超声波测距毕业设计.doc

本科生毕业设计（论文）题 目： 超声波测距系统的设计与应用 姓 名： 龚 国 亮 学 号： 010700731 学 院： 电气工程与自动化学院 专 业： 电气工程与自动化（自动化方向） 年 级： 2007级 指导教师： （签名）2011 年 6 月 2 日27超声波测距系统的设计与应用中文摘要超声波测距仪，因为其检测迅速、方便、计算简单、易于实时控制等特点，可以应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，如：液位、井深、管道长度等场合。目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。为能提高系统测量精度和系统稳定性，在硬件上应尽可能少的采用分立元件，主要采用集成芯片设计，从而提高了系统计时的准确性。在本次设计中采用压电式超声波换能器，主要是利用超声波的特点和优势,使用STC89C52单片机作为控制器，将超声波测距系统和单片机结合于一体,完成了超声波测距系统的软硬件设计。在整个超声波测距系统硬件电路模块中主要的电路设计有HC-SR04超声波测距模块，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。应用程序的开发使用C语言对STC89C52单片机进行控制，以空气中超声波的传播速度为确定的条件，利用超声波反射对距离测定，通过实物验证这一设计方案的可行性。设计超声波测距系统的测量精度为3mm，盲区2cm，可清晰稳定地显示测量结果。论文扼要介绍了STC89C52RC单片机的性能和特点，以及HC-SR04超声波测距模块的性能参数。论文围绕应用单片对超声波测距系统设计进行说明，重点阐述了超声波测距系统的应用与设计，对实验结果使用LCD显示屏显示，方便对参数的控制和调整。关键词 STC89C52RC单片机，HC-SR04测距模块，超声波测距Design and Application of Ultrasonic Ranging SystemAbstractUltrasonic rangefinder, because the test fast, convenient and simple calculation, easy to real-time control characteristics that can be applied to reverse radar, construction site and some industrial field, such as: Level measurement, Well depth measuring, pipe length measurement and so on. At present the precision of ultrasonic system is needs more and more. To improve the system measuring precision and stability of the system, hardware should as far as possible in the less by division element, mainly adopts integrated chip design, so as to improve the accuracy of the system time.In this design using the piezoelectric ultrasonic transducer, mainly using ultrasonic features and advantages, make ultrasonic ranging system and single-chip microcomputer combined in one , the use of AT89C52 single chip computer as controller, completed the ultrasonic ranging system hardware and software design. Throughout the ultrasonic ranging system hardware circuit module main circuit design have HC-SR04 ultrasonic ranging module, modules including ultrasonic transmitters and receivers and control circuit. Application development of AT89C52 single chip computer using C language, to control in the air to determine the propagation speed of ultrasonic, using ultrasonic reflecting the conditions of distance measurement, by physical test the design scheme is feasible. The ultrasonic ranging system design measuring accuracy of 3mm, blind 2cm, can be clear, stable display measured results. Paper introduces briefly the characteristics and properties of STC89C52RC microcontroller, and HC - SR04 ultrasonic ranging module performance parameters. Papers on a single chip around application that ultrasonic ranging system design, expounds the application of ultrasonic ranging system with design, the results of the experiment, convenient use LCD screen shows the control of parameters adjustment.Keywords: STC89C52SCM experiment box，HC-SR04 Ranging module， Ultrasonic ranging目 录第1章 引言11.1 课题研究的背景、概况11.2 超声波测距仪的现状与发展趋势11.3毕业设计（论文）的主要任务和内容2第2章 超声波测距的设计思路32.1 超声波测距原理32.2 系统整体方案论证42.3 单片机测距原理及实现52.4 超声波传感器的基本原理5第3章 总体方案设计63.1超声波测距系统总体方案设计63.2 系统主要参数考虑73.2.1超声波测距仪的工作频率73.2.2 超声波声速83.2.3发射脉冲宽度83.3 单片机系统及基本电路83.3.1 STC89C52RC单片机功能介绍83.3.2 HC-SR04超声波测距模块介绍103.4 液晶显示器113.5 单片机的基本连接电路123.6 时钟电路12第4章 系统软硬件设计144.1 系统硬件电路设计144.2 系统软件设计164.3软硬件调试17第5章 系统误差分析及改进185.1误差产生原因分析185.1.1 温度对超声波声速的影响185.1.2 回波检测对时间测量的影响195.1.3 超声传感器脉冲电压对测量范围和精度的影响195.2 系统改进方案19总 结21参考文献22谢 辞23附 录：程序清单24超声波测距系统的设计与应用第1章 引言1.1 课题研究的背景、概况 高速，高效是现代工业的标志，而这是建立在有着高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用才可能发现。