基于单片机的超声波测距设计.doc

基于单片机的超声波测距设计基于单片机的超声波测距设计 目目 录录 设计总说明 I INTRODUCTION II 第 1 章 绪论 1 1 1 概述 1 1 2 国内外发展现状 1 第 2 章 系统总体方案设计 1 2 1 设计要求 1 2 2 方案选择 2 2 2 1 单片机的选择 2 第 3 章 系统硬件设计 2 3 1 整体方案设计 2 3 1 1 系统概述 2 3 1 2 系统框图 2 3 2 最小系统模块 3 3 2 1 STC89C52 简介 3 3 2 2 最小系统电路 5 3 3 HC SR04 模块 6 3 3 1 HC SR04 简介 6 3 3 2 超声波的特性 7 3 3 3 超声波换能器 8 超声波传感器原理 9 测距分析 13 3 4 显示电路 14 3 4 1 数码管简介 14 数码管概述 15 3 4 2 数码管显示模块电路 15 3 4 3 按键模块电路 16 3 4 4 报警模块电路 17 第 4 章 软件设计 18 4 1 程序语言及开发环境 18 4 2 程序流程图设计 19 4 2 1 超声波模块程序流程图设计 19 第 5 章 硬件组装与调试 20 5 1 元器件的选择与测量 20 5 2 元件的焊接与组装 21 5 3 电路的调试 21 5 3 1 调试方法 21 5 3 2 调试步骤 22 第 6 章 总结 23 鸣 谢 24 参考文献 25 1 设计总说明设计总说明 利用超声波进行测距有许多优点比如不受光强度 色彩和电磁场等外界因素的影 响 而且超声波传感器的价位较低 结构也较为简单 超声波以声速传播 方便收发 与计算 在汽车倒车雷达 移动机器人的避障 特别是测量距离等许多方面都已有了 非常普遍的应用 本次毕业设计的超声波测距仪是在 STC89C51 单片机的基础上设计的 在分析和 了解了超声波的一些优点和特性后 又查看了利用超声波测距的基本原理 最后决定 使用 51 单片机系统和超声波传感器共同组成 设计的超声波测距仪的硬件部分主要包 括电源及复位模块 单片机与超声波模块组成的超声波发射模块 超声波接收模块 LED 数码显示模块和扩展报警模块 软件部分主要包括单片机主程序 根据超声波发 射与接收计算距离程序 LED 距离显示程序 按键控制程序和蜂鸣器报警程序 这样 安排使得系统具有模块化的特点 系统容易进行控制 具有可靠地的性能 具有较高 的测量精度 最重要的是能对距离进行实时测量 关键词 单片机 超声波传感器 数码管 报警 2 INTRODUCTION The distance has many advantages such as not affected by light intensity color and electromagnetic field of external factors such as the use of ultrasound and the ultrasonic sensor price is low the structure is simple ultrasonic wave at the speed of sound transmission convenient receiving and calculation In the car reversing radar mobile robot obstacle avoidance especially the measurement of distance and many other aspects have been very widely used The graduation design of ultrasonic distance measuring instrument is based on the STC89C51 microcontroller design in the analysis and understanding of some of the advantages and characteristics of ultrasound and then view the basic principles of ultrasonic distance measurement Finally decided to use the 51 single chip microcomputer system and ultrasonic sensors to form a common The hardware design of ultrasonic rangefinder consists of ultrasonic power and reset module microcontroller module and ultrasonic transmitting module ultrasonic receiving module LED digital display module and alarm module extension The software includes the main microcontroller according to ultrasonic transmitting and receiving distance LED distance calculation program display program key control procedures and buzzer alarm procedures the characteristics of this arrangement makes the system has a modular The system is easy to control with reliable performance