基于51单片机的超声波测距系统设计与研究
基于51单片机的超声波测距系统设计与研究[20200410135245]
摘 要
超声波测距技术作为当代高新技术，正在渐渐取代着普通的测量技术，因此有很重要的研究意义。本次设计主要的控制芯片是单片机STC89C52，所以首先需要对该芯片的功能进行详细的了解。整个设计并不是很复杂，主要的工作是把系统的电路图设计出来，然后把各个元器件正确的连接到电路中，在软件的驱动下实现测距功能。在本文中，具体介绍了超声波测距仪的工作原理和各个元器件的功能，以及超声波测距仪调试需注意的事项和出现的一些问题，最后提出了如何解决问题和进一步改善系统。
摘 要
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STC89C52实现测距调试
目 录
1. 绪论 1
1.1项目研究的背景 1
1.2设计的目的 1
1.3课题的主要研究内容................................................................................................2
2. 超声波测距的总体方案 3
2.1超声波的介绍 3
2.1.1超声波的传播速度 3
2.1.2超声波的物理性质 3
2.2超声波测距的原理 5
2.3超声换能器 6
2.4发射脉冲宽度 9
2.5测量盲区 9
3. 硬件电路的设计 10
3.1系统总体方案 10
3.2单片机最简系统分析 11
3.2.2 时钟信号 11
3.2.2复位 12
3.3蜂鸣器报警电路 13
3.4数码管及其驱动电路 14
3.5按键控制 15
3.6超声波测距模块 16
3.6.1超声波发射电路 17
3.6.2超声波接收电路 18
4. 软件设计 19
4.1主程序 20
4.2中断程序 21
4.3显示模块设计 23
4.4报警模块设计 24
5. 超声波测距仪调试 25
总结 29
参考文献 30
致谢 31
附录 32
附件1:原理图 32
附件2：实物图 33
附件3：程序 34
附件4：元器件清单 44
1. 绪论
1.1 项目研究的背景
超声波测距在第一次世界大战时期被人们发现并加以研究，在这个快速发展的科技时代，超声波测距已经被越来越多的人知道和运用。但目前的情况而言，人们可以用于测距的技术仍然是非常有限的，超声波测距仪是一种新的测量工具，它具有很好的前景和广阔的发展空间，为了满足社会发展的需求，它测量的精度和定位也在不断地完善。比如声呐的研究方向是：为了解决武器在水中不被看见的攻击需求，被动声呐测距将被研制，并具有非常高的精度；在海水不够深的区域，目标被潜艇声呐很难识别，潜艇的自身噪音也需要被降低，所以需要研发出有着更好工作环境的声呐潜艇。毋庸置疑，在不久的将来，超声波测距仪将与自动化仪器融为一体，解决更多复杂的问题，相信不断更新升级的测距仪会发挥更大的作用。
1.2 设计的目的
超声波测距是非接触性检测技术，并且具有高精度，基本无损耗等优良的特点，能够在高温，粉尘，潮湿，腐蚀等恶劣的环境下进行测量。目前超声波测距在机器人的研究，机械制造，航空航天，自动化工业领域等有了广泛的运用。目前汽车产业在快速的增长，由汽车引起的事故也在不断增加，于是根据超声波测距原理发明了倒车雷达，这样就能很好的躲避障碍物，减少事故的发生。在工业中，超声波测距仪能够解决一些空间上测量限制的问题，在精度不断精确后，对精密仪器的测量也起到了很好的效果。在军事上，超声波测距有着巨大的潜力，不断提高其测量精度，相信在未来能够起到反侦察的作用。可见设计好超声波测距仪意义重大，这也是本课题研究的意义。
1.3 课题的主要研究内容
本课题主要目的是实现超声波的测距功能，利用单片机以及一些相关的元器件材料进行研究制作。研究的内容有以下几个部分：
（1）超声波和超声波测距的一些基本知识。
（2）超声波换能器的原理和结构。
（3）单片机STC89C52结构和功能的了解。
（4）规划电路模块，硬件电路的搭建。
（5）实现按键对距离的设定。
（6）数码管稳定的显示出测量距离。
（7）蜂鸣器的结构和功能的实现。
（8）编写各模块软件，实现相应的功能。
2. 超声波测距的总体方案
2.1 超声波的介绍
声音是一种自然现象，与人们生活息息相关，人类能够听到声音的频率范围是20Hz ~ 20kHz[1]。低于20Hz的声波称作次声波，如果它的强度达到一定的强度时对人体有害的，而高于20KHz的声波我们称作为超声波。超声波在我国的研究非常活跃，因为它在各行各业都有一定的用处，它对改善产品的质量，提高生产的效率，保障设备和生产安全等方面都有潜在的能力。不同的超声波振幅有不同的分类，功率超声是指能够让事物发生变化的应用，检测超声波是通过超声波来获取所需信息。
