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

4.5 语音模块

本设计不但具有超声波测距功能，还具有报警功能。可以给本系统设定一个报警值，当测量到的距离小于报警值时，语音模块会实时播放测量到的距离结果。并可根据不同的条件，......

本设计采用NVC系列语音芯片，它具有成本低，性能稳定，音质高，控制方便，电路简单等优点。NVC是一款性能稳定的语音芯片，无需任何外围电路，......

NVC系列语音芯片有一组PWM输出口，可以直推0.5w喇叭，音质清晰。内置LVR复位，无需外加复位电路。内置精确的内阻频率振动器（最大仅+-1%的误差），无......

NVC系列语音芯片有很好的控制方式，它是一个按钮控制模块和一个便携式控制模块，主要的控制模块分为开关控制、脉冲触发、重复触发、非重复触发等。.......

由于本次设计基于一线控制，这里只介绍一线MCU控制的相关内容。MCU一线串口控制是指MCU主控通过DATA数据线来控制任何语音的触发和停止[8]。.......语音模块的电路图如图4-7所示。

表4-1 数据与语音的对应关系表

地址	数据	语音内容	地址	数据	语音内容
00H	1	零	09H	10	九
01H	2	一	0AH	11	十
02H	3	二	0BH	12	百
03H	4	三	0CH	13	点
04H	5	四	0DH	14	厘米
05H	6	五	0EH	15	米
06H	7	六	0FH	16	欢迎使用
07H	8	七	10H	17	欢迎使用超声波测距系统
08H	9	八	11H	18	注意安全

图4-7 语音模块电路图

4.6 按键模块

单片机最常用的按键是独立按键和矩阵按键，每种按键都有自己的特征。矩阵按键与独立按键截然不同。矩阵按键更复杂一般用于重复扫描。矩阵按键脉冲固定时间短，按......

本设计采用独立键盘只有3个按键，分别是“设置（K1）”连到了单片机的P32，“加（K3）”连到了单片机的P33，“减（K2）”连到了单片机的P34。“设置”按键负责设置预警值，......通过设置按键图4-8所示：

图4-8 按键电路

4.7 无线通信模块

本设计采用SIM900A模块作为无线通讯模块，SIM900A模块是SIMCOM公司生产的工业级GSM/GPRS模块，可在低功耗情况下进行语音，工作频段为双频900/1800MHz，......特点如SIM900A表4-2所示。

表4-2 SIM900A模块特点

序号	特点
1	集成RS232串口，有利于与PC机连接；
2	对通讯部分的输入/输出口做了兼容设计，使其方便与单片机系统进行连接；
3	集成了电源防反接保护，瞬变电压抑制保护，SIM卡进行静电放电保护；
4	安置了形似“小辣椒”的天线，接收能力大大提高；
5	集成高效的同步降压电路，转换效率高，且电压工作范围较宽；
6	内置实时时钟的后备电池，若出现意外情况掉电了，也无需担心；
7	集成3.5mm耳机和麦克风座，方便进行语音通信的开发。

VBAT与GND之间接有电容，其目的是为了稳定电源电压，提高其工作的稳定性。C4是大电容，当SIM900A模块处于掉电状态的瞬间，C4用先前存储的电能以稳定整个电路的电压；.......无线通信电路无线通信电路原理图如图4-9所示

图4-9 无线通信电路原理图

5 软件设计

本次设计在软件方面主要利用卡尔曼滤波算法。卡尔曼滤算法可以根据以往测量数据将下一次数据范围进行预估，以便单片机进行合适的量程选择，以提高距离里检测精度。需要测量的物体，......

其中；和表示零均值白噪声，表示待测物体与超声波换能器之间的距离，表示待测物体与超声波换能器之间的相对速度，表示待测物体与超声波换能器之间的相对加速度，......

初始状态值确定

初始值，则测量初期会出现波动，可把检测值当作X0中的，把之前连续三次的实际距离检测值的二阶差分当作初始状态值X0的。

时间更新

预估下一时刻目标的状态，将预测值对应到量程上。

检测更新

.......

