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• 摘  要
• ABSTRACT
• 　1  绪论
  • 1.1  研究背景和研究意义
  • 1.2  国内外现状
  • 1.3  主要研究内容
• 2  系统设计与方案选择
  • 2.1  整体方案设计
  • 2.2  方案选择
    • 2.2.1  控制芯片选择
    • 2.2.2  超声波模块选择
• 3  超声波简介及盲区处理
  • 3.1  超声波简介
  • 3.2  超声波传播速度
  • 3.3  影响超声波测距精度的主要因素
  • 3.4  盲区处理
• 4  硬件设计
  • 4.1  单片机最小系统
  • 4.2  超声波模块
    • 4.2.1  超声波模块内部使用器件
    • 4.2.2  超声波模块工作原理
  • 4.3  液晶显示模块
  • 4.4  温度传感模块
  • 4.5  语音模块
  • 4.6  按键模块
  • 4.7  无线通信模块
• 5  软件设计
  • 5.1  总程序流程设计
  • 5.2  显示模块程序设计
  • 5.3  超声波模块程序设计
  • 5.4  温度传感器程序设计
  • 5.5  无线通信子程序设计
• 6  调试与仿真
  • 6.1  硬件调试
  • 6.2  软件调试
  • 6.3  系统综合调试
• 7  总结与展望
  • 7.1  总结
  • 7.2  展望

目  录

摘要----------------------------------------------------------------- I

ABSTRACT------------------------------------------------------------ II

1  绪论-------------------------------------------------------------- 1

1.1  研究背景和研究意义------------------------------------------ 1

1.2  国内外现状-------------------------------------------------- 1

1.3  主要研究内容------------------------------------------------ 2

2  系统设计与方案选择------------------------------------------------ 3

2.1  整体方案设计------------------------------------------------ 3

2.2  方案选择---------------------------------------------------- 4

2.2.1  控制芯片选择------------------------------------------ 4

2.2.2  超声波模块选择---------------------------------------- 4

3  超声波简介及盲区处理---------------------------------------------- 5

3.1  超声波简介-------------------------------------------------- 5

3.2  超声波传播速度---------------------------------------------- 5

3.3  影响超声波测距精度的主要因素-------------------------------- 7

3.4  盲区处理---------------------------------------------------- 8

4  系统硬件电路设计-------------------------------------------------- 9

4.1  单片机最小系统---------------------------------------------- 9

4.2  超声波模块------------------------------------------------- 10

4.2.1  超声波模块内部使用器件------------------------------- 11

4.2.2  超声波模块工作原理----------------------------------- 12

4.3  液晶显示模块----------------------------------------------- 14

4.4  温度传感模块----------------------------------------------- 14

4.5  语音模块--------------------------------------------------- 15

4.6  按键模块--------------------------------------------------- 16

4.7  无线通信模块----------------------------------------------- 17

5  软件设计--------------------------------------------------------- 19

5.1  总程序流程设计--------------------------------------------- 20

5.2  显示模块程序设计------------------------------------------- 21

5.3  超声波模块程序设计----------------------------------------- 22

5.4  温度传感器程序设计----------------------------------------- 23

5.5  无线通信子程序设计----------------------------------------- 24

6  系统调试及仿真--------------------------------------------------- 26

6.1  硬件调试--------------------------------------------------- 26

6.2  软件调试--------------------------------------------------- 27

6.3  系统综合调试----------------------------------------------- 28

7  总结与展望------------------------------------------------------- 30

7.1  总结------------------------------------------------------- 30

7.2  展望------------------------------------------------------- 30

参考文献------------------------------------------------------------ 31

致谢---------------------------------------------------------------- 33

附录---------------------------------------------------------------- 34

摘  要

随着科学技术的发展，超声波测距仪已经广泛应用于工业、农业等方面，它还广泛应用于特殊环境，如倒车雷达，机器人避障等领域。超声波测距是利用单片机内部的定时器，在一定时间内，会发生频率不同、幅度不等的变化，随着超声波频率的增加，波束扩展角减小，能量更集中，指向性更好，但能量衰减呈指数增长，导致超声测距范围有限。超声波在介质中的传播时间和传播速度是影响超声波测量精度的关键因素。目前市面上大部分超声波测距仪在盲区处理方面不够完善，测距精度不高，且在实现实时语音播报以及无线通讯功能等方面还有空缺，降低了数据传输效率。