多年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力使得无损检测技术得到长远发展。人类首次有效产生高频声波并对其研究始于1876年，随着科技的发展，超声波技术因其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。利用超声波进行定位的技术源于对蝙蝠利用超声波定位的生存手段，超声波借助空气媒介传播被障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波强弱判断障碍物位置的方法。超声波速度相对于光速小很多，因而传播时间更易于检测，并且易于定位发射，方向性好，重量易于控制，所以人类采用仿真技能利用超声波测距。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，不受光照、电磁场、色彩等因素的影响，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、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。1.2 超声波测距仪的现状与发展趋势随着科学技术的蓬勃发展，超声波在测距仪中的应用也将越来越广泛。超声波测距被应用于倒车雷达、建筑工地和机器人导航避障等场合。在医学领域，在胎儿检查仪，超声波洁牙器，血流测量计，诊断显像技术等医疗器械都利用了超声波的特性。在军事领域中，超声波用于武器制导，雷达目标定位等方面，它不仅在这众多领域有广泛的作用，可以保证产品的质量、安全保障，还可以起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。在我国，超声波检测技术属重点发展和推广的新技术，凭借着其具有无损、高精度、非接触等优点，在国内和国外都有学者对其做了大量相关研究，在超声波领域向着数字化方向进行发展，越来越多的数字式超声波检测仪器将得到广泛的生产和应用。但就目前的技术水平来说，超声波在测距技术方向的具体利用还较为有限，因此，对一个正在快速发展而且有着很好的前景的技术及产业领域，在未来，超声波测距仪作为一种新型的工具在各方面作用性都将有很大的发展空间，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。因此设计出好的超声波测距仪将是非常重要的。这就是我设计超声波测距仪的目的及意义。1.3毕业设计（论文）的主要任务和内容1、掌握超声测距的工作原理。2、超声测距模块与单片机的硬件接口电路。3、设计单片机上的软件，进行软硬件集成，研制基于单片机的超声测距实验样机，测试其功能。4、现场实验、演示；结果分析，讨论。第2章 超声波测距的设计思路2.1 超声波测距原理超声波是指振动频率超过20KHz以上的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉、衍射、散射。将超声波用作于检测的方法，须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上也称为超声波探头或超声波换能器。超声波传感器包括发送器和接收器，一个超声波传感器可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应原理将电能和超声波相互进行转化：在发射超声波的时候，将电能转换为发射的振动超声波；而在收到回波的时候，则将振动超声波信号转换成电信号。对测量进行距离的方法有很多种，短距可以用尺，长距离可以使用激光测距等，而因为超声波频率高，波长短，传播过程衰减缓慢，指向性强，在介质中传播的距离较远的特点，因而超声波可应用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计较为方便，计算处理也很简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用11.0952MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波发生器分为两类：一类是用机械方式产生超声波，一类是用电气方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可采用常用的压电式超声波换能器来实现。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeof flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，使用单片机对时间差进行计算 即可算出距离S： S=Ct/2 （2-1）其中：C为超声波传播速度，由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 m/s。t为发射超声波和接收超声波的时间差。可以看出主要部分有： (1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路）；(2) 使接收和发射隔离的开关部分；(3) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；(4) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；(5) 接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；(6) 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。2.2 系统整体方案论证超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间差来计算出传播距离。实际应用的测距方法通常有两种，一种是在被测距离的两端，由一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；另一种方式为反射波方式：由发射波被物体反射回来后接收，适用于测距仪，倒车雷达等。本次设计采用反射波方式。目前常用的超声波发生器可以分为两大类：一类是通过电气方式产生超声波，一类是通过机械方式产生超声波，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1、压电传感器；2、磁致伸缩传感器；3、静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。压电传感器是属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。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的，超声波发生器内部结构如图2.1所示，它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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。由于超声波在空气中传播时会有一定量的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比，而频率高的超声波分辨率也高，因此短距离测量时常选择使用频率高的传感器，而进行长距离的测量时常使用低频率的传感器。