with high measurement accuracy the most important is to be able to real time measurement of distance KEYWORDS Single chip microcomputer ultrasonic sensor digital tube alarm 3 4 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 概述概述 超声波测距法是通过超声波测量从已知位置到被测物体表面的距离的利用超声波 的方法 超声波也是一种机械波 是一种频率在 20kHz 以上的声波 超声波测距是人 们根据蝙蝠通过超声波反射进行捕食的方法发现的 也是仿生学中非常出名的例子 对生产领域产生了很大的影响 跟着电子测量技术的不断飞速发展 已经可以利用超声波实现精准测量了 测量 技术在经济的不断发展下得到了越来越广的应用 因此超声波凭借着性能稳定 成本 低廉 精度高等优点得到了重视 机器人技术在出现后发展迅猛 机器人的用途也不在局限在工业生产而是进入了 人们的日常生活 普遍的应用对于增加群众对机器人技术的认识变得非常重要 机器 人能够通过特有的感知系统感知并确定前面障碍物的位置和周围的环境以完成躲避障 碍物 自动寻路 测距等功能 超声波测距具有其他的测距技术没有的特点 比如测 量精度高 成本低廉 对环境的要求低 使用简便等 将红外 灰度等传感器和超声 波结合在一起将可以共同作用使机器人实现自动寻路和绕开障碍等功能 超声波由于 传播方向较稳定 并且在介质里传播时能量削减缓慢 能够发送很远的距离 所以在 测量距离的时候经常用到 超声波最普遍的应用是在汽车倒车雷达 物位测量仪 测 距仪 研发移动机器人以及一些特殊工业现场等场合 以后超声波传感器很可能将会 智能化 自动化 实现更加方便高效的测距仪器 1 2 国内外发展现状国内外发展现状 超声波测距技术是一种非常有前景的的技术 近距离的超声测距不会被光线影 响 并且结构比较简单 成本经济实惠 超声波测量最重要的优点是 环境介质很普 遍 空气 液体和固体都能使用 因此适合使用的范围非常大 更重要的是使用超声 波检测能很大程度的降低劳动强度 可以避免工作人员在恶劣工作环境中可能受到的 伤害 还能够提高距离结果的准确度 另外 超声波测距仪也可以作用到别的功能系 统中 如在机器人的避障系统 车内置防撞系统 自动停车系统和倒车雷达 因此超 声波测距仪对电子测量技术发展是非常重要的 第第 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 1 设计要求设计要求 1 可进行距离测量 2 采用数码管显示距离数据 3 可按键设置距离门限值 4 具有报警功能 5 2 2 方案选择方案选择 2 2 1 单片机的选择单片机的选择 方案一 采用 DSP 作为系统控制器 DSP digital signal processor 是一种独特的 微处理器 是以数字信号来处理大量信息的器件 DSP 具有对元件值的容限不敏感 受温度 环境等外部因素影响小 容易实现集成 可分时复用 共享处理器 方便调 整处理器的系数实现自适应 可用于频率非常低的信号等优点 但 DSP 硬件电路比较 复杂 且价格昂贵 数字系统由耗电的有源器件构成 没有无源设备可靠 方案二 采用单片机作为系统控制器 单片机具有可靠性强 性价比搞 电压低 功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广 单片机算术运算功能强 软件编程灵活 自由度大 可用软件编程实现各种逻辑功能 本身带有定时器 计数器 可以用来定 时和计数 并且其功耗低 体积小 计数成熟和成本低等优点 基于以上分析 拟定方案二 用 STC89C52 单片机作为控制器 第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3 1 整体方案设计整体方案设计 3 1 1 系统概述系统概述 整个系统以 STC89C51 单片机为核心器件 配合电阻电容晶振等器件 构成单片机 的最小系统 其它个模块围绕着单片机最小系统展开 其中包括 测距传感器采用 HC SR04 模块 显示设备为共阴数码管 电源供电则采用 USB 5V 供电 报警部分采用蜂鸣 器 同时还包括按键部分 用来设置距离门限值 3 1 2 系统框图系统框图 3 1 系统框图 单片机 最小系统 HC SR04数码管显示 电源部分 报警部分 按键部分 6 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 RESET 9 P30 RXD 10 P31 TXD 11 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T0 14 P35 T1 15 P36 WR 16 P37 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P00 39 VCC 40 3 2 最小系统模块最小系统模块 3 2 1 STC89C52 简介简介 1 概述 STC89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可反复 擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件 采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 功能强大的 STC89C52 单片机可为 您提供许多较复杂系统控制应用场合 STC89C52 有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个 