单片机的超声波测距仪的设计
单片机的超声波测距仪的设计[20200131184114]
摘 要
测距仪是利用电磁波学、光学、声学等原理测量距离的仪器, 用于测量目标距离，进行航迹推算 。本文利用超声波的特点和优势结合AT89C51单片机、超声波传感器T40、R40和温度传感器DS18B20完成了一款基于单片机的超声波测距仪的设计。其中硬件部分由超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、电源电路、复位电路、温度补偿电路构成，软件部分用Keil C51软件编程，用Proteus ISIS软件进行其功能的测试仿真。系统有模块化、多用化的特点,易控制、测距准确度高、可读性强，具有一定的实用价值。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:AT89C51；超声波传感器；温度补偿；测距
目 录
一 绪论 1
（一） 课题研究的背景及意义 1
（二） 超声波简介 1
（三） 设计要求 3
二 主要元器件介绍 4
（一） 单片机AT89C51 4
（二） 超声波传感器T40、R40 6
（三） 温度传感器DS18B20 6
三 硬件电路设计 7
（一） 设计思路 7
（二） 流程图 8
（三） 超声波发射电路 8
（四） 超声波接收电路 9
（五） 测温电路 9
（六） 显示电路 10
（七） 电源电路 10
（八） 复位电路 11
四 软件设计 12
（一） 主程序流程 12
(二) 子程序设计 13
五 软件调试及系统仿真 16
（一） 软件编译调试环境——Keil 16
（二） 系统仿真环境——Proteus 17
（三） 系统仿真 17
（四） 误差及特性分析 19
结 论 20
致 谢 20
参考文献 21
附录I 程序原理图 22
附录II 仿真图 23
附录III 全部程序 24
（一）课题研究的背景及意义
随着科学技术的快速发展，测距仪的应用越来越广。在一些危险不是以直接测取的环境中，测距仪将会帮助人们更好地实现测距任务。如城市下水道排污是通过箱涵排水疏通移动机器人完成的，而箱涵排水疏通移动机器人的核心部分就是超声波测距仪。人们可以有效的且避开危险去精准的测量。测距仪正不断的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。
目前市场上的测距仪主要分为红外线测距仪和超声波测距仪两种等。其中，红外线测距仪便宜，易制，安全，但精度低，测量距离有限距，方向性差，易受空气中微波电磁波等干扰。 超声波测距仪则是利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，使得检测内容丰富，适用范围广，但受周围环境影响较大，所以一般测量距离比较短，测量精度比较低。
本文设计一个超声波测距仪。由超声波传感器发射超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。此系统成本低、结构简单、生产和安装方便的简单快捷。
（二） 超声波简介
在弹性介质中传播的机械波，一般统称为声波。按线性声学的特点，对声波产生的物理过程做如下定性描述：连续弹性煤质可以看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，当弹性煤质中的质点受到一些外界的干扰时，此质点就会产生偏离其原来平衡位置的运动，这一点偏离肯定会推动其他相邻质点也开始运动。随后，由于煤质的相互作用，该质点和与其靠近质点又会返回平衡位置，但是因为质点的运动惯性，它们又会在反方向发生上述过程。这样，煤质总质点相继在各自的平衡位置附近往返运动，便将扰动波的形式传播到周围更远的煤质中去，于是形成波动。
频率在20HZ---20KHZ之间能被人们听到的波称为声波；频率低于20HZ的机械波称为次声波；高于20KHZ的机械波称为超声波；而高于100MHZ的机械波，则称为特超声波。声波频率图如图1.1所示。
图1.1 声波频率界限图
超声波有以下三种形式：纵波是质点的振动方向与波的传播方向一致的波，它能在各种介质中传播；横波是质点振动方向垂直于振动方向的波，它只能在固体中传播；表面波是振动的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振动随深度的增加而迅速衰减的波。
超声波之所以能够得到广泛应用，因为超声波具有以下特点：
1 超声波为直线传播，绕射能力弱，辐射能力强。
2 超声波在液体、固体中传播衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度较慢。
3 超声波的频率越高，波束越窄，声波定向传播和反射能力也就越强，其能量远远大于振幅相同的低频声波。
4 超声波通常以纵波的形式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，在一定距离内沿直线传播且具有良好的束射性和方向性。
5 超声波的辐射特性出来与其振动频率有关外，还与超声波传感器的辐射面积有关。超声波传感器的辐射面积越大，超声波的波束角就越大。
本设计所发射的超声波主要是在40KHz频率范围。
超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收传感器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为C=340m/s，根据计时器记录的时间T, 就可以计算出发射点距障碍物的距离（d）,即：d=S/2=(C*T)/2。其中S为声波的来回路程。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的影响和干扰比较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。所以在超声波测量中，一贯是用40KHz的超声波。目前超声波测距的距离一般为几米到几十米，具有很强的抗干扰性能。
测距系统常用的频率范围为25KHz 300KHz的脉冲压力波，发射电路一般有振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频率宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接受的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。
摘 要