根据设计要求并综合各方面因素，本次设计采用STC89C52RC单片机作为控制器，用动态扫描法实现LCD数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器来驱动。2.3 单片机测距原理及实现单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离S=Ct/2，式子中的C为超声波声速1。限制单片机超声波测距系统的最大可测距离主要有4个因素：超声波的幅度大小、接收换能器的灵敏度以及反射、反射的质地、和入射声波之间的夹角。为增加所测量的覆盖范围，增加测量精度，可以采用多个超声波换能器分别作为超声波发射接收的设计方法。距离测量系统常用的频率范围为 25KHz300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。2.4 超声波传感器的基本原理超声波传感器的主要材料分为压电晶体（电致伸缩）和镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着换声换能器转入接收状态（类似于麦克风的作用），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断接收到的信号是否是所发出的超声波的回声。如果是，就测量超声波行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为距离。第3章 总体方案设计3.1超声波测距系统总体方案设计根据设计要求并综合各方面因素，在本课题中采用STC89C52RC单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LCD数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统原理框图如图3-1所示：图3-1 超声波测距原理框图由单片机STC89C52RC编程产生40kHz的方波，由P1.4口输出，然后经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波在经过障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理，最后送还至单片机。单片机通过发射脉冲到接收反射脉冲的时间差，由超声波在空气中的传播速度即可计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。该测距装置是由超声波传感器、单片机和LCD显示器组成。触发信号输入端与超声波测距模块TRIG端相连,回响信号输出端与超声波测距模块ECHO端相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图3-2所示。图3-2 时序图 以上时序图表明你只需要提供一个10us以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所检测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米 或 uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速(340M/S)/2；建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的测量。注：1、此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响到模块的正常工作。2、测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米并且要求平面尽量平整，否则会影响测量的结果，造成误差。3.2 系统主要参数考虑 超声波测距系统主要参数有超声波传感器的工作频率、超声波声速、脉冲宽度、传感器指向角等，下面将对其进行介绍并阐述。3.2.1超声波测距仪的工作频率空气中超声波的衰减系数为=as=Af2+Bf4。所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在 40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑：(1) 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。(2) 工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。(3) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz，定为 44KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。3.2.2 超声波声速由公式S=Ct/2可知，声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为V=331.40.60T(m/s) (3-1) 式中，T是温度5。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 m/s。3.2.3发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，HC-SR04循环发出8个40Khz脉冲。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。测量盲区为2cm。3.3 单片机系统及基本电路3.3.1 STC89C52RC单片机功能介绍51单片机中芯片STC89C52RC是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰一种单片机，其指令代码兼容传统的8051单片机采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，8kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时计数器TO和T1，4个8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(EEPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图3-3所示，实物图如图3-4所示。图3-3 89C52RC单片机引脚封装图 图3-4 89C52RC单片机实物图(1)STC89C52芯片共40引脚: 18脚: 通用I/O接口p1.0p1.79脚:RST复位键10 11脚:RXD串口输入 TXD串口输出1219:I/O p3接口 (12,13脚 INT0中断0 INT1中断11415 : 计数脉冲T0 T1 16,17: WR写控制 RD读控制输出端)1819: 晶振谐振器 20 地线2128 p2 接口 高8位地址总线 29: psen 片外rom选通端 单片机对片外rom操作时 29脚(psen)输出低电平30:ALE/PROG 地址锁存器31:EA/ROM取指令控制器 高电平片内取 低电平片外取3239:P0.7P0.0(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同 与引脚号的排列顺序相反)40:电源+5V4(2)其主要特性有：工作电压5.5V-3.3V用户程序应用空间：8K寿命：1000写擦循环数据保留时间：10年工作频率：0Hz一40MHz，外部晶振20MHz以下可省复位电路三级程序存储器锁定片上集成1280字节或512字节RAM32可编程IO线两个16位定时器计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路有EEPROM功能看门狗在空闲模式下，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式又软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或复位终止。