超聲波測(cè)距儀說(shuō)明書(shū)

1、自動(dòng)測(cè)量及控制綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目 超聲波測(cè)距儀 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 2015年1月18日目錄1緒論3 1.1課題設(shè)計(jì)及意義3 1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容32超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)原理及方案選擇3 2.1超聲波測(cè)距原理3 2.2設(shè)計(jì)方案43硬件選擇與設(shè)計(jì)5 3.1單片機(jī)的選擇6 3.2超聲波模塊的選擇6 3.2.1 HC-SR04超聲波模塊時(shí)序圖7 3.2.2 HC-SR04模塊的使用8 3.3數(shù)碼管的選擇8 3.4硬件電路的設(shè)計(jì)94軟件部分設(shè)計(jì)95數(shù)據(jù)處理及誤差分析116設(shè)計(jì)體會(huì)與總結(jié)12附錄13 附錄：超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)實(shí)物圖13 附錄：程序代碼13 附錄：參考文獻(xiàn)1

2、51緒論1.1課題設(shè)計(jì)及意義 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前水平說(shuō)，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波測(cè)距儀作為種新型的非常重要的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿(mǎn)足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿(mǎn)足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線(xiàn)譜檢測(cè)的潛艇拖曳線(xiàn)列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題；降低潛艇噪聲，改善潛艇聲納

3、的工作環(huán)境。無(wú)庸置疑，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì),由單片機(jī)控制超聲發(fā)射裝置發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)，發(fā)生反射，再由接受裝置接受超聲波，由單片機(jī)計(jì)算從發(fā)射到接受的時(shí)間并計(jì)算出障礙到超聲波發(fā)射器的距離。在理解超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出基于51單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距儀。該超聲波測(cè)距儀，要求測(cè)量距離6m，測(cè)量精度要求優(yōu)于1%,顯示方式為數(shù)碼管顯示，具有RS-232通信能

4、力，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰、穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。2超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)原理及方案選擇2.1超聲波測(cè)距原理超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，超聲波對(duì)色彩，光照度，外界光線(xiàn)和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲波測(cè)距對(duì)于被測(cè)物處于黑暗，有灰塵或煙霧，強(qiáng)電磁干撓，有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適用能力，在液體測(cè)位，機(jī)器人避障和定位，倒車(chē)?yán)走_(dá)、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。而且超聲波傳播不易受干撓，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。在某一時(shí)刻給超聲波發(fā)生器施加40 khz方波信號(hào)，發(fā)生器發(fā)出超聲波，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，被超聲波接受器接受到。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超

5、聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)就可以計(jì)算出被測(cè)物體的距離d=s/2=(vt)/2。其中d為被測(cè)物到測(cè)距儀之間的距離，s為超聲波往返通過(guò)的路程，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到接收所用時(shí)間。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。2.2設(shè)計(jì)方案為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器或超聲波

6、探頭。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距儀利用超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離的儀器。這個(gè)設(shè)計(jì)就是利用超聲波傳輸中的距離與時(shí)間的關(guān)系，采用了STC89C52單片機(jī)對(duì)超聲波儀進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出了能夠精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波測(cè)距儀。該測(cè)距儀主要是由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊所構(gòu)成。其中采用STC89C52單片機(jī)作為主控模塊，用來(lái)控制超聲波的發(fā)出和接收，并且計(jì)算距離。用超聲波模塊HC-SR04發(fā)出和接受

7、超聲波，用3位數(shù)碼管作為顯示模塊。本次設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀，具有迅速、操作方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度較高的特點(diǎn)。測(cè)量范圍可達(dá)到25cm350cm，其誤差1cm左右。在理論分析上達(dá)到了本次課設(shè)的要求。超聲波測(cè)距儀原理框圖如下圖：超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時(shí)器單片機(jī)控制顯示器圖1 超聲波測(cè)距儀原理框圖3硬件選擇與設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用STC89C52RC系列。采用11.0594MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的

