2.2距离计算子程序 16
5.2.3温度检测子程序 17
5.2.4数码显示函数 18
6硬件与软件调试 19
6.1硬件调试 19
6.2软件调试 19
7系统误差与分析 20
7.1温度引起的误差 20
7.1.1温度与声速的关系 20
7.1.2试验比较 20
7.1.3温度误差分析 21
7.2角度引起的误差 21
7.2.1角度与距离的关系 21
7.2.2角度误差分析 22
7.3其它因素引起的误差 22
7.4问题的解决与改进 22
8总结 24
参考文献 25
附 录 26
附录一 26
附录二 27
致谢 34
1.绪论
1.1超声波测距的研究背景及意义
1.1.1测距仪研究的背景
超声波在时代发展的趋势下，被人们搬上了历史的舞台。但随着科学水平的进步超声波开始慢慢代替一些传统的测距手段。因为，这是一个新的创新领域又是一个正在迅速发展的技术。想象一下未来的发展。超声波传感器作为一只新秀，在各行各业都有着巨大的发展前期，它的使用将会是测量技术的象征，以满足于人们的生活和社会的所需。在生活中我们经常需要一些技术手段来帮助我们做一些难度较高的事。像在两个山崖之间搭建一个吊桥或者是水下作业人员在进入一些不明的海沟时，他们都需要一种无接触性的测量手段去处理这些问题。所以超声波本着它的优点被人们开发到测量距离的工程上去。大大提高了人们做事的效率，而本设计正是研究它为什么会广泛运用在多种场合中使用，并且分析它的优缺点。
1.1.2测距仪研究的意义
在当今的时代中，利用超声波测距仪可以很好的解决一些传统的测量方法无法处理的一些问题[1]。例如在某些特殊的场合以及恶劣的自然环境中。超声波本着自身的特性优势，以及完美的结合单片机充分的彰显出其功能齐全，操作简单，精度好的优点。被运用于各个领域，解决人们在日常生活或生产中的种种问题，在各国都被广泛的运用，充分体现出现代科技与实践的完美配合，本设计对其研究也有着重要的学术价值，对以后的技术创新有着深远的意义。
1.2设计项目概述
1.2.1设计的任务与要求
本课题是结合单片机与超声波的工作原理来实现超声波测距。主要适用于倒车雷达、液位的监控等场合。具体任务与要求如下：
（1） 没有任何接触的测量物体，并能够清楚准确的显示测量结果。
（2） 检测温度用于计算距离时做温度补偿
（3） 研究在不同温度下和不同介面下传播的影响
（4） 研究在不同折射角度下对距离的影响，
（5） 提出提高测距精度及稳定性的建议与方法。
1.2.2 设计思路
测量距离方法多种多样，短的可以用尺，远的可以用激光。而超声波测距适用于精度相对比较高的中短距离。因为超声波的传播速度很快，并且是由单片机控制，单片机特有的12.0M晶振，可以使系统测量精度达到较高的水平，所以对超声波测距研究有着特殊的意义。
超声波测距的设计想法：超声波对被测体发出频率信号，通过获取发射频率的信号与接收频率信号的所用时间，来测算出与被测体之间的距离。例如一些超声波测量液位的装置，能够适用于无接触的场合。超声波本着有在介质中传播远，能量消耗缓慢，指向性强的特点，所以被用于距离的测量[2]。超声波测距有着设计容易，计算处理简单。但是目前国内外做超声波测距的手段大多都是批量化的集成，对于精度方面要求自然也不是很高。本设计重在设计的过程与精度的研究方面，所以采用了独立式的电路来研制超声波测距仪。并且能够在产生现象的同时研究分析出影响其精度误差的原因，以及能够通过自己所学的知识来改进完善该系统。
根据设计的要求以及多方面的因素，起先决定采用专用集成电路来设计测距仪，但是由于集成式芯片成本高，功能较为单一。所以本设计选择成本较低，操作简单，精度好的单片机作为核心。以STC89C52单片机系列作为控制的核心，因为它硬件结构功能部件齐全、功能强的优势。而发射信号与接收信号的装置考虑到成本问题最后决定用反相器和专用的接收器来制作。并且设计一个温度补偿的装置来控制精度的误差。
利用单片机进行对超声波信号的采集与处理可以轻松的控制。而通过温度补偿装置，可以更好的降低误差值，对测得的数据能够更加的优化；并且可以动态的显示出变化的数据实用性十分的强。
2.超声波测距的原理
2.1超声波简介
通常当物体发生振动会产生声音。振动次数叫做声波频率，它的单位是赫兹。我们将频率在20? 20000赫兹并且能被人耳所能见到的机械波称为声波。频率大于或小于20赫兹的机械波是人耳所不能听见的次声波[3]。而高于20,000赫兹的频率的机械波就被称为“超声波”。超声波方向性，穿透力强能够在水，空气和固体中传播。广泛的被军事，工业，农业所使用。
经多方研究证明，超声波所产生的振荡能量与频率息息相关。能量越大，频率就会越高。例如，深海的潜艇在海下运动时。通过超声波能在水下传播，遇到固体障碍物时会反射，使潜艇免于触礁石的危险，这就是声呐探测器的原理。对于汽车泊位，利用障碍物到车子的距离发出警告从而汽车可以准备的停泊在正确的位置，超声波广泛的用于车载倒车雷达中。而超声波碎石器就是利用超声波产生的能量，利用声能转换成动能来击碎人内部的结石制造出来的。
2.2超声波传感器的原理
超声波有别的声波没有的特性，例如传播速度快，距离远。被用于超声波传感器的制造。
超声波传感器结构主要分为发射器和接收器。有分立式型和一体式型两种，分立式型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；一体式型就是发送器和接收器一体式，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等[4]。每一种频率都有其适用的场合。
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