应注意的是：在用硬件复位终止空闲模式时，AT89C2051通常从程序停止一直到内部复位获得控制之前的两个机器周期恢复程序执行。在这种情况下片内硬件禁止对内部RAM的读写，但允许对端口的访问，要消除硬件复位终止空闲模式对端口意外写入的可能，原则上进入空闲模式指令的下一条指令不应对端口引脚或外部存储器进行访问。在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容终止掉电模式前被冻结。退出模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并稳定工作5。3.3.2 HC-SR04超声波测距模块介绍HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：(1) 采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；(2) 模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(2) 有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S）/2；电气参数：电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40Hz最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10us的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成正比规格尺寸45*20*15mm图3-5 HC-SR04电气参数3.4 液晶显示器可以与微机相连接的显示种类有很多，从LED发光二极管数码显示器、LCD液晶显示到CRT显示器等。单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED（Light Emitting Diode）；液晶显示器，简称LCD（Liquid Crystal Display）。前者的价格低廉，配置灵活，与单片机接口方便，后者LCD可以显示图形、功耗低、体积小，但成本相对较高。本设计采用LCD显示，显示器型号为LCD1602，是使用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等。LCD1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生残影，使用时可以通过1个10K电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以显示地址或写入指令，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令第714脚：D0D7为8位双向数据线第1516脚：空脚1602液晶模块内部的字符发生器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，其中包含：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、日文假名等，每个字符有着一个固定的代码。HC6800单片机实验箱有1602/12864插座，可以方便的使用LCD1602液晶显示器。3.5 单片机的基本连接电路单片机在正常工作时，单片机的最小系统由一个时钟电路以及一个复位电路来构成。时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号，它有两种时钟方式：外部时钟和内部时钟。外部时钟始终是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片单片机同时工作，这样方便同步。在本设计中只有一片单片机，因而采用内部时钟方式。STC89C52RC内部有一个可控制的负反馈反向大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。负反馈反向放大器与反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器构成一个自激振荡器。外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。外接电容值的大小会影响振荡器频率的高低，震荡器的稳定性、快速性和温度稳定性。设计中使用12MHz晶振。单片机的初始化操作是复位，将RST引脚出至少保持两个机器周期的高电平就可以实现复位。在RST端出现高电平后的第二个周期，执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至RST端变低。单片机的复位电路有两种：上电复位和手动复位。本设计采用手动复位方式。当按下复位按钮时，电容迅速放电，使RST端迅速变为高电平，复位按钮松开后，电容通过电阻充电，逐渐使RST端恢复低电平。3.6 时钟电路时钟电路的作用是用来产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个同步时序电路，为了能实现同步工作方式，必须使电路在惟一的时钟信号控制下严格按时序进行工作 。该时钟电路由两个电容C1，C2和一个晶体振荡器组成。XTAL1是接外部晶体管的一个引脚，在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。图3-6晶振电路电路中的C1和C2一般取30PF左右，晶体振荡器的频率范围通常是1.212MHz，设计中电路中采用12MHz，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。使用高精度晶振，可以获得较为稳定的时钟频率，减少超声波测距的测量误差。第4章 系统软硬件设计4.1 系统硬件电路设计设计中采用STC89C52RC单片机，经济且易用性强，片内含8K的ROM，易于编程，整个电路设计是通过单片机对超声波模块对超声波的发射和接收间的时间差，通过计算得出距离。原理图如下图所示：图4-1 单片机最小系统图4-2 单片机电源电路图4-3 超声波模块图4-4 LCD液晶显示模块4.2 系统软件设计超声波测距仪的软件主要由主程序、控制超声波接收和发射程序和LCD显示子程序组成。程序使用C语言进行编程。下图为主程序流程图：N液晶显示超出范围Y图4-5 主程序流程图结束显示距离计算距离值关定时器定时中断 低电平 计数计数计数高电平发射超声波初始化定时器模块，液晶模块，超声波模块开定时器YN开始流程图中包含系统软件所需的主要4个功能：1、信号控制，2、数据存储，3、信号处理，4、数据传输与显示。4.3软硬件调试在硬件电路制作完成并调试好LCD显示屏后，便可以把编译好的程序下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.031.m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。第5章 系统误差分析及改进前面几章介绍了超声波测距系统的设计，本章大致介绍超声波测距系统误差产生原因。超声波测距因为在使用过程中不会受到光照强度、电磁场、色彩等方面因素的影响，并且有着结构简单成本低廉的优点，在汽车倒车雷达、机器人避障、井深液位测量等方面有着广泛的应用。