2.1.1 超声波的传播速度
超声波能根据质点在介质中振动的方向产生不同的振荡波，振荡波分为横波、表面波、纵波三种[2]。横波的局限性比较大，只有在固体中才能传播，而纵波比较全面，在固、液、气中都能传播，表面波是根据深度的增加其衰减越快。为了满足测量的多样性，使用的超声波是纵波。
超声波的传播速度受到介质密度的影响，在固、液、气中传播的速度是不同的。在固体中传播最快，而在气体、液体中相对比较慢一点[3]。固体中，超声波速度还能分为纵波传播速度与横波传播速度，纵波传播与介质的形状有关，如在细棒和薄板中速度是不同的，通常可以把纵波的声速看做横波的两倍。
2.1.2 超声波的物理性质
(1) 超声波的反射和折射
当超声波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质的密度不同，在两种介质的交界处会出现两种现象，超声波入射波有一部分发生了反射，另一部分发生了折射，如图2-1。这种现象称为超声波的反射和折射[4]。
图2-1 超声波的反射与折射
它们之间有这样的定律存在： 。
其中a为入射角，b为折射角，c1，c2分别为入射波和折射波的速度。
如果超声波以90度的入射角进入界面时， ，那么反射波和折射波都看不见。当sin > ，入射波全部被反射，折射波将在临界面中完全看不见。
当超声波斜着射入到两个固体介质面时。会同时出现反射纵波、折射纵波、反射横波、折射横波这四种波。
（2）超声波的衰减
超声波传播的距离越远，能量衰减的就越多，因为超声波在传播时带动介质分子振动会损耗掉自身的能量。衰减的速度和超声波的频率也有很大关系，频率越高，衰减越快[5]。
（3）超声波的干涉
当一种介质中有几个超声波同时在传播，这样可能出现波的干涉现象。如果有两个频率相等的波，它们的振幅是不同的，有一定的波程差，它们共同作用时振幅会发生改变。
由于超声波干涉的原因，在辐射器附近会有加强或者被削弱的声场[6]。
2.2 超声波测距的原理
超声波测距仪式是一种利用超声波来测量传感器到障碍物之间距离的仪器。超声波可以在空气中传播，不同的空气温度超声波传播的速度也是不同的，它在室温下传播速度约为345m/s，具体温度与速度的关系见下表2-1。超声波在传播时碰到物体会发生反射，声波的这个特征与“闻其声，不见其人”的原理相似。
表2-1 温度与速度的关系
摘 要
超声波测距技术作为当代高新技术，正在渐渐取代着普通的测量技术，因此有很重要的研究意义。本次设计主要的控制芯片是单片机STC89C52，所以首先需要对该芯片的功能进行详细的了解。整个设计并不是很复杂，主要的工作是把系统的电路图设计出来，然后把各个元器件正确的连接到电路中，在软件的驱动下实现测距功能。在本文中，具体介绍了超声波测距仪的工作原理和各个元器件的功能，以及超声波测距仪调试需注意的事项和出现的一些问题，最后提出了如何解决问题和进一步改善系统。
摘 要
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STC89C52实现测距调试
目 录
1. 绪论 1
1.1项目研究的背景 1
1.2设计的目的 1
1.3课题的主要研究内容................................................................................................2
2. 超声波测距的总体方案 3
2.1超声波的介绍 3
2.1.1超声波的传播速度 3
2.1.2超声波的物理性质 3
2.2超声波测距的原理 5
2.3超声换能器 6
2.4发射脉冲宽度 9
2.5测量盲区 9
3. 硬件电路的设计 10
3.1系统总体方案 10
3.2单片机最简系统分析 11
3.2.2 时钟信号 11
3.2.2复位 12
3.3蜂鸣器报警电路 13
3.4数码管及其驱动电路 14
3.5按键控制 15
3.6超声波测距模块 16
3.6.1超声波发射电路 17
3.6.2超声波接收电路 18
4. 软件设计 19
4.1主程序 20
4.2中断程序 21
4.3显示模块设计 23
4.4报警模块设计 24
5. 超声波测距仪调试 25
总结 29
参考文献 30
致谢 31
附录 32
附件1:原理图 32
附件2：实物图 33
附件3：程序 34
附件4：元器件清单 44
1. 绪论
1.1 项目研究的背景
