畢業(yè)設(shè)計(jì)--超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)與制作

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)</b></p><p>　　201X－201X學(xué)年度</p><p>　　電子信息工程　系　應(yīng)用電子　專業(yè)</p><p>　　題 目　 超聲波測(cè)距儀　</p><p>　　學(xué)生姓名　　　XXX　　　　　</p><p>　　學(xué)生班級(jí)　

2、　　XXX　 </p><p>　　指導(dǎo)教師　　　XXX　　　　　</p><p>　　起止日期　 XXX </p><p>　　XXXX 年X 月XX日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)任務(wù)書</p><p>　　電信信息工程　系　應(yīng)用電子 專業(yè)　班級(jí)　X班　姓名　XXX

3、學(xué)號(hào) XXX </p><p>　　指導(dǎo)教師　XXX　　　　　　　</p><p>　　職務(wù)(稱)　　　　　　　　</p><p><b>　　X年 X月X日</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1

4、</b></p><p><b>　　一、緒論2</b></p><p>　　2 總體設(shè)計(jì)方案及論證3</p><p>　　二. 系統(tǒng)需求分析4</p><p><b>　　2.1.分析5</b></p><p>　　2.2 總體方案設(shè)計(jì)6</

5、p><p>　　3 硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 主控制模塊8</p><p>　　3.2 電源設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.3 超聲波測(cè)試模塊10</p><p>　　3.3.1 超聲波的特性11</p><p>　　3.3.2 超聲波換能器12&

6、lt;/p><p>　　3.4 超聲波傳感器原理13</p><p>　　3.5 測(cè)距分析14</p><p>　　3.6 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.7 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.8 聲音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.9 顯示模

7、塊18</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　此設(shè)計(jì)（論文）首先介紹了STC89C52是STC系列單片機(jī)里應(yīng)用比較廣泛的一款，在自動(dòng)控制領(lǐng)域里享有很高的價(jià)值，以其易用性和多功能性受到了廣大電子設(shè)計(jì)愛(ài)好者的好評(píng)。本次設(shè)計(jì)主要是利用STC89C5

8、2單片機(jī)、超聲波傳感器完成測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)的制作，以STC89C52為主控芯片，利用超聲波對(duì)距離的檢測(cè)，將前方物體的距離探測(cè)出來(lái)，然后單片機(jī)處理運(yùn)算，與設(shè)定的報(bào)警距離值進(jìn)行比較判斷，當(dāng)測(cè)得距離小于設(shè)定值時(shí)，STC89C52發(fā)出指令控制蜂鳴器報(bào)警。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波傳感器 STC89C52 </p><p><b>　　一、緒論</b></p>

9、;<p>　　目前介紹了由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖

10、、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽

11、車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　二. 系統(tǒng)需求分析</b></p><p><b>　　2.1.分析 </b></p><p>　　系統(tǒng)是 本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、按鍵控制、四位數(shù)碼管顯示、報(bào)警等子模塊。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：超聲波傳感器、蜂鳴器、單片機(jī)控

12、制電路。就此設(shè)計(jì)的核心模塊來(lái)說(shuō)，單片機(jī)就是設(shè)計(jì)的中心單元，所以此系統(tǒng)也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機(jī)、輸入/輸出設(shè)備、以及外圍應(yīng)用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過(guò)程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段。系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元,當(dāng)測(cè)得的距離小于設(shè)定距離時(shí)，主控芯片將測(cè)得的數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較處理。然后控制蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)總體的設(shè)

13、計(jì)方框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)方框圖 </p><p>　　主控制最小系統(tǒng)電路如圖2所示。</p><p>　　硬件電路總設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，從以上的分析可知在本設(shè)計(jì)中要用到如下器件： STC89C52、超聲波傳感器、按鍵、四位數(shù)碼管、蜂鳴器等一些單片機(jī)外圍應(yīng)用電路。其中D1為電源工作指示燈。電路中用到3個(gè)按鍵，一個(gè)是設(shè)定鍵, 一個(gè)加鍵，一個(gè)減鍵。&

14、lt;/p><p><b>　　圖3 總設(shè)計(jì)電路圖</b></p><p><b>　　電源設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電源部分的設(shè)計(jì)采用3節(jié)5號(hào)干電池4.5V供電。</p><p><b>　　超聲波測(cè)試模塊</b></p><p>　　超聲波模塊采

15、用現(xiàn)成的ＨＣ－ＳＲ０４超聲波模塊，該模塊可提供 2cm-500cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚翰捎?IO 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給至少 10us 的高電平信號(hào);模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過(guò) IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(34

16、0M/S))/2。實(shí)物如下圖4。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO 回響信號(hào)輸出等四支線。</p><p>　　超聲波探測(cè)模塊HC-SR04的使用方法如下：IO口觸發(fā)，給Trig口至少10us的高電平，啟動(dòng)測(cè)量；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40Khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過(guò)IO口Echo輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測(cè)試距離=

17、（高電平時(shí)間*340）/ 2，單位為m。程序中測(cè)試功能主要由兩個(gè)函數(shù)完成。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)中采用定時(shí)器0進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，8分頻，TCNTT0預(yù)設(shè)值0XCE，當(dāng)timer0溢出中斷發(fā)生2500次時(shí)為125ms，計(jì)算公式為（單位：ms）：</p><p>　　T = （定時(shí)器0溢出次數(shù) * （0XFF - 0XCE））/ 1000 </p><p>　　其中定時(shí)