8、40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷P3.2端口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)，使用T0定時(shí)器來(lái)發(fā)射方波脈沖。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陰LED數(shù)碼管，用0.5k排阻驅(qū)動(dòng)。圖2 超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)電路原理圖3.1單片機(jī)的選擇在這個(gè)設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用的是STC89C52(如圖3),它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的中央處理器。具有以下標(biāo)準(zhǔn)的功能：32個(gè)I/O口線(xiàn)，看門(mén)狗（WDT），4k字節(jié)的Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)的內(nèi)部RAM，一個(gè)向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，一個(gè)全雙工串行通信口。CPU的工作在空閑方式下停止，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷

9、系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。STC89C52集成了幾乎完善的8位中央處理單元，處理功能強(qiáng)，中央處理單元中集成了方便靈活的專(zhuān)用寄存器，硬件的加，減，乘，除法器和布爾處理機(jī)以及各種邏輯運(yùn)算和轉(zhuǎn)移指令，這給應(yīng)用提供了極大的便利。STC89C52把微型計(jì)算機(jī)的大部分的部件都是集成在一個(gè)芯片上，所以達(dá)達(dá)縮短了數(shù)據(jù)傳輸距離，具有更高的可靠性，和更快的運(yùn)行速度，由于微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)芯片化了，所以各功能部件的布局和結(jié)構(gòu)在芯片中已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)化，加強(qiáng)了抗干擾能力，工作也相對(duì)穩(wěn)定。它是40引腳雙列直插分裝方式（如圖2）。 圖3 STC89C52引

10、腳圖3.2超聲波模塊的選擇在超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)中，采用HY-SRF05超聲波模塊（如圖3），它性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小?？梢杂脕?lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人避障 、 物體測(cè)距 、 液位檢測(cè)等領(lǐng)域。圖4 HY-SRF05超聲波模塊HY-SRF05超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)這樣的項(xiàng)目。它的分辨率為0.3和測(cè)距距離為2cm至400厘米。它采用一個(gè)5V直流電源供電，待機(jī)電流小于2mA。該模塊發(fā)送的超聲波信號(hào)，拿起其回波，測(cè)量所經(jīng)過(guò)的時(shí)間之間的兩個(gè)事件和輸出波形，其高的時(shí)間是由測(cè)得的時(shí)間的距離成正比的調(diào)制。3.2.1 HY-SRF05超聲波模塊時(shí)序圖 圖5 HY-SRF05時(shí)序圖

11、從時(shí)序圖中，可以看到的40kHz脈沖串傳輸?shù)牡?0US觸發(fā)脈沖后的回聲輸出后，得到一些更多的時(shí)間。只有后回波消失，這個(gè)時(shí)間段被稱(chēng)為循環(huán)周期，可以給出的下一個(gè)觸發(fā)脈沖HY-SRF05的循環(huán)周期必須不低于50毫秒。根據(jù)數(shù)據(jù)表，就可以計(jì)算出距離。3.2.2 HY-SRF05模塊的使用初始化時(shí)將trig和echo端口都置低，首先向給 trig發(fā)送至少10 us的高電平脈沖（模塊自動(dòng)向外發(fā)送8個(gè)40K的方波），然后等待，捕捉 echo 端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時(shí)，打開(kāi)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，再次等待捕捉echo的下降沿，當(dāng)捕捉到下降沿，讀出計(jì)時(shí)器的時(shí)間，這就是超聲波在空氣中運(yùn)行的時(shí)間，按照如下計(jì)算公式：測(cè)

12、試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s)/2就可以算出超聲波到障礙物的距離。3.3數(shù)碼管的選擇在本設(shè)計(jì)中采用共陰極顯示模塊（如圖5），個(gè)數(shù)為4個(gè)。LED顯示塊與單片機(jī)接口非常容易，只要將一個(gè)8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳連接即可。圖6 顯示電路設(shè)計(jì)3.4硬件電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，在這個(gè)設(shè)計(jì)中采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，用于構(gòu)成內(nèi)部震蕩器 ，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激震蕩器，