测距仪是利用电磁波学、光学、声学等原理测量距离的仪器, 用于测量目标距离，进行航迹推算 。本文利用超声波的特点和优势结合AT89C51单片机、超声波传感器T40、R40和温度传感器DS18B20完成了一款基于单片机的超声波测距仪的设计。其中硬件部分由超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、电源电路、复位电路、温度补偿电路构成，软件部分用Keil C51软件编程，用Proteus ISIS软件进行其功能的测试仿真。系统有模块化、多用化的特点,易控制、测距准确度高、可读性强，具有一定的实用价值。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:AT89C51；超声波传感器；温度补偿；测距
目 录
一 绪论 1
（一） 课题研究的背景及意义 1
（二） 超声波简介 1
（三） 设计要求 3
二 主要元器件介绍 4
（一） 单片机AT89C51 4
（二） 超声波传感器T40、R40 6
（三） 温度传感器DS18B20 6
三 硬件电路设计 7
（一） 设计思路 7
（二） 流程图 8
（三） 超声波发射电路 8
（四） 超声波接收电路 9
（五） 测温电路 9
（六） 显示电路 10
（七） 电源电路 10
（八） 复位电路 11
四 软件设计 12
（一） 主程序流程 12
(二) 子程序设计 13
五 软件调试及系统仿真 16
（一） 软件编译调试环境——Keil 16
（二） 系统仿真环境——Proteus 17
（三） 系统仿真 17
（四） 误差及特性分析 19
结 论 20
致 谢 20
参考文献 21
附录I 程序原理图 22
附录II 仿真图 23
附录III 全部程序 24
（一）课题研究的背景及意义
随着科学技术的快速发展，测距仪的应用越来越广。在一些危险不是以直接测取的环境中，测距仪将会帮助人们更好地实现测距任务。如城市下水道排污是通过箱涵排水疏通移动机器人完成的，而箱涵排水疏通移动机器人的核心部分就是超声波测距仪。人们可以有效的且避开危险去精准的测量。测距仪正不断的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。
目前市场上的测距仪主要分为红外线测距仪和超声波测距仪两种等。其中，红外线测距仪便宜，易制，安全，但精度低，测量距离有限距，方向性差，易受空气中微波电磁波等干扰。 超声波测距仪则是利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，使得检测内容丰富，适用范围广，但受周围环境影响较大，所以一般测量距离比较短，测量精度比较低。
本文设计一个超声波测距仪。由超声波传感器发射超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。此系统成本低、结构简单、生产和安装方便的简单快捷。
（二） 超声波简介
在弹性介质中传播的机械波，一般统称为声波。按线性声学的特点，对声波产生的物理过程做如下定性描述：连续弹性煤质可以看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，当弹性煤质中的质点受到一些外界的干扰时，此质点就会产生偏离其原来平衡位置的运动，这一点偏离肯定会推动其他相邻质点也开始运动。随后，由于煤质的相互作用，该质点和与其靠近质点又会返回平衡位置，但是因为质点的运动惯性，它们又会在反方向发生上述过程。这样，煤质总质点相继在各自的平衡位置附近往返运动，便将扰动波的形式传播到周围更远的煤质中去，于是形成波动。
频率在20HZ---20KHZ之间能被人们听到的波称为声波；频率低于20HZ的机械波称为次声波；高于20KHZ的机械波称为超声波；而高于100MHZ的机械波，则称为特超声波。声波频率图如图1.1所示。
图1.1 声波频率界限图
超声波有以下三种形式：纵波是质点的振动方向与波的传播方向一致的波，它能在各种介质中传播；横波是质点振动方向垂直于振动方向的波，它只能在固体中传播；表面波是振动的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振动随深度的增加而迅速衰减的波。
超声波之所以能够得到广泛应用，因为超声波具有以下特点：
1 超声波为直线传播，绕射能力弱，辐射能力强。
2 超声波在液体、固体中传播衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度较慢。
3 超声波的频率越高，波束越窄，声波定向传播和反射能力也就越强，其能量远远大于振幅相同的低频声波。
4 超声波通常以纵波的形式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，在一定距离内沿直线传播且具有良好的束射性和方向性。
5 超声波的辐射特性出来与其振动频率有关外，还与超声波传感器的辐射面积有关。超声波传感器的辐射面积越大，超声波的波束角就越大。
本设计所发射的超声波主要是在40KHz频率范围。
超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收传感器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为C=340m/s，根据计时器记录的时间T, 就可以计算出发射点距障碍物的距离（d）,即：d=S/2=(C*T)/2。其中S为声波的来回路程。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的影响和干扰比较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。所以在超声波测量中，一贯是用40KHz的超声波。目前超声波测距的距离一般为几米到几十米，具有很强的抗干扰性能。
测距系统常用的频率范围为25KHz 300KHz的脉冲压力波，发射电路一般有振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频率宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接受的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。
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