基于arduino单片机超声波测距仪的设计
摘要：经过很多年的研究目前超声波的应用范围非常之广几乎涵盖了当今世界的各行各业中这是因为超声波有很多优点和特性能够适应各种各样的环境而且传播的距离足够远。在上个世纪的初始阶段由于产生了电子学所以人们不满足机械式的发出超声波所以制作了基于电子原理的超声波发生器。在1917年左右外国的一名著名科学家发明了一种超级的超声波发生器并且成功的应用在当时的军事产品上然后促使超声波设备如井喷式的不断发展。本课题是设计一种超声波测距仪是利用超声波能够测量距离的原理通过电子和机械等综合的方式的一种测量方法。而这种测量距离的电路的设计方法是需要我们通过其他方式手段知道超声波的传播的速度还有就是我们使用的这种超声波在发送出去后碰到障碍物的返回来时的速度然后在知道这种方式之后一来一回超声波所用的时间这样我们就可以根据相关的数学公式就能算出从现在距离到超声波碰到障碍物的距离这样就达到我们电路设计的测量距离的目的。
关键字：arduino；超声波；测距；
Ultrasonic distance meter
Abstract:After many years of research, the scope of application of ultrasound is very wide, covering almost all industries in the world today. This is because ultrasound has many advantages and characteristics that can adapt to various environments and spread far enough. In the initial stage of the last century, because electronics was produced, people did not satisfy mechanical ultrasonic waves, so an ultrasonic generator based on the principle of electronics was created. In 1917, a famous foreign scientist invented a supersonic wave generator and successfully applied it to military products at that time and then promoted the continuous development of ultrasonic equipment such as blowout. This topic is to design a kind of ultrasonic distance meter that can measure the distance by using the principle of ultrasonic. It is a kind of measurement method through the integration of electronic and mechanical methods. And this kind of distance measuring circuit design method needs us to know the speed of the ultrasonic wave propagation through other means and the speed when we use this kind of ultrasonic wave to come back to the obstacle after sending out, and then we know this The time that the ultrasonic wave is used after one kind of method is such that we can calculate the distance from the current distance to the ultrasonic wave touching the obstacle according to the relevant mathematical formula and thus achieve the purpose of measuring the distance of our circuit design.
Keywords: arduino; Intelligent; access control system; electromagnetic lock
第一章绪论 3
1.1 研究背景 3
1.2 超声波的发展现状及趋势 5
第二章总体方案设计及说明 6
2.1 本课题系统框架设计说明 6
2.1 本课题研究内容及意义 7
第三章硬件模块设计选型 8
3.1超声波模块选型介绍 9
3.2主控芯片选型介绍 11
3.3 显示模块选型介绍 14
3.4 按键模块选型介绍 15
3.5 报警模块选型介绍 16
第四章硬件电路设计及说明 17
4.1超声波模块电路设计 17
4.2单片机最小系统电路设计 18
4.3串口下载电路设计 18
4.4显示模块电路设计 19
4.5电源电路设计 19
第五章软件系统设计 20
5.1 程序流程图设计及说明 20
5.2 主程序设计 20