5.1 总程序流程设计

本设计首先对LCD初始化，包括液晶功能初始化和液晶显示内容初始化，接下来针对MCU定时器展开相应的初始化操作。一旦跳转至循环，即可采集当前状况下的温度值，并将所采集到的数据呈现在液晶屏的首行，进一步基于温度大小求解相应实时超声传输速度具体数值。......软件流程图如图5-1所示。

图5-1 程序流程图

5.2 显示模块程序设计

在LCD开始前，确定一个位置，以此作为定位，成为地址，比如第1行第5列的位置。在完成坐标定位之后就可以开始显示内容了。液晶在显示的时候，是一位一位完成的。比如显示“hello”，......液晶显示流程图如图5-2所示：

图5-2 液晶显示流程图

5.3 超声波模块程序设计

首先由单片机发一个触发信号，通过Trig引脚给超声波模块，超声波模块收到这个触发信号后启动测距，此时程序检测Echo返回高电平，该引脚是低电平表示正在测距，低电平转高电平.......超声波模块程序流程图如图5-3所示：

图5-3 超声波模块程序流程图

5.4 温度传感器程序设计

首先是初始化传感器，相当于是一次复位的过程，由于本设计只接了一个传感器，因此无需区别传感器的序列号，直接发一个指令0xcc跳过ROM寻找，接着发一个0x44的指令给传感器，让传感器启动温度转换。然后再次复位传感器,接着还是一样的跳过ROM指令0xcc，再往下就是发0xbe给传感器准备读取传感器的检测结果，最后就是读取传感器返回的检测结果。温度传感器程序流程图如图5-4所示：

图5-4 温度传感器程序流程图

5.5 无线通信子程序设计

无线通信子程序首先初始化SIM900A，即调用USART_Init()函数，包括串口方式选择、定时器选择、波特率设置等。再与SIM900A连接，按照指定步骤向SIM900A发送AT指令，即调用SendString(uchar*str)函数，一位一位地发送字符。每次发完一个Attention命令时，.....无线通信子程序流程图如图5-5所示。

图5-5 无线通讯子程序流程图

6 调试 与仿真

6.1 硬件调试

根据原理图的功能将复杂电路分为安装调试单元。

（1）通电观察

接通电源后，首先观察电路，查看是否有问题。如果出现问题，就关闭电源，经检查后，重新通电测试。根据要求测量每一个元件引脚的电源电压力，......

（2）调试

在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。调试顺序应按照电路原理图中信号流向进行，这样可以把整个电路进行分步调试，把前面调试好的电路的输出信号作为后一级电路的输入信号。......

单元调试包括静态和动态调试。静态调试一般是指在没有外加信号的条件下测试电路各点的电位，特别是有源器件的静态工作点。通过它可以及时发现已经损坏和处于临界状态的元器件。动态调试是用前级的输出信号或自身的信号测试单元的各种指标是否符合设计要求，.......

（3）联调

调试后，需要在进行联合调试，其主要的作用与调试不同，其可以对动态性能测量，在得到结果后，通过分析对比，可以研究出问题所在，并做出解决方案。经过这样的过程，......

设置界面实物图如图6-1所示，检测界面实物图如图6-2所示。LCD液晶显示器将实时显示距.......

图6-1 设置界面实物图

图6-2 检测界面实物图

6.2 软件调试

软件调试需要经过很多步，比如组合、分离、集成等。其中的组合，是通过软件实现的，在此情况下，不能将硬件设施，加到其中，这样会使得调试过程不准确，达不到想要的效果。还有分离、集成等，都有自己的步骤，要严格按照要求来进行。设置界面仿真图如图6-3所示，检测界面仿真图如图6-4所示：

图6-3 设置界面仿真

图6-4 检测界面仿真

6.3 系统综合调试

系统调试是在各功能模块调试成功后进行的综合调试。试验验证了系统是否达到了预期的设计要求。该程序是在KeilC和．hex编写的文件生成。串行STC......下载程序图如图6-5所示：

图6-5 烧录界面及实物

7 总结与展望

7.1 总结

本文在超声波测距原理、硬件电路实现和软件设计基础上，完成了超声波测距的设计要求。利用单片机的运算和控制功能，结合卡尔曼滤波算法的实际情况，设计出的一种简单实用的超声波的测距仪。首先通过单片机控制超声波模块进行测距，.......

本设计利用超声波检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广......

7.2 展望

这个系统有些先进的技术，但不能实现完全自动化。SIM900A模块能用来接受短消息的内容，在后期工作中努力让超声波测距仪更加智能化使传输效率更高。.....

为方便大家参考，整理了如下文档，需要的请下载

标签：......,单片机,测距,模块,超声波,测距仪,调试
来源： https://blog.csdn.net/u013253075/article/details/122736475