论文总字数：12538字

摘 要

本课题详细介绍了超声波测距仪的原理以及各组成模块的特性，详细分析了超声波测距的原理，并通过实际测试验证了本课题在设计上的不足，对误差的存在进行了分析并提出了改善的方法。论文对本次设计需要用到模块和芯片的功能及特性进行了详细的介绍，并通过与相似模块的比较来解释为什么使用该模块。超声波测距仪系统分为三部分，超声波测距部分、数码管显示部分和按键设置部分。该系统功能是由测距模块完成超声波收发功能，测距完成后对数据进行处理分析并传给单片机，单片机控制数码管显示模块对测量距离进行显示，当距离小于设定值时蜂鸣器发声报警，报警距离的上下限可以通过按键模块进行设置。

关键词：单片机 数码管显示 报警 测距

Ultrasonic Range Finder

Abstract

This topic in detail this paper introduces the principle of ultrasonic range finder and the characteristics of each composition module, analyzes in detail the principle of ultrasonic ranging, and verified by actual test on this topic in the design, the existence of the error are analyzed and put forward the improvement method. Paper for the design needs to use modules and functions and features of chip was introduced in detail, and compared with the similar modules to explain why use the module. Ultrasonic rangefinder system is divided into three parts, ultrasonic ranging parts, digital tube display and Settings section. Function of the system is completed by ranging module ultrasonic sending and receiving function, after the completion of the range of data processing and analysis to the single chip microcomputer and single chip microcomputer control, digital tube display module for measuring distance, buzzer sound alarm when distance is less than the set value, alarm on the lower limit of the distance can be set through the key module.

Keywords：single chip microcomputer; digital tube display; alarm; ranging

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 本论文主要任务 1

1.3 论文结构安排 2

第二章 超声波测距仪系统简介 3

2.1 超声波简介 3

2.2 超声波传感器 3

2.3 超声波测距 4

第三章 超声波测距仪的系统设计 6

3.1 系统总体方案的设计 6

3.2 系统器件的选择 6

3.2.1 控制模块的选择 6

3.2.2 测距模块的选择 7

3.3.3 显示单元元件的选择 7

第四章 超声波测距仪的硬件系统实现 9

4.1单片机最小系统 9

4.1.1 复位电路 9

4.1.2 时钟电路 10

4.2 报警电路及按键电路 11

4.2.1 按键电路 11

4.2.2 蜂鸣器报警 11

4.3 数码管显示电路 12

4.4 使用芯片介绍 14

4.5 超声波测距模块 15

4.5.1 HC-SR04超声波测距模块的原理 15

4.5.2 HC-SR04的工作原理 16

4.5.3 HC-SR04的管脚排列 16

4.5.4 HC-SR04的电器参数 17

4.5.5 HC-SR04的超声波时序图 17

第五章 软件设计 19

5.1 主程序设计 19

5.2 显示数据子程序的设计 20

5.3 报警子程序的设计 20

5.4 按键子程序的设计 21

第六章 系统调试与误差分析 23

6.1 硬件调试 23

6.2 误差分析 26

第七章 论文总结 27

7.1 论文小结 27

7.2 下一步工作 27

附录 系统硬件原理图 30

致谢 31

第一章 绪论

1.1 引言

近年来，经济快速发展，测距的方式也越来越多样化。在一些方面，普通的测距方式已经无法满足人们的要求。普通的接触式测距要求在测量时物体不能移动，并且要求测量的另一端能够被接触到，这样的测距方式有很大的局限性，经过研究非接触式测距就被开发出来了。

非接触式测距可以应用在很多场合，一方面非接触式测距不用接触到障碍物，比如在测量井深时，接触式测距根本无法做到，而非接触式却能够轻松完成任务。另一方面，非接触式测距可以测量移动中的物体，在交通方面，车速的测算需要实时性，普通的接触式测距无法进行测量，而根据多普勒效应，非接触式测距却能够完成车速的测算。

非接触式测距大多是使用超声波来完成测距任务的，超声波由于其成本低、抗干扰、速度快，已经慢慢进入人们的生活。我们使用的手机、洗衣机、空调都采用了超声波技术，而本次课题研究的超声波测距仪就是有超声波模块和单片机组合成的，它能完成4米范围内的小规模测距，使用超声波测距具有成本低、测量精度高、测算速度快等优点。

1.2 本论文主要任务

本文的主要工作任务是：通过各模块在电路板上的焊接组成本次毕业设计，由超声波测距模块完成测距功能，对数据进行处理分析并传送给51单片机，单片机控制数码管显示模块对测量距离进行显示。当测量距离小于系统设定值时，蜂鸣器发声报警，报警距离的上下限可以通过按键电路调节，单片机工作在5V直流电源的环境下。