外中断口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 2 个读写口线 STC89C52 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 2 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统 8k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源 共 8 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 3 8051 单片机的引脚功能 MCS 51 系列单片机一般采用 40 个引脚 双列直插式封装 用 HMOS 工艺制造 其外部引脚排列如图 3 2 所示 其中 各引脚的功能为 7 图 3 2 STC89C52 引脚图 主电源引脚 VCC 40 脚 接 5V 电源正端 GND 20 脚 接 5V 电源地端 外接晶体或外部振荡器引脚 XTAL1 19 脚 接外部晶振的一个引脚 在单片机内部 它是一个反相放大 器 的输入端 当采用外部振荡器时 此引脚应接地 XTAL2 18 脚 接外部晶振的另一个引脚 在片内接至反相放大器的输出端 和 内部时钟电路的输入端 当采用外部振荡器时 此脚接外部振荡器的输出端 控制信号线 RESET 9 脚 复位信号输入端 复位 掉电时内部 RAM 的备用电源输入端 ALE 30 脚 地址锁存允许 编程脉冲输入 用 ALE 锁存从 P0 口输出的低 8 位地址 在对片内 EPROM 编程时 编程脉冲由此输入 PSEN 29 脚 外部程序存储器读选通信号 低电平有效 EA 31 脚 访问外部存储器允许 编程电压输入 EA 为高电平时 访问内部 存 储器 低电平时 访问外部存储器 多功能 I O 口引脚 8051 单片机设有 4 个双向 I O 口 P0 P1 P2 P3 每一组 I O 口线都 可以独立地用作输入或输出口 其中 P0 口 32 39 脚 双向口 三态 可作为输入 输出口 可驱动 8 个 LSTTL 门电路 实际应用中常作为分时使用的地址 数据总线口 对外部程 序或数据存储器寻址时低 8 位地址与数据总线分时使用 P0 口 先送低 8 位地 址信号到 P0 口 由地址锁存信号 ALE 的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器 后 再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出 P1 口 1 8 脚 准双向口 三态 可驱动 4 个 LSTTL 门电路 用作 输入线时 口锁存器必须由单片机先写入 1 每一位都可编程为输入或输 出线 P2 口 21 28 准双向口 三态 可驱动 4 个 LSTTL 门电路 可作 为输入 输出口 实际应用中一般作为地址总线的高 8 位 与 P0 口一起组成 16 位地址总线 用于对外部存储器的接口电路进行寻址 P3 口 10 17 脚 准双向口 三态 可驱动 4 个 LSTTL 门电路 双 功能口 作为第一功能使用时 与 P1 口一样 作为第二功能使用时 每一 位都有特定用途 其特殊用途如表 3 1 所示 表 3 1 P3 口第二用途 8 3 2 2 最小系统电路最小系统电路 STC89C52 的最小系统如图 3 3 所示 整个最小系统由三个部分组成 晶振电路部 分 复位电路部分 电源电路等三个部分组成 晶振电路包括 2 个 30pF 的电容 C2 和 C3 以及 12M 的晶振 X1 电容的作用在这里 是起振作用 帮助晶振更容易的起振 取值范围是 15 33pF 晶振的取值也可以是 24M 晶振的取值越高 单片机的执行速度越快 在进行电路设计的时候 晶振部分越 靠近单片机越好 单片机复位电路就好比电脑的重启部分 当电脑在使用中出现死机 按下重启按 钮电脑内部的程序从头开始执行 单片机也一样 当单片机系统在运行中 受到环境 干扰出现程序跑飞的时候 按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行 复位电路由 10uF 的极性电容 C1 和 10K 的电阻 R4 构成 利用电容电压不能突变的 性质 可以知道 当系统一上电 RESET 脚将会出现高电平 并且这个高电平持续的时间 由电路的 RC 值来决定 典型的 51 单片机当 RESET 脚的高电平持续两个机器周期以上 就将复位 所以适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位 在电路图中 电容的的大小是 10uF 电阻的大小是 10k 所以根据公式 可以算 出电容充电到电源电压的 0 7 倍 单片机的电源是 5V 所以充电到 0 7 倍即为 3 5V 需要的时间是 10K 10UF 0 1S 也就是说在电脑启动的 0 1S 内 电容两端的电压时在 0 3 5V 增加 这个时候 RESET 引脚所接收到的电压是 5V 1 5V 在 5V 正常工作的 51 单片机中小于 1 5V 的电压信号为低电平信号 而大于 1 5V 的电压信号为高电平信号 所以在开机 0 1S 内 单片机系统自动复位 RESET 引脚接收到的高电平信号时间为 0 1S 左右 最后一个是电源部分 采用 5V 的 USB 直接供电 可采用手机充电器 电脑 USB 口 移动电源等设备进行供电 此外 除了单片机最小系统的 3 个部分之外 这里还多了一些外部电路 端口引脚第二功能注 释 P3 0RXD 串行口数据接收端 P3 1TXD 串行口数据发送端 P3 2 INT0 外中断请求 0 P3 3 INT1 外中断请求 1 P3 4T0 定时 计数器 0 外部计数信号输入 