13、其發(fā)生的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，見(jiàn)圖5。外接陶瓷諧振器時(shí)，電容約為22pF。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，諧振器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯片靠近。在這兒采用了震蕩頻率為11.0592MHz的晶振。 圖7 時(shí)鐘電路4軟件部分設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波測(cè)距的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)）。軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制、計(jì)算距離、輸出顯示。定時(shí)器T0中斷服務(wù)子程序完成超聲波的間隔發(fā)射、定時(shí)器T1完成超

14、聲波發(fā)射到接收計(jì)時(shí)、外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、接收超聲波成功標(biāo)志設(shè)置等工作。 主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0、T1工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA=1、打開(kāi)外部中斷、設(shè)置負(fù)跳變有效，為定時(shí)器T0賦初值。然后等待接收超聲波，沒(méi)有接到超聲波報(bào)警燈亮，繼續(xù)等待，定時(shí)器T0時(shí)間溢出將產(chǎn)生中斷，調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出8個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波發(fā)射計(jì)時(shí)錯(cuò)誤，在發(fā)射前將計(jì)時(shí)器T1關(guān)閉、清零，發(fā)射完成后再次啟動(dòng)定時(shí)器T1，接著重新為定時(shí)器T0賦初值。P1.0端口接收到超聲波，電平負(fù)跳變產(chǎn)生，調(diào)用外部中斷子程序。接著關(guān)閉定時(shí)器T0、T1、外部中斷，

15、然后讀取時(shí)間值，設(shè)置接收成功標(biāo)志，并將定時(shí)器T1清零。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器T1每計(jì)一個(gè)數(shù)就是0.5s，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將定時(shí)器T1中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取10時(shí)的聲速為338 m/s，取其近似值340m/s則有：      d=(c×t)/2=(340*T1/1000000)*100cm     =0.034*T1cm     &#

16、160;               其中，T1為計(jì)數(shù)器T1的計(jì)算值。  測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED，然后再進(jìn)入主程序中等待超聲波發(fā)射，中斷產(chǎn)生發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。利用定時(shí)器T0、計(jì)數(shù)器T1、外部中斷有利于程序結(jié)構(gòu)化、條理清晰和容易計(jì)算出距離。超聲波測(cè)距軟件設(shè)計(jì)流程圖如下： 圖8主程序 圖9 定時(shí)中斷 圖10 外部中斷 5數(shù)據(jù)處理及誤差分析數(shù)據(jù)處理用超聲波測(cè)距儀測(cè)得的數(shù)據(jù)如下（表1）： 表1 所測(cè)數(shù)據(jù)

17、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)5.0010.0015.0020.0025.00測(cè)量數(shù)據(jù)（/cm） 4.989.9514.8617.9524.18 4.869.8814.9018.2624.26 4.929.7014.7518.4924.48平均值4.929.8414.8418.2324.31對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖11圖11 數(shù)據(jù)擬合由上圖擬合出超聲波測(cè)距數(shù)學(xué)模型為：y=0.9280x+0.4640。6 設(shè)計(jì)與體會(huì) 這一次的課程設(shè)計(jì)要用到超聲波來(lái)測(cè)量距離，這是一個(gè)我們之前沒(méi)有接觸到的題材。一開(kāi)始我們都沒(méi)有很清晰的思路，只能在摸索中前進(jìn)。本次課程設(shè)計(jì)只有短短一周，但讓我對(duì)所學(xué)的電路知識(shí)及剛剛上學(xué)期學(xué)習(xí)的單片機(jī)知識(shí)有