超声波测距在第一次世界大战时期被人们发现并加以研究，在这个快速发展的科技时代，超声波测距已经被越来越多的人知道和运用。但目前的情况而言，人们可以用于测距的技术仍然是非常有限的，超声波测距仪是一种新的测量工具，它具有很好的前景和广阔的发展空间，为了满足社会发展的需求，它测量的精度和定位也在不断地完善。比如声呐的研究方向是：为了解决武器在水中不被看见的攻击需求，被动声呐测距将被研制，并具有非常高的精度；在海水不够深的区域，目标被潜艇声呐很难识别，潜艇的自身噪音也需要被降低，所以需要研发出有着更好工作环境的声呐潜艇。毋庸置疑，在不久的将来，超声波测距仪将与自动化仪器融为一体，解决更多复杂的问题，相信不断更新升级的测距仪会发挥更大的作用。
1.2 设计的目的
超声波测距是非接触性检测技术，并且具有高精度，基本无损耗等优良的特点，能够在高温，粉尘，潮湿，腐蚀等恶劣的环境下进行测量。目前超声波测距在机器人的研究，机械制造，航空航天，自动化工业领域等有了广泛的运用。目前汽车产业在快速的增长，由汽车引起的事故也在不断增加，于是根据超声波测距原理发明了倒车雷达，这样就能很好的躲避障碍物，减少事故的发生。在工业中，超声波测距仪能够解决一些空间上测量限制的问题，在精度不断精确后，对精密仪器的测量也起到了很好的效果。在军事上，超声波测距有着巨大的潜力，不断提高其测量精度，相信在未来能够起到反侦察的作用。可见设计好超声波测距仪意义重大，这也是本课题研究的意义。
1.3 课题的主要研究内容
本课题主要目的是实现超声波的测距功能，利用单片机以及一些相关的元器件材料进行研究制作。研究的内容有以下几个部分：
（1）超声波和超声波测距的一些基本知识。
（2）超声波换能器的原理和结构。
（3）单片机STC89C52结构和功能的了解。
（4）规划电路模块，硬件电路的搭建。
（5）实现按键对距离的设定。
（6）数码管稳定的显示出测量距离。
（7）蜂鸣器的结构和功能的实现。
（8）编写各模块软件，实现相应的功能。
2. 超声波测距的总体方案
2.1 超声波的介绍
声音是一种自然现象，与人们生活息息相关，人类能够听到声音的频率范围是20Hz ~ 20kHz[1]。低于20Hz的声波称作次声波，如果它的强度达到一定的强度时对人体有害的，而高于20KHz的声波我们称作为超声波。超声波在我国的研究非常活跃，因为它在各行各业都有一定的用处，它对改善产品的质量，提高生产的效率，保障设备和生产安全等方面都有潜在的能力。不同的超声波振幅有不同的分类，功率超声是指能够让事物发生变化的应用，检测超声波是通过超声波来获取所需信息。
2.1.1 超声波的传播速度
超声波能根据质点在介质中振动的方向产生不同的振荡波，振荡波分为横波、表面波、纵波三种[2]。横波的局限性比较大，只有在固体中才能传播，而纵波比较全面，在固、液、气中都能传播，表面波是根据深度的增加其衰减越快。为了满足测量的多样性，使用的超声波是纵波。
超声波的传播速度受到介质密度的影响，在固、液、气中传播的速度是不同的。在固体中传播最快，而在气体、液体中相对比较慢一点[3]。固体中，超声波速度还能分为纵波传播速度与横波传播速度，纵波传播与介质的形状有关，如在细棒和薄板中速度是不同的，通常可以把纵波的声速看做横波的两倍。
2.1.2 超声波的物理性质
(1) 超声波的反射和折射
当超声波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质的密度不同，在两种介质的交界处会出现两种现象，超声波入射波有一部分发生了反射，另一部分发生了折射，如图2-1。这种现象称为超声波的反射和折射[4]。
图2-1 超声波的反射与折射
它们之间有这样的定律存在： 。
其中a为入射角，b为折射角，c1，c2分别为入射波和折射波的速度。
如果超声波以90度的入射角进入界面时， ，那么反射波和折射波都看不见。当sin > ，入射波全部被反射，折射波将在临界面中完全看不见。
当超声波斜着射入到两个固体介质面时。会同时出现反射纵波、折射纵波、反射横波、折射横波这四种波。
（2）超声波的衰减
超声波传播的距离越远，能量衰减的就越多，因为超声波在传播时带动介质分子振动会损耗掉自身的能量。衰减的速度和超声波的频率也有很大关系，频率越高，衰减越快[5]。
（3）超声波的干涉
当一种介质中有几个超声波同时在传播，这样可能出现波的干涉现象。如果有两个频率相等的波，它们的振幅是不同的，有一定的波程差，它们共同作用时振幅会发生改变。
由于超声波干涉的原因，在辐射器附近会有加强或者被削弱的声场[6]。
2.2 超声波测距的原理
超声波测距仪式是一种利用超声波来测量传感器到障碍物之间距离的仪器。超声波可以在空气中传播，不同的空气温度超声波传播的速度也是不同的，它在室温下传播速度约为345m/s，具体温度与速度的关系见下表2-1。超声波在传播时碰到物体会发生反射，声波的这个特征与“闻其声，不见其人”的原理相似。
表2-1 温度与速度的关系
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