第六章硬件调试 22
第七章总结致谢 22
参考文献 24
第一章 绪论
1.1 研究背景
超声波也是各种各样的声波中的一种只是对于超声波的定义有关的科学家给出的界限是远大于两千赫兹的震动的频率的声音，超声波的名字为什么叫成超声波因为超声波这种声波人类发现的而根据科学家的研究目前人类所能够听到声波频率的极限是二十赫兹到两万赫兹中间的声音超过这个频率区间的的声音人类是听不到了所以就把高于二万赫兹的频率的声波称为超声波。经过很多年的研究目前超声波的应用范围非常之广几乎涵盖了当今世界的各行各业中这是因为超声波有很多优点和特性能够适应各种各样的环境而且传播的距离足够远。尤其是近几年科学家把超声波应用在医学的领域取得了巨大的成果以前没有超声波技术的时候那些难以治愈或者使用手术的方式治愈的等非常麻烦的方法因为有超声波的出现都能够轻而易举的实现例如现在一个非常典型的医学上的应用就是超声波碎石，再以前体内胆结石再不动手术的情况下根本不可能弄出体外都是采用手术切除一个创口让后拿出来现有有了超声波的技术直接使用超声波能够共振粉碎结石的特性使不用动手术的情况下就能粉碎结石从而随着人体新陈代谢排除体外。
现在所有的产品或者仪器设备都朝智能化发展，智能化就少不了让产品设备能听到外面环境的声音能够看到自己周围都有什么东西距离自己有多远能够思考我是要靠近这个东西还是去闪躲这东西还是把东西拿到自己身边来等等。所以我们这个课题就是研究产品设备能够看到自己周围的东西也就是说能够感知到自己周围的地形障碍物，目前据我调查了解得知能够实现这种探知障碍物的功能的模块传感器一种是摄像头通过拍摄周围图像进行分析识别周围的地形还有障碍物等但是这种图像识别障碍物的技术还不是太成熟几乎没有产品设备采用这种摄像头图像识别的技术来做产品设备，还有一种就是通过向周围发送探测信号然后根据返回的信号或者信息知道距离自己多少的距离有障碍物还有障碍物的大小形状等，如果发射密集的探测信号也是可以把周围的地形地势等信息都能分析出来。能够实现这样功能的目前我所知道有两种一种是超声波测距仪是通过仿生学发明的一种技术是模仿再夜间行动的蝙蝠通过发出声波然后碰到障碍物返回然后知道自己前方多少的距离有障碍物。还有一种是红外测距仪这种探测距离是根据光能够直线传播和返回的原理光能够再碰到障碍物的时候进行折射虽然折射的光比较弱但是红外测距仪的接收设备能够接收到这种微弱的信号从而可以知道障碍物的距离信息等。
人们通常认为超声波具有两个非常具有特征并且很重要的特征一个就是声音特有的特征频率那就是我们前面也是介绍过的超声波的频率一定是大于两万赫兹的声波才能被称为超声波。还有一个非常重要的超声波的特征就是功率密度这个功率密度是怎么得来的呢他是由超声波发射出去的功率的总和除以超声波发出时的面积得到的商的值就是超声波的功率密度。当超声波在可以流动的液体介质中传播的时候会产生一种效应科学家们称这种效应为空化作用这种作用的原理就是超声波以超高的频率次数使得压缩的力量和减小的压力的力量这两种力量也在高频率的反转然后就会使得液体发生了透射就会在流动的液体介质中产生一个真空的泡泡现象然后根据这个原理就会对物体的表面的脏清洗干净这就是所谓的空化效应，产生空化效应的时候实际测量液体中是没有负压强存在的所以也就会在流动的液体介质中检测出来一个比较巨大的压强力因为这个压强力的存在使得流通的液体介质中的分子变成了一个没有核心的空心分子在这无核的分子空里面是非常非常的像真空的环境，然后这个时候超声波发生一个反向的压力使得分子承受不住随之涨破然后涨破就像爆炸一样会产生一个非常大冲击波似的巨大力量这个力量再碰到需要清洗的物体的表面就会使上面粘附的脏东西冲击下来所以由于这种使液体中分子涨破的现象称为这个现象为空化效应，但是超声波在流动的液体介质中产生空化效应是有一定的条件的那就是超声波的声波的强度要达到一定的界限。现在所有使用超声波清洗的产品设备的制作的原理都是基于这个效应的。
1.2 超声波的发展现状及趋势
不管是国内还是国外科学家和研究学者对超声波的研究和发展从来没有间断过，超声波对我们的重要性不言而喻，上上个世纪的八十年代左右国外的一个科学家第一次通过人工制作出一个工具能够发出超声波这个工具的原理大体就是利用压缩的原理吧气体压缩到一起然后迫使压缩过后的气体快速通过狭小的缝隙口从而使的气体和口发生了强烈的震动然后就会发出超声波。基于这种共振产生超声波的原理从此又有很多人发明了各种各样的机械形式的工具和设备能够发出超声波。在上个世纪的初始阶段由于产生了电子学所以人们不满足机械式的发出超声波所以制作了基于电子原理的超声波发生器。在1917年左右外国的一名著名科学家发明了一种超级的超声波发生器并且成功的应用在当时的军事产品上然后促使超声波设备如井喷式的不断发展。
因为对测量行业的巨大需要所以刺激了超声波测距红外测距等技术的快速发展也在现在经济快速发展的各行各业得到了很大的使用和研究新产品。这样快速的发展也让超声波测距的机器人的成本和性能都得到了重大的飞跃的进步像以前测量技术没有发展起来之前我们所能听到的机器人都是在工厂里进工作的机器人产品在我们平常的生活中都是没有见过机器人的。现在由于超声波测距的技术不断突破研究不断得到了重大的进展精度也是越来越高这样使得机器人从工厂到生活中来了，可以为我们的日常生活提供服务。因为机器人有了可以知道自己周围的障碍物的功能和能力就可以自动完成避障的动作或者自己在生活中按照人们规划好的路线进行行走等等。超声波测距的技术刚开始是国外先发展起来的刚开始应用的并不广泛是因为当时的发明出来的超声波的技术不成熟还是基于机械原理制作的超声波不像现在的超声波测距是基于机电原理生产的。在上个世纪的时候国外就发现了超声波的好处就相关学者就开始了对超声波的研究。刚开始国外对超声波的研究不是使用在远距离测距上面的而是一种无损检测的技术是用来检测建筑设备有没有什么地方产生裂缝或者出现品质问题等。使用超声波来检测物品设备有没有损坏是一种非常重要的技术不管是国内还是国外都是非常重视的因为这种检测技术是可以很直观的检测和评价材料的结构组织和力学的特性等等方面的信息。因为在没有发明超声波来进行无损检测的技术的时候都是靠普通设备但是这种设备只具有普通的扫描并不能检测出材料外观上的损坏只能靠具有大量工作和检测经验的老技术工人才能对那些需要进行无损分析检测的物品和机器等进行分析报告。