P3 5T1 定时 计数器 1 外部计数信号输入 P3 6 WR 外部 RAM 写选通信号输出 P3 7 RD 外部 RAM 读选通信号输出 9 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 RESET 9 P30 RXD 10 P31 TXD 11 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T0 14 P35 T1 15 P36 WR 16 P37 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P00 39 VCC 40 U2 STC89C52 12 X1 12M C2 30pF C3 30pF GND GND VCC VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R8 103 C1 10uF R5 10K GND VCC D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RS RW EN DHT BEEP KEY2 KEY3 LED1 LED2 LED3 LED4 KEY1 由于 STC89C52 的 P0 口是漏极开路输出 因此在 P0 口接了一个 10K 的排阻 R1 使 得 P0 口可以作为普通的 I O 口使用 本设计用 P0 口来做液晶的数据口 特别注意的是 对于 31 脚 EA 当接高电平时 单片机在复位后从内部 ROM 的 0000H 开始执行 当接低电平时 复位后直接从外部 ROM 的 0000H 开始执行 由于我们 的程序存储在了单片机内部 所以 EA 要接高电平 保证单片机是从内部读取程序去执 行的 图 3 3 单片机最小系统 3 3 HC SR04HC SR04模块模块 3 3 1 HC SR04HC SR04简介简介 超声波模块采用现成的 超声波模块 该模块可提供 2cm 400cm 的非接 触式距离感测功能 测距精度可达高到 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 采用 IO 口 TRIG 触发测距 给至少 10us 的高电平信号 模块 自动发送 8 个 40khz 的方波 自动检测是否有信号返回 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 实物如下图 4 其中 VCC 供 5V 电源 GND 为地线 TRIG 触发控制信号输入 ECHO 回响信号输出等四支线 图 4 超声波模块实物图 10 超声波探测模块 HC SR04 的使用方法如下 IO 口触发 给 Trig 口至少 10us 的高 电平 启动测量 模块自动发送 8 个 40Khz 的方波 自动检测是否有信号返回 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 340 2 单位为 m 程序中测试功能主要由两个 函数完成 实现中采用定时器 0 进行定时测量 8 分频 TCNTT0 预设值 0XCE 当 timer0 溢出 中断发生 2500 次时为 125ms 计算公式为 单位 ms T 定时器 0 溢出次数 0XFF 0XCE 1000 其中定时器 0 初值计算依据分频不同而有差异 3 3 2 超声波的特性 声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象 当声的频率高到超过人耳听觉的频 率极限 根据大量实验数据统计 取整数为 20000 赫兹 时 人们就会觉察不出周围声 的存在 因而称这种高频率的声为 超 声 人的听觉范围如图 5 所示 图 5 人的听觉范围 超声波的特性有 1 束射特性 由于超声波的波长短 超声波射线可以和光线一样 能够反射 折射 也能聚焦 而且遵守几何光学上的所有定律 即超声波射线从一种物质表面反射时 入射角等于 反射角 当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象 也就 11 是要改变它的传播方向 两种物质的密度差别愈大 则折射率也愈大 2 吸收特性 声波在各种介质中传播时 随着传播距离的增加 其强度会逐渐减弱 这是因为 介质要吸收掉它的部分能量 对于同一介质 声波的频率越高 介质吸收就越强 对 于一个频率一定的声波 在气体中传播时吸收尤为历害 在液体中传播时吸收就比较 弱 在固体中传播时吸收是最小的 3 超声波的能量传递特性 超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用 主要原因还在于比声波具有 强大得多的功率 为什么有这么强大的功率呢 因为当声波进入某一介质中时 由于声 波的作用使物质中的分子也随之振动 振动的频率和声波频率 样 分子振动的频率 决定了分子振动的速度 频率愈高速度愈大 物资分子由于振动所获得的能量除了与 分子本身的质量有关外 主要是由分子的振动速度的平方决定的 所以如果声波的频率 愈高 也就是物质分子愈能得到更高的能量 超声波的频率比普通声波要高出很多 所以它可以使物质分子获得很大的能量 换句话来说 超声波本身就可以供给物质分 子足够大的功率 4 超声波的声压特性 当声波进入某物体时 由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用 将使物质所受的压力产生变化 由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用 3 3 3 超声波换能器 完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器 习惯上称为超 