本文按照课题和系统功能的需要，查阅了相关书籍，结合了系统所需要的环境，对超声波测距模块与单片机的最小模块以及数码管显示模块相结合的超声波测距仪进行了研究。

1.3 论文结构安排

本文共由七章组成，第一章为绪论部分，介绍整篇文章的大体情况；第二章为系统原理部分，阐述了超声波的基本原理、超声波测距模块的结构和工作方式；第三章为系统框图的设计，展示了超声波测距仪的系统框图及系统的各个模块；第四、五章是系统的设计与实现，硬件方面介绍了系统各模块的组成及其功能，软件部分对主程序及子程序进行了介绍，描述了其功能；第六章为系统硬件的调试及误差分析，描述了系统硬件调试的过程和对调试过程中出现的误差进行分析；第七章为论文总结，写了完成这次的毕业设计的心得以及如何对系统进行进一步的完善。

第二章 超声波测距仪系统简介

2.1 超声波简介

超声波是一种频率非常高的声波，频率能高达20000Hz。它在传播时具有很好的方向性且不易受到粉尘、电磁波等干扰，在遥控方面有着很好的应用；它的传播速度快且容易被接收器接收，广泛应用于测距和测距等方面；同时它在水中能够传播很远的距离，船只行驶时可以探测前方是否有暗礁，也用作于鱼雷的定位。

超声波的优点：

（1）穿透能力强，能穿过物体且不会损坏物体；

（2）频率超过人耳能听到的上限，不会对人们的日常生活造成影响；

（3）能量较为集中，可以应用在某些特殊环境。

2.2 超声波传感器

超声波传感器是最近研制出的一种传感器，由超声波特性研制而成。由于它的方向性好，所以能够完成测量的功能；同时超声波在发射后能够获得集中的超声能，在医疗领域可以用于结石的碎裂；超声波的穿透能力非常强，在国防领域有很广泛的用途，能够探测到地底很深的距离。超声波传感器的主要作用是将电能和超声能相互转换，以达到所需要的目的。超声波传感器内部有一个超声波探头，探头主要由压电晶片组成，超声波可以通过电压激励压电材料使之振动而产生。

压电材料具有以下特性：

（1）将压电材料放置在电场中时，它会受到力的作用做出变化；

（2）对材料施加外力内部会产生朝向某一方向的电场。

所以对材料施加交变的电场，它就会产生交变的应变从而产生振动。

图2-1为该传感器的结构图。

图2-1 压电式超声波传感器

超声波传感器的应用：

（1）检测透明物体、液体、表面光滑或粗糙或不规则物体；

（2）检测液面高度，测量管道内部长度，测量两者之间的距离；

（3）检测大型物体内部的状态，判断内部空满。

图2-2为超声波传感器。

图2-2 超声波传感器

2.3 超声波测距

测距的原理是完成超声波的收发功能，并对此过程所花费时间进行测算，在速度已知（340M/S）的情况下，设传播速度为C，过程花费的时间为T，被测距离为S，公式为S=CT。传播时间的计算可以用中断控制来实现：从超声波发射系统开启中断，模块接收到反射回的超声波时关闭中断，系统开关中断的时间就是超声波的在空气中的传播时间。

图2-3为超声波模块测距的系统框图。

图2-3 系统框图

第三章 超声波测距仪的系统设计

3.1 系统总体方案的设计

在本次设计中首先将超声波测距系统分为三部分，超声波测距部分，按键设置部分和数码管显示部分。

超声波测距部分：利用超声波测距模块测量距离并对数据进行分析处理，传给单片机。

按键部分完成任务：通过按键可以调节报警距离的上下限以及可以对系统进行复位。报警距离的上下限可以用S2，S3，S4来进行修改，按键S2为修改按键，按一次设置报警的下限，按两次设置报警的上限，按三次是确定设置，按键S3是报警距离增大键，S4是报警距离减小键。

数码管显示部分完成任务：超声波模块将计算完的数据传给单片机，单片机控制数码管对距离进行显示。

图3-1 电路总体框图

3.2 系统器件的选择

3.2.1 控制模块的选择

考虑到系统设计的需要的成本以及编程的方便，本次设计采用了STC89C51作为系统的主控芯片。该系列单片机具有8K可供反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，这样程序在一定规模时就不需要外扩存储器，省去了购买外部存储器和搭建电路的麻烦；同时该系列单片机的精简指令集结构使得程序运行速度快，功耗低；在线编程的功能及Easyisp软件，让开发工程师省去了购买编程器，可以将程序代码直接下载进单片机内，速度相对有了更大的提高；程序与数据存储空间相互利用，用户程序剩下的FLASH空间均可作为数据存储，非常灵活。从以上优点来看，单片机符合本次毕业设计的要求。

3.2.2 测距模块的选择

方案一：激光测距

激光测距的原理是测距仪发射出激光，测距仪测量激光从触碰到障碍物到反射光被测距仪接收的时间，通过公式来计算测距仪与障碍物之间的距离。

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