从原理上，超声波测距分为三种：即超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法最为常用。在测量过程中，由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波难以精确进行捕捉，使得超声波在空气中发射到接收的传播时间很难精确测量。这些因素使得超声波测距的精度和测量范围受到影响。5.1误差产生原因分析5.1.1 温度对超声波声速的影响超声波是由机械振动产生的纵波，超声波在空气传播过程中通过气体的反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现传播过程。因此，气体的密度、温度及气体分子成分将会影响超声波的传播速度。即： （5-3）其中，B为气体的弹性模量，r为气体的密度。气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得：B=gr ，其中g为定压热容与定容热容的比值，空气为1.40，P为气体的压强。气体的压强为： （5-2）其中，R为普适常量 8.314kg/mol，T为气体温度K(绝对温度)，M为气体分子量，空气为28.810-3 kg/mol。所以 （5-3）由公式5-3可知，超声波在空气中的传播速度受到空气温度影响较大。例如：-20时,T253.15，CS=319.9 m/s； 20 时，T=293.15， CS=344.2 m/s；40时，T=313.15，CS=355.8 m/s；从上面的数据可以看出，温度对超声波声速有明显的影响，当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。5.1.2 回波检测对时间测量的影响超声波在由超声传感器发出后，在空气中进行传播，遇到被测物反射，后传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律。设在距离超声接收器x 处有被测物，则空气中传播的超声波波动方程描述为：A=A(x) cos(ax+kt) （5-4）其中，A为超声传感器接收振幅；A0 为超声传感器初始振幅；为衰减系数；x 为超声波传播距离；w角频率；k 为波数。衰减系数=bf。其中b为空气介质常数，f为超声波频率。由此可见，超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数(万倍级)和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。5.1.3 超声传感器脉冲电压对测量范围和精度的影响制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声测距常用压电材料传感器，例如TR40 压电超声传感器。超声传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E 的关系为： S=d*E （5-5）其中d 为应变电场常数。超声传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。5.2 系统改进方案在实际应用中，为了方便处理，超声波常调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。测距系统一般由超声波发送、接收、时间计测、微机控制和温度测量五个部分组成。如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施下：(1)合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期据经验，超声测距的工作频率选择f=40kHz 较为合适：发射脉宽一般应大于填充波周期的10倍以上即：T0.25s，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度赶快，脉冲发射周期可选短些。(2) 在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用(AGC)电路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。(3)提高计时精度，减少时间量化误差如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率为6MHz时，计数频率为0.5MHz此时在空气中的测距时间量化误差为0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率，时间量化误差更小。(4)补偿温度对传播声速的影响超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。有文献表明，按下式计算声速可以达到较高的精度：在空气中，m/s；在海水中，C=1450+4.21t-0.037tt+1,14(S-35)+0.175P m/s式中：t摄氏温度；S水盐度，按千分比计算；P海水静压力，单位为大气压。声速可以用声速仪测量，以验证理论计算的准确性。(5) 补偿系统电路的时间延迟系统电路的时间延迟可通过实验测定，通过测试两个已知标准距离S1、S2所得到的时间t1、t2，可求出系统电路的延迟，(s1t2-s2t1)/(s2-s1) (5-6)总 结本次设计为超声波测距提供了理论和实践的基础。设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送接收，使用单片机记录时间差，并计算出测量物体间的距离，并在显示屏中显示出来。超声波测距的原理是利用超声波发射到被测物体后会反射回波，通过接收回波，根据发射和接收的时间差即超声波传播时间计算出传播距离。在这次试验中使用HC-SR04超色波测距模块采用反射波方式，即发射波被物体反射回来后接收的发射波。超声波测距系统硬件电路的设计主要包括了超声波发射电路，超声波检测电路和单片机LCD显示电路。单片机采用STC89C52RC，使用12Mhz高精度的晶振，从而获得较为稳定的时钟频率，以减小测量误差。超声波模块使用HC-SR04，利用单片机对其控制超声波的发射与接收。显示电路使用LCD1602液晶显示屏对测量结果显示。在元器件选择方面，因为由于采用的电路使用了较多的集成电路，设计起来不会太难，稍加调试应该可以正常工作。通过这次毕业设计，我学到了很多东西。在进行课程设计时，应该做到以下三点：第一，通过查阅资料对老师给的题目进行了解和研究；第二，在老师讲解的基础上认真研究硬件电路的设计和软件流程的设计；第三，重点实现软硬结合的综合调试。 这次设计时间一共进行了三个月左右，在这几个月的时间里我进行了硬件电路图设计，以及软件的编程实现，软硬件的综合调试，最终将一个完整的设计成果做出来了，很高兴它能按着设计的思路和要求运行起来。 当然，这其中还包含着许多问题。但就实现功能来说，设计结果能够符合题意，成功完成了此次设计的要求。对于这次设计，在乎的不但是这一结果，更加在乎的，是这个过程。这个过程中，花费了很多的时间和精力，掌握了很多学过但没有掌握好的知识。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是理论课程。在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论基础，如何通过知识转化为实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我想这次毕业设计就为提供了良好的实践平台。总体上说，这次实习中收获和感触很多。参考文献1 姜道连,宁延一,袁世良.用AT89C2051 设计超声波测距仪.电路与设计，2000,12: 31-34.2 王振江，苏新彦，韩跃平.基于AT89C5