18、了更深的理解，同時(shí)這也是難得的一次理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)，以前只是在書(shū)本上學(xué)單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)的很多功能，還有各種中斷，但卻沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)踐，一直只有理論的學(xué)習(xí)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我才真正了解其中的原理。剛開(kāi)始我拿到題目的時(shí)候不知道應(yīng)該怎么做，查完資料后，自己大概知道了電路需要哪些模塊，下來(lái)就是針對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，同時(shí)我還要進(jìn)行一些仿真，其中應(yīng)用哪些電阻，電容，這都要通過(guò)仿真來(lái)確定，期間遇到很多困難，都是團(tuán)體同伴幫助我的，這也讓我認(rèn)識(shí)到團(tuán)體的合作精神。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)我不光復(fù)習(xí)了模電知識(shí)及單片機(jī)知識(shí)，鍛煉了動(dòng)手能力，同時(shí)也熟悉掌握了proteus仿真軟件和Protel電路設(shè)計(jì)軟件的使用，對(duì)于我們測(cè)控

19、專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，Proteus和Protel是必須掌握的電路仿真軟件，這次課程設(shè)計(jì)給我提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)鍛煉自己的實(shí)踐能力，我想對(duì)于我們工科學(xué)生來(lái)說(shuō)動(dòng)手能力是很重要的，以前每天只是在教室里面學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而沒(méi)有機(jī)會(huì)將理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。這次課設(shè)提高了我們的動(dòng)手實(shí)踐能力。超聲波測(cè)距之前有同學(xué)做過(guò)，也跟我簡(jiǎn)要介紹過(guò)。這個(gè)題材當(dāng)時(shí)在我看來(lái)感覺(jué)很難很高端，直到這次自己和同組同學(xué)也把這個(gè)課題的實(shí)物做出來(lái)后，我便真正了解這個(gè)課題的思路，知道自己也是能夠運(yùn)用所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)將這個(gè)小設(shè)計(jì)完成的，這增強(qiáng)了我的自信。希望自己在今后的學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠繼續(xù)加強(qiáng)實(shí)踐能力，這是成為一個(gè)合格的工程師的必經(jīng)之路。感謝學(xué)校給我

20、們提供了這次寶貴的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，通過(guò)動(dòng)手操作，我們學(xué)到了許多書(shū)本上沒(méi)有的知識(shí)，而且更加鞏固了所學(xué)知識(shí)，真正做到了所學(xué)即所用。附錄附錄：實(shí)物圖圖12 實(shí)物圖附錄：程序代碼#include<reg52.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned intuint time,timeH,timeL,succeed_flag;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;sbit tr

21、ig=P10； /超聲波激勵(lì)信號(hào)口sbit echo=P32; /超聲波返回信號(hào)口sbit baiw=P22;sbit shiw=P21; sbit gew=P20;uint distance,distance0,X,Y,a;void delayms(uint xms) /按鍵延時(shí) uint i,j; for(i=xms;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-); void delay_10us() /發(fā)射方波的周期（10us） for(a=0;a<1;a+); void display(uint temp) /數(shù)碼管顯示 P2=0xfe; P0=leddatate

22、mp/100; delayms(1); P0=0x00; P2=0xfd; P0=leddatatemp%100/10; delayms(1); P0=0x00; P2=0xfb; P0=leddatatemp%100%10+0x80; delayms(1); P0=0x00; P2=0xf7; P0=leddatatemp%10; delayms(1); P0=0x00; void main() trig=0; distance=0; EA=1; /開(kāi)總中斷 TMOD=0X11; /定時(shí)器的工作方式 TH0=(65536-50000)/256; /發(fā)射方波的間隔 TL0=(65536-50000)%256; while(1) ET0=1; /開(kāi)啟定時(shí)器0中斷TR0=1; /開(kāi)啟定時(shí)器0 EX0=1; /開(kāi)啟外部中斷 IT0=1; /外部中斷0觸發(fā)方式為電平觸發(fā) while(echo=1) for(Y=0;Y<5;Y+) display(distance0);