声换能器 或者超声波探头 超声波探头主要由压电晶片组成 既可以发射超声波 也可以接收超声波 小功率超声探头多用作探测方面 它有许多不同的结构 可分直 探头 纵波 斜探头 横波 表面波探头 表面波 兰姆波探头 兰姆波 双探头 一个探头反射 一个探头接收 等 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片 构成晶片的材料 可以有许多种 由于晶片的大小 如直径和厚度也各不相同 因此每个探头的性能都 是不同的 我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数 超声波传感器的主要性能指标包括 1 工作频率 工作频率就是压电晶片的共振频率 当加到它两端的交流电压的 频率和晶片的共振频率相等时 输出的能量最大 灵敏度也最高 2 工作温度 由于压电材料的居里点一般比较高 特别时诊断用超声波探头使 用功率较小 所以工作温度比较低 可以长时间地工作而不失效 医疗用的超声探头 的温度比较高 需要单独的制冷设备 3 灵敏度 主要取决于制造晶片本身 机电耦合系数大 灵敏度高 12 人类能听到的声音频率范围为 20Hz 20kHz 即为可听声波 超出此频率范围的 声音 即 20Hz 以下频率的声音称为低频声波 20kHz 以上频率的声音称为超声波 超 声波为直线传播方式 频率越高 绕射能力越弱 但反射能力越强 为此 利用超声 波的这种性能就可制成超声波传感器 另外 超声波在空气中的传播速度较慢 为 340m s 这就使得超声波传感器使用变得非常简便 我们选用压电式超声波传感器 它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷 是利用压电材料的压电效应来进行工作的 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动 从而产生超声波 可作为发射探头 而利用正压电效应 将超声振动波转换成电信号 可作为接收探头 为了研究和利用超声波 人们已经设计和制成了许多种超声波发生器 总体上讲 超声波发生器大体可以分为两大类 一类是用电气方式产生超声波 一类是用机械方 式产生超声波 电气方式包括压电型 磁致伸缩型和电动型等 机械方式有加尔统笛 液哨和气流旋笛等 它们所产生的超声波的频率 功率和声波特性各不相同 因而用 途也各不相同 目前较为常用的是压电式超声波发生器 图 6 超声波传感器结构 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 将机械能转换为电信号 这时它就成为超声波接收器了 如图6所示 超声波传感器原理 市面上常见的超声波传感器多为开放型 其内部结构如图7所示 一个复合式振动 器被灵活地固定在底座上 该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶 瓷片组成的双压电晶片元件振动器 谐振器呈喇叭形 目的是能有效地辐射由于振动 而产生的超声波 并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位 13 当电压作用于压电陶瓷时 就会随电压和频率的变化产生机械变形 另一方面 当振动压电陶瓷时 则会产生一个电荷 利用这一原理 当给由两片压电陶瓷或一片 压电陶瓷和一个金属片构成的振动器 所谓叫双压电晶片元件 施加一个电信号时 就会因弯曲振动发射出超声波 相反 当向双压电晶片元件施加超声振动时 就会产 生一个电信号 基于以上作用 便可以将压电陶瓷用作超声波传感器 图 7 超声波内部结构 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡 其频率超过 20KHz 分横向振荡和纵向振 荡两种 超声波可以在气体 液体及固体中传播 其传播速度不同 它有折射和反射 现象 且在传播过程中有衰减 超声波的基本特性如下所述 1 波长 波的传播速度是用频率乘以波长来表示 电磁波的传播速度是3 108m s 而声波 在空气中的传播速度很慢 约为344m s 20 时 在这种比较低的传播速度下 波长 很短 这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率 正是由于这种较高的分辨率特 性 才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度 2 反射 要探测某个物体是否存在 超声波就能够在该物体上得到反射 由于金属 木材 混凝土 玻璃 橡胶和纸等可以反射近乎100 的超声波 因此我们可以很容易地发现 这些物体 由于布 棉花 绒毛等可以吸收超声波 因此很难利用超声波探测到它们 同时 由于不规则反射 通常可能很难探测到凹凸表面以及斜坡表面的物体 这些因 素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所 并且测试物体必须反射超声波 3 温度效应 声波传播的速度 c 可以用下列公式表示 c 331 5 0 607t m s 式中 t 温 度 也就是说 声音传播速度随周围温度的变化而有所不同 因此 要精确的测量 14 与某个物体之间的距离时 始终检查周围温度是十分必要的 尤其冬季室内外温差较 大 对超声波测距的精度影响很大 此时可用18B20作温度补偿来减小温度变化所带来 的测量误差 考虑到本设计的测试环境是在室内 而且超声波主要是用于测距功能 对测量精度要求不高 所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨 4 衰减 传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱 这是因为衍射现象所导 致