基于以上问题，本论文设计出一款基于单片机的超声波测距仪。本设计将系统大致分为七部分，分别是单片机最小系统、超声波模块、温度传感模块、液晶显示模块、语音模块、按键模块、无线通讯模块等。在提高测量精度方面，本设计硬件上通过DS18B20温度传感模块测量环境温度，由主控芯片STC89C52通过不同温度下超声波传播速度进行距离计算，软件上通过卡尔曼滤波算法根据往期数据自动预估下一次待测距离，自动调整量程，减小测量盲区，提高测量精度。在提高传输效率方面采用NV020C语音芯片对数据进行语音播报，且通过SIM900A无线通讯模块将所测数据传输至指定人员手机。另外数据采集单元采用HC-SR04超声波模块，通过按键模块设置上下限值、设定距离后由LCD1602显示测量数据。

关键词：超声波测距  语音报警  卡尔曼滤波算法 

ABSTRACT

With the development of science and technology, ultrasonic rangefinder has been widely used in industry, agriculture and other aspects, it is also widely used in special environment, such as reversing radar, robot obstacle avoidance and other fields. Ultrasonic ranging is the use of microcontroller internal timer, in a certain period of time, there will be different frequency, range of changes, with the increase of ultrasonic frequency, beam expansion Angle decreases, more concentrated energy, directivity is better, but the energy attenuation is exponential growth, resulting in ultrasonic ranging range is limited. The propagation time and velocity of ultrasonic wave in the medium are the key factors affecting the measurement accuracy of ultrasonic wave. At present, most of the ultrasonic rangefinder in the market is not perfect in the blind area processing, ranging accuracy is not high, and there are gaps in the realization of real-time voice broadcast and wireless communication functions, reducing the efficiency of data transmission.

Based on the above problems, this paper designs an ultrasonic rangefinder based on single chip microcomputer. The design of the system is roughly divided into seven parts, which are the MCU minimum system, ultrasonic module, temperature sensing module, liquid crystal display module, voice module, key module, wireless communication module, etc. In the field of improve the measurement precision, we design hardware by measuring temperature DS18B20 temperature sensor module, the main control chip STC89C52 distance calculation through the ultrasonic wave propagation velocity at different temperatures, the software automatically by the kalman filter algorithm based on past data forecast next to measure distance, automatic adjustment range, reduce the measuring blind area, Improve measurement accuracy. In terms of improving transmission efficiency, NV020C voice chip is used to broadcast the data, and the measured data is transmitted to the mobile phone of designated personnel through SIM900A wireless communication module. In addition, the HC-SR04 ultrasonic module is adopted in the data acquisition unit. After setting the upper and lower limits and setting the distance through the key module, the measurement data is displayed by LCD1602.

Key words:ultrasonic ranging  Voice alarm  Kalman filter algorithm

　1  绪论

1.1  研究背景和研究意义

超声波测距是一种非接触式探测技术，对电磁场和光的灵敏度较低。可用于有毒、粉尘或烟雾、黑暗、强电磁干扰环境。与其它仪器相比，它更卫生，更耐潮湿、高温、腐蚀性气体等恶劣环境。该感应器具有结构简单、生产成本低、信号分析处理简单靠谱.....

随着超声波频率的增加，波束扩展角减小，能量更集中，指向性更好，但能量衰减呈指数增长，导致超声波测距范围有限。超声波在介质中的传播时间和传播速度是影响超声波测量精度的关键因素。为了完成高精度超声波测距的任务，......

1.2  国内外现状

目前，典型的非接触测距方法有雷达测距，CCD探测，超声波测距，激光测距等。我国在新型超声换能器的研发、超声发射脉冲的选择等方面进......

