论文总字数：17577字

摘 要

历史在不断的发展，人类对科技创新的脚步一刻也没有停下，人类对美好生活的追求促使了科学技术的发展，现在所处的年代是科技发展的黄金时期，各个产业都在不断推陈出新，寻找自我升级，当下集成电路，电子信息，人工智能，5G，自动化技术都在飞速发展，传统的传感器技术虽然发展势头不是那么迅猛，但是具有非接触式的超声波传感器测距技术在各行各业都悄然发挥着他那不可替代的作用。

本文中阐述了一个基于51单片机的超声波测距方案，该系统采用了STC89C52单片机为控制芯片。在测量时，定时器产生一定的频率的脉冲信号，通过计算接收到的信号与发出信号的时间差，根据声速与时间差的关系来计算测量距离。又因为超声波在空气中的传播速度会受到温度的影响，从而影响测量精度，所以在数据处理中，我们采用了温度补偿来减小误差，使测量精度得以提高。

本设计围绕单片机最小系统展开设计，辅以超声波测距模块、显示模块、温度采集模块、语音报警模块、电源模块等外围模块，通过软件调试，硬件连接，最终整合成一个超声波测距系统。这个超声波测距系统的有效测量距离达到了400cm,盲区在2cm,满足了一般的日常需求，可以应用于很多场合如：一般测距，汽车倒车时的警报，盲人拐杖，机器人规避等。

关键词：超声波；测距；温度补偿；51单片机；语音播报；HC-SR04

Abstract

With the constant development of history, human beings have not stopped for the pace of scientific and technological innovation. The pursuit of a better life by human beings has promoted the development of science and technology. The era in which it is now is the golden age of technological development, and various industries are constantly innovating. Looking for self-upgrading, the current integrated circuit, electronic information, artificial intelligence, 5G, automation technology are developing rapidly. Although the traditional sensor technology is not so fast, it has non-contact ultrasonic sensor ranging technology in all walks of life. Quietly play his irreplaceable role.

In this paper, an ultrasonic ranging scheme based on 51 single chip microcomputer is described. The system uses STC89C52 single chip microcomputer as the control chip. During the measurement, the timer generates a pulse signal of a certain frequency, and calculates the measurement distance according to the relationship between the speed of sound and the time difference by calculating the time difference between the received signal and the emitted signal. Because the propagation speed of ultrasonic waves in the air is affected by temperature, which affects the measurement accuracy, in data processing, we use temperature compensation to reduce the error and improve the measurement accuracy.

The design is designed around the minimum system of the single-chip microcomputer, supplemented by peripheral modules such as ultrasonic ranging module, display module, temperature acquisition module, voice alarm module, power module, etc., through software debugging, hardware connection, and finally integrated into an ultrasonic ranging system. The ultrasonic measuring system has an effective measuring distance of 400cm and a blind spot of 2cm, which satisfies the general daily needs and can be applied to many occasions such as general ranging, alarms when the car is reversing, blind crutches, robot avoidance, etc.

Key words: Ultrasonic Wave; Ranging; Temperature compensation; 51 microcomputer; Voice broadcast; HC-SR04