第二章 总体方案设计及说明
2.1 本课题超声波原理的阐述
通过近十几年的科学技术不断发展，在学术界已经研制发明了很多种结构的超声波测距仪和超声波的发生器等等，这也是人类不断的探索超声波领域所取得的很大的成绩。但是尽管不断有各种各样的超声波的型号和设备被研发制作出来总的来说根据超声波的原理还是可以大致分为两类的一种是就是刚开始人们接触发现超声波通过原始的机械方式制作产生通过机械震动的方式发出超声波。还有一种是现在电子学的发展产生的一种电子式的超声波发生器目前几乎都是在使用的都是电子式的超声波发生器。这两种大的分类的标准之下电子式的还可以细分为好多种类例如电动式的超声波压电式的超声波发生器等等。使用超声波测距的原理是超声波在发送出去后碰到障碍物的返回来时的速度然后在知道这种方式之后一来一回超声波所用的时间这样我们就可以根据相关的数学公式就能算出从现在距离到超声波碰到障碍物的距离这样就达到我们电路设计的测量距离的目的。这款传感器模块是有一定盲区的这个盲区是超声波所能感应到障碍物的方位是不能大于超声波发射位置的15度角左右而且低于2厘米的障碍物也是处于一个盲区范围之内的最大的测量距离是10米左右需要中远距离测距要求的可以选用更高级的超声波传感器的，这个型号的传感器可以满足近距离测量要求的设备和仪器的要求。这款超声波传感器的误差精度不会超过3毫米左右。用这个原理的前提是在知道声波在大气空气中的传播的速度这个很重要要不然距离就算不准的。
使用超声波进行测距有时候也会存在不小的误差的这个误差可以根据整个超声波测距的原理得知主要是两个方面造成误差一个是传播时间的测量的误差一个是我们已知的超声波在大气空气中传播的速度和实际传播的速度的误差。对于第一种传播时间的误差可以使用更高精度的时钟计时器来尽量的减少这个时间的误差另一种传播速度的误差这个是因为我们所知道的超声波在大气空气中的传播的速度是340米每秒这是一种非常理想的情况下测得速度但是我们在实际应用超声波来测量相关距离的时候各种环境的因素没有那么理想，如果大气空气中的密度很高则传播的速度要比这个标准值要快很多。空气的密度又与很多因素有关其中最主要的因素就是温度因素所以来说超声波的传播的速度与温度有莫大的关系在高温的环境中工作和低温的环境工作这些误差都要考虑到才能做出来一个非常精准的超声波的测距仪器设备。
2.2 本课题研究内容及意义
本课题是超声波的测量电路的设计是利用超声波能够测量距离的原理通过电子和机械等综合的方式的一种测量方法。而这种测量距离的电路的设计方法是需要我们通过其他方式手段知道超声波的传播的速度还有就是我们使用的这种超声波在发送出去后碰到障碍物的返回来时的速度然后在知道这种方式之后一来一回超声波所用的时间这样我们就可以根据相关的数学公式就能算出从现在距离到超声波碰到障碍物的距离这样就达到我们电路设计的测量距离的目的。根据现在科学家的研究已知的声波传输超声波在所有的声波中的传输的方向性做好而且超声波在空气中的传播消耗的能力也是最小的也就是说超声波可以传输的更远所以超声波能够在同类的介质中传播到很远很远的距离就是因为以上我们所说的超声波的很多的优点所以超声波经常被应用在中远方向的距离的测量。现在科学技术的发展使得超声波的制作方式都相比于以前有了很大的进步现在的超声波的结构制作成本很低结构很简单对相关算法的要求也是比较简单的没有那么复杂非常适合我们平常的生活中的应用也能够满足我们日常生活中所需要的精度的要求。超声波作为所有已知的声波中较为特殊的一种声波他的频率一般都是远远大于20K赫兹朝上的声波但是虽然是频率比普通的声波要高很多但是它依然是具有普通的声波所具有的的所有声波的特性反射干涉衍射等等特性都是具备的。基于以上我们所说的超声波能够适应各种恶劣的环境条件同时还能够保证精度和可靠度所以现在科学家和企业家都是大力发展超声波的各种应用用超声波来实现各种产品需要的功能。
本课题的名字是超声波测距仪的设计根据我的查阅资料和与老师的讨论决定做使用超声波测量距离的电路然后在LCD液晶显示屏上进行显示测量的距离与相关的信息。本课题超声波测距离的电路采用ARDUINO单片机作为中控单元来发送脉冲驱动超声波进行测量距离并把超声波传回来的距离进行分析整理然后把用户想要的距离的信息数据显示在LCD液晶显示屏上面供人进行观察。整个硬件系统结构主要包括ARDUINO中控单元负责控制、超声波测距模块主要是发出40K赫兹的声波并接受碰到周围或者前方的障碍物返回来的信号并把测量到的距离的信号传给单片机、LCD液晶显示模块主要是显示相关数据是一个人机交互式的界面方便使用的人能够方便直观的看到想要的数据、蜂鸣器报警模块主要用来报警预警碰到紧急情况能够给予预警方便人能够反映过来。
参考文献
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