目前，中国的超声波测距系统仍发展落后，更多的是引进和模仿，所以需要大力发展，实现在该领域的创新。随着技术的进步，超声波的使用越来越多，然而......

国外测距仪的新技术已经得到了广泛的应用，如自动化电子设计、计算机辅助检测、ASIC技术和表面粘贴等。

1.3  主要研究内容

本设计硬件上采用STC89C52单片机为核心控制单元，由HC-SR04超声波模块、NV020C语音模块、SIM900A无线通讯模块、DS18B20温度传感模块和LCD1602液晶显示模块等构成，可以根据当前环境温度精确计算并实现实时显示距离，......

第一章：绪论。学习了该研究方向的研究背景与研究意义......

第二章：系统设计与方案选择。介绍了......

第三章：超声波简介及盲区处理。介绍了超声波波形、......

第四章：硬件设计。说明了单片机最小系统、超声波模块、......

第五章：软件设计。提出了卡尔曼滤波算法和可编程增益......

第六章：调试与仿真。指出了系统调试方法.......

第七章：结论与展望。总结全文工作、展望......

2  系统设计与方案选择

2.1  整体方案设计

在超声波测距系统中基于单片机的功能建立整体，从具体的细节开始入手，选择适合的硬件，通过相互之间的配合操控，实现整个系统的运行。本系统包含多个模块，包括HC-SR04超声波模块进行距离测量，LCD1602显示模块显示数据，NCV020C语音芯片作为语音模块播放语音，......

在STC89C52中，最重要的是其MCS-52内核，因为经典，所以被应用，但为了更加优化这款单片机，对其做出改变，能够具有一些优越性能，这是传统的利用Flash，......本设计系统框图如图2-1所示：

图2-1  系统整体框架图

2.2  方案选择

2.2.1  控制芯片选择

方案一：采用DSP作为系统控制器。DSP(digital signal processor)微处理器相较于其他比较独特，是一种能够处理大量数字信号信息的设备。它不受温带接受环境等外部因素的影响。集成、分时、处理器共享、处理器系数调整等都很容易实现。......

方案二：采用单片机作为系统控制器。单片机具有靠谱性高，性价比高，电压低，功耗低等优点。单片机具有强大的运算功能，软件编程灵活，自由度大。......

基于以上分析，选定方案......。

2.2.2  超声波模块选择

方案一：一发一收式采用分立元件，包括超声波的发射电路、......

方案二：收发集成式采用分立元件集成，......

方案比较：在方案一中，每一个模块由分立元件构成。......

3  超声波简介及盲区处理

3.1  超声波简介

声波是一种机械波，必须由波源和传输介质产生，使波源处产生的震动能通过弹性媒质向各个方向传播。超声不同于光波，它能在气体、液体、固体等介质中传播。与......频率界限示意图如图3-1所示：

图3-1  声波频率界限示意图

3.2  超声波传播速度

（1）波形类型

介质的固有特性和边界条件决定了超声波在传播过程中的类型。主要的波形类型有四点如下：

• 纵波

超声波在媒介中的质点振荡方向与传播方向相同，叫做纵波波形，......

• 横波

超声波在媒介中的质点振荡方向与传播方向相互正交，叫做横波，.......

• 表面波

超声波沿固体表面传播的既有纵波又有横波双重特性的称为表面波。......

• 板波

板波，又称LambWave，仅在一个波长左右的薄板内形成，在薄板的两个表层......

（2）超声波在介质中的传播速度由介质的尺寸和密度决定。

• 气体介质中的传播速度

超声波在气体介质中的传播形式仅为纵波。在气体介质中，气体的分子量，......

表示气体介质的绝热体积压缩系数。当单位压力变化时，体积也随之变化，即 ；

当温度为0℃， 为 Pa，包含0.03mol的二氧化碳，不含有水分时，选择如下......

• 液体媒介中的传播速度

......