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1本课题的研究目的和意义 1

1.2超声波测距国内外现状 1

1.2.1国内超声波测距研究进展 1

1.2.2国外超声波测距研究进展 2

1.3论文研究内容 2

第二章 系统架构及方案论证 4

2.1系统结构框图 4

2.2系统方案论证 4

2.2.1单片机选择 4

2.2.2超声波模块选择 5

2.3最终整体方案设计 5

第三章 硬件设计 7

3.1主控芯片 7

3.1.1单片机引脚及其功能 7

3.2单片机最小系统电路 9

3.3超声波模块电路 10

3.3.1 HC-SR04模块 10

3.3.2超声波模块电路 11

3.3.3 HC-SR04工作原理 12

3.4温度补偿电路 12

3.4.1 DS18B20简介 12

3.4.2 DS18B20接口设计和工作原理 13

3.4.3温度模块电路 13

3.5语音模块模块电路 14

3.5.1 NV020C芯片简介 14

3.5.2 NV020C引脚及其功能 14

3.5.3控制方式 15

3.5.2 语音模块电路 16

3.6按键电路 16

3.7液晶显示模块电路 17

3.7.1 LCD1602液晶简介 17

3.7.2液晶的引脚说明及功能 17

3.7.3液晶显示模块电路 17

第四章 软件设计 19

4.1程序语言及开发环境 19

4.2程序流程图 19

4.2.1 总体流程框图 19

4.2.2 液晶程序设计 21

4.2.3 温度程序设计 21

4.2.4 超声波模块程序设计 22

第五章 实物调试 23

5.1实物调试 23

5.2设计成果图 24

第六章 结束语 25

致 谢 26

参考文献 27

附录A 原理图 28

附录B PCB图 29

附录C 仿真图 30

1. 绪论

超声波通俗指的是超出人耳听力范围的声波，和次声波不同，它的频率较高，一般指的是频率高于20000赫兹的波，广泛运用于医疗，工业和军事上。超声波也是经典的非接触式测量手段的一种。超声波测距技术结合了物理、电子、材料及机械科学，多种学科相辅相成。因为超声波的特有性质使得空气介质中粉尘，光线，有害气体和电磁干扰对它的性能几乎没有影响，而且超声波传感器比雷达，激光测距所需的器件价格便宜得多，还比红外测距系统精度高，抗干扰能力强，因此应用于多个领域。

• 1. 本课题的研究目的和意义

近几十年科学技术的不断累积发展，非接触式测量的方式也在不断发生变化，先后出现了激光、微波雷达、红外线、然后是超声波测距的方式。其中，激光测距的测量速度较快，方向性高，特别是因为它还具有一定的穿透性，所以能胜任在雾天工作，但它的缺点是功耗较大，设备成本高，数据的处理比较复杂。雷达测距能够适用于各种天气，在恶劣天气中也能有良好表现，精度很高但是它容易受到电磁波的干扰。红外测距的优点是它电路简单易制，成本小，但是不足之处是方向性差，精确度低。

与其他的几种测距方式相比，超声波测距有着非常大的优势。超声波可以在气体、液体、固体或者它们的混合物中以横波、纵波、表面波、薄板波等各种各样的方式传播，也可以在生物体和金属中传播，这是其他光所不能投射的[1]。微波雷达测距技术，微波在空气中的损耗比超声波要小很多，通常在15m以上有它的优势，但是对于短距离的测距超声波有优势，因为其衍射的效应不会受到遮挡物的影响，但是电路部分造价昂贵，并且不方便维护，几乎不在民用市场推广，只有军事或工业还在开发采用。单片机超声波测距技术相较于其他的测距设备具有明显的优点，首先是单片机的功耗小，超声波传感器对功耗的要求也不大，对能源消耗少，其次是便携性，使用的寿命长，基本不需要对设备进行维护，然后是超声波测距设备在使用过程中对环境的污染较小，最后是超声波测距技术有很强的可靠性，在恶劣的环境下能够正常使用的前提还能够确保测量的精度。因为有了以上这些优点，目前超声波测距在生活中的测量、工业自动化控制、工程测量、机器人自动规避、还有倒车雷达等方面有广泛的应用。

• 1. 超声波测距国内外现状

超声波的发现是在18世纪，当时的意大利生物学家帕兰扎尼通过实验发现蝙蝠不是靠视力来辨识东西而是靠回声定位，那也就是超声波。再后来的19世纪末到20世纪初，在物理学者们发现了压电效应，科学家们学会了利用电子科学技术来产生超声波，至此超声波技术走上了快速发展的通道。1876年人们首次在F1Galton的气哨实验中让Galton在空气中产生的频率达到3MHz，这是人类当时有史以来产生的最高频率的声波。

• • 1. 国内超声波技术研究进展

我国超声波研究的起步较晚，1956年才开始大规模研究。

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