论文总字数：18012字

摘 要

本课题以满足当前生活生产需求为出发点，以超声波研究现况为技术指导，设计并实现了无需接触的超广范围的超声波雷达测距仪。基于arduino单片机的产品设计具有价格低廉，结构简单，运行稳定等特点。在以往的研究与应用中，以超声波雷达作为测距工具与传统的测距方式相比，具有显著且独特的测量优势。首先，超声波测距的方式并不依赖于用实体触碰的测量方式去测量距离。因此即使在不可触碰，狭小，视野差等复杂环境里，超声波测距仪的测距表现也毫不逊色。其次，相较于红外线测距的方式，由于超声波反射的广泛面积和横向距离，可以在更大面积上进行距离测量。在日常生活生产中超声波测距有着十分广泛的应用，例如倒车影像就是利用了超声波技术完成对障碍物和车辆距离的把控；而在工业生产和施工作业方面，超声波主要应用于液面高度测量、隧道深度探测和狭窄管道长度测量等方面。

合理利用大学所学知识，使用arduino IDE对arduino-UNO开发板进行相关编程设计。通过连接控制超声波收发模块，显示屏模块，舵机模块和激光发射模块，实现超声波测距仪的设计与开发。该测距仪实现在1m范围内实现对障碍物或被测物体进行距离测量，搭配舵机对180°范围内进行扫描，并且通过显示器，将测量效果直接实时展现。不仅可以直观看到周围180°障碍物的存在范围，也可以读到超声波收发装置扫过时的距离。同时，当在较近距离扫描到有障碍物时，激光指示器便会发出红色激光进行对障碍物的指示。

关键词：超声波；嵌入式；arduino单片机；距离测量；障碍探测

The design of an ultrasonic rangefinder

based on an arduino microcontroller

Abstract

This topic to meet the current production needs of life as a starting point, to ultrasonic research status as a technical guide, design and achieve a wide range of ultrasonic radar rangefinder without contact.The product design based on the arduino microcontroller has the characteristics of low price, simple structure and stable operation.In the past research and application, ultrasonic radar as a ranging tool compared with the traditional ranging method, has a significant and unique measurement advantages.First, the way ultrasonic ranging is measured does not depend on measuring distance by means of solid touch.Therefore, even in the untouchable, narrow, poor field of view and other complex environments, ultrasonic rangefinder rangefinder performance is no less.Secondly, compared with infrared ranging, distance measurement can be made over a larger area due to the wide area and lateral distance reflected by ultrasonic waves.Ultrasonic ranging is widely used in daily life production, such as reversing image is the use of ultrasonic technology to complete the control of obstacles and vehicle distance, while in industrial production and construction operations, ultrasonic is mainly used in liquid surface height measurement, tunnel depth detection and narrow pipe length measurement.

Make good use of the knowledge learned by the university and use the arduino IDE to design the arduino-UNO board. The design and development of ultrasonic rangefinders is achieved by connecting control ultrasonic transceiver components, display components, rudder components and laser indication components. The rangefinder enables distance measurement of obstacles or objects under test within a range of 1m, scans the range of 180 degrees with the rudder, and displays the measurement results directly in real time. Not only can you visually see the range of the surrounding 180-degree obstacles, but you can also read the distance from which the ultrasonic transceiver device sweeps out of date. At the same time, when an obstacle is scanned at a closer distance, the laser pointer emits a red laser to indicate the obstacle.

Keywords: ultrasound; embedded; arduino microcontroller; distance measurement; obstacle detection

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 课题研究的意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国内现状 2

1.3.2 国外现状 2

1.4 本文的研究内容 2

1.5 本文的研究结构 3

第二章 硬件介绍及原理 4

2.1 单片机的选择及介绍 4

2.1.1 单片机的选择 4

2.1.2 arduino-UNO开发板 4

2.2 超声波收发模块原理及介绍 7

2.3 TFT显示屏的原理及介绍 8

2.4 舵机的原理及介绍 10

2.5 激光指示器的原理及介绍 11

第三章 硬件部分设计 12

3.1 硬件设计思路 12

3.2 设计方案 12

3.3 硬件整体设计 13

第四章 软件部分设计 15

4.1 软件设计思路 15

4.2 各个模块的设计思路 16

4.2.1 超声波收发模块 17

4.2.2 舵机模块 17

4.2.3 激光发射模块 18

4.2.3 TFT显示屏模块 18

第五章 模块的调试与整体的展示 22

5.1 各个模块调试 22

5.1.1 TFT显示屏模块调试 22

5.1.2 舵机模块调试 23

5.1.3 超声波收发模块调试 24

5.1.4 激光发射模块 25

5.2 超声波测距仪整体组装 26

5.3 超声波测距仪的功能展示 28

第六章 结论与思考反馈 30

致 谢 31

参考文献 32

附 录 33

第一章 引 言

1.1 课题研究的背景

超声波是一种频率高于20000Hz(赫兹)的声波。因为20Hz~20000Hz是人类能听见的声音频率范围，因此频率大于20000Hz，高于人耳听觉范围之外的声波，被定义为超声波^[1]。超声波是一种具有良好的方向性和较强的反射性的声波能量，超声波技术因为价格低廉，结构简单且易于实现而被人们广泛的应用于生活生产之中。

而在步入21世纪之后，集成电路的进步，带来了物联网的飞速发展，嵌入式系统也开始逐步广泛的运用在人们的日常生产生活之中。单片机的全称是“单片微型计算机”。这是一种代表性的嵌入式微型控制器，用英文简写为MCU。单片机是指在单个芯片上去构件计算机系统的完整功能。它不仅仅是具备某个简单逻辑功能的芯片，而是包含了众多运算器，控制器，存储器，输入输出设备等部件的一个集合体。单片机它具备体积更小，质量更轻，价格低廉等优点，最早被使用在工业领域。

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