• 固体媒介中的传播速度

纵波声波

横波声速

其中，E表示杨氏模量， 表示泊松比。

3.3  影响超声波测距精度的主要因素

（1）超声波波速不恒定

由于超声波特性，在温度、压强、湿度等多变的不同环境下，超声波传播速度不恒定，其中温度对超声波速度影响程度最大。因此需要对待测液面环境进行实时测.......

（2）回波信号的衰减

由于超声波在各种媒介中传播时会发生衰减现象，使得在传播距离变大的情况下超声波信号呈指数倍迅速衰减，致使测距范围的减小或测......

（3）发射电路的“拖尾”问题

待测距离太小，超声接收电路会将回波信号与超声发射电路的尾随信号混淆，使回波信号无法被正确检测，测距失败造成......

3.4  盲区处理

为了确定一个特定的声音噪音比，接收信号的振幅被定义为一个阈值，接收信号的振幅必须大于阈值，才能使接收回波回路有一个输入信号[2]。如图3-2，从b这个点接收到的信号将低于阈值......

对盲区问题处理办法是对绕射虚假信号作屏蔽。可以从硬件上屏蔽，也......

图3-2  测量盲区示意图

4  硬件设计

4.1  单片机最小系统

STC89C52的地位非常重要，与其他种类的单片机相比，它有着独特的优势，例如低功耗、高性能等，这些优势决定它的地位，因为是STC公司生产的，所以称其为CMOS8位微控制器，其中最独特的特点是有能在系统中可编程Flash存储器。在STC89C52中......

晶体振荡电路由两个30pf的C2和C3电容器和一个12M晶体振荡器构成。电容器的作用是使晶体振荡器振荡。数值范围为15-30pf。晶体振荡器有24M。晶体振荡的值越高，......

复位电路由10uF电极和10k电阻组成。考虑到电容不会突然变化，重新设置的针会有一个高功率，系统会被加载，这个高功率的长度将由电路的RC值决定......

电源电路使用5V的USB直接供电。STC89C52的最小系统，如图3-2所示。

图4-1  单片机最小系统

4.2  超声波模块

本设计采用MAX232、TL074、T40-16与R40-16构成了HC-SR04超声波模块。......实物如图4-2所示。

图4-2  HC-SR04模块

4.2.1  超声波模块内部使用器件

（1）MAX232

MAX232芯片是美信公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。此处用于对T40-16激励电压的放大。

MAX232共14个引脚，可分为三个部分。第一部分是电荷泵电路。.......

（2）TL074

TL074是常用的低噪声JFET输入四运算放大器。1、2、3脚是通道1的输出端、反相输入端、同相输入端；5、6、7脚是通道2的同相输入端、反相输入端、输出端......

（3）T40-16与R40-16

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

电气方式产生超声波,主要包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；......

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作。其内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，.......

T40-16T/R的特性如下：

• 标称频率(KHz)：40KHz；
• 发射电压at10V(0dB=0.02mPa)：≥110dB；
• 接收灵敏度at40KHz(0dB=V/ubar)：≥-70dB；
• 探测距离(m)：0.03-4；
• 使用方式：T为发射头，R为接收头，TR为收发兼用；
• 适用范围：家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；超声波测距及汽车倒车防撞装置；液面探测；超声波接近开关及其它应用的超声波场合。

4.2.2  超声波模块工作原理

采用I/O口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号。接着模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。一旦有信号返回，通过I/O口ECHO输出一个高电平，......原理图如图4-3所示。

图4-3  超声波模块

4.3  液晶显示模块

采用LCD1602作为液晶显示模块，它是一种容积小、重量轻、功耗低的提示设备。可显示2行16个字符，用于显示英语字母，阿拉伯编号，常用符号等，通过自定义还可显示简单的汉字。......本液晶模块的电路的连接图如图4-4所示。

图4-4  液晶模块连接图

4.4  温度传感模块

采用DS18B20作为温度传感模块，它是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。测量的温度范围是-55~125℃，测温误差0.5℃。......DS18B20的模块电路图如图4-6所示：

图4-5  DS18B20图

图4-6  DS18B20模块连接图