18、器0初值計(jì)算依據(jù)分頻不同而有差異。</p><p><b>　　超聲波的特性</b></p><p>　　聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過(guò)人耳聽(tīng)覺(jué)的頻率極限(根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，取整數(shù)為20000赫茲)時(shí)，人們就會(huì)覺(jué)察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。人的聽(tīng)覺(jué)范圍如圖5所示。</p><p><

19、b>　　超聲波的特性有：</b></p><p><b>　?。?）束射特性</b></p><p>　　由于超聲波的波長(zhǎng)短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過(guò)一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種

20、物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。</p><p><b>　?。?）吸收特性</b></p><p>　　聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的部分能量。對(duì)于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的。</

21、p><p>　　（3）超聲波的能量傳遞特性</p><p>　　超聲波之所以能在各個(gè)工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢?因?yàn)楫?dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波頻率—樣，分子振動(dòng)的頻率決定了分子振動(dòng)的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振

22、動(dòng)速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來(lái)說(shuō)，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 </p><p>　?。?）超聲波的聲壓特性</p><p>　　當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時(shí),由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動(dòng)引起附加壓

23、力現(xiàn)象叫聲壓作用。</p><p><b>　　超聲波換能器</b></p><p>　　完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測(cè)方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭

24、（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。</p><p>　　超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。</p><p>　　超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：</p><p>　?。?）工作頻率。工作

25、頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高?！　。?）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備?！　。?）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。</p><p>　　人類能聽(tīng)到的聲音頻率范圍為：

26、20Hz～20kHz，即為可聽(tīng)聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行工作的。逆壓

27、電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。</p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率

28、、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。</p><p>　　圖6 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極

29、間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。如圖6所示。</p><p><b>　　測(cè)距分析</b></p><p>　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，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)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m

30、/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2</p><p>　　最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s

31、，即：s=340t/2。 </p><p>　　由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，</p><p>　　只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖12所示：</p>

32、<p>　　超聲波發(fā)射 障礙物</p><p><b>　　S</b></p><p><b>　　H</b></p><p><b>　　θ</b></p><p><b>　　超聲波接收&l

33、t;/b></p><p>　　圖12 超聲波的測(cè)距原理</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中:L---兩探頭之間中心距離的一半.</p><p>　　又知道超聲波傳播的距離為:<

34、/p><p><b>　　( 3-3)</b></p><p>　　式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;</p><p>　　t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間.</p><p>　　將（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：</p><p><b>　　( 3-4)</b>&

35、lt;/p><p>　　其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí),V=349m/s);當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(3—4)變?yōu)?</p><p><b>　　( 3-5) </b></p><p>　　所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H.</p><p>&

36、lt;b>　　時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。</p><p>　　因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為1

37、2MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us，故而一個(gè)機(jī)器周期為1us。如圖13所示為時(shí)鐘電路。</p><p><b>　　圖13 時(shí)鐘電路圖</b></p><p><b>　　復(fù)位電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　復(fù)位方法一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后, 在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周

38、期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。例如使用晶振頻率為12MHz時(shí)，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于2us。本設(shè)計(jì)采用的是自動(dòng)復(fù)位電路。如圖14示為復(fù)位電路。</p><p><b>　　圖14 復(fù)位電路圖</b></p><p><b>　　聲音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　如下圖所示，用一個(gè)Speaker和三極管、

39、電阻接到單片機(jī)的P13引腳上，構(gòu)成聲音報(bào)警電路，如圖15示為聲音報(bào)警電路。</p><p>　　圖15 聲音報(bào)警電路圖</p><p><b>　　顯示模塊</b></p><p>　　顯示模塊采用數(shù)碼管顯示接口電路如圖16</p><p><b>　　圖16 數(shù)碼管電路</b></p>

40、<p><b>　　主程序工作流程圖</b></p><p>　　按上述工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析可知系統(tǒng)主程序工作流程圖如下圖17所示；</p><p>　　圖17 主程序工作流程圖</p><p>　　超聲波探測(cè)程序流程圖：</p><p>　　圖19 超聲波探測(cè)程序流程圖</p><p

41、><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)研究了一種基于單片機(jī)技術(shù)的超聲波智能測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)以STC89C52單片機(jī)為工作處理器核心，超聲波傳感器，它是一種新穎的被動(dòng)式超聲波探測(cè)器件，能夠以非接觸測(cè)出前方物體距離，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出.該報(bào)警器的最大特點(diǎn)就是使用戶能夠操作簡(jiǎn)單、易懂、靈活；且安裝方便、智能性高、誤報(bào)率低。隨著現(xiàn)代人們安全意識(shí)的增強(qiáng)以及科學(xué)技

42、術(shù)的快速發(fā)展，相信報(bào)警器必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.圖書文獻(xiàn)：[編號(hào)]作者.書名.版本.出版地：出版者，出版年.頁(yè)碼</p><p>　　例：[1]劉少奇.論共產(chǎn)黨員的修養(yǎng).修訂2版.北京：人民出版社，1962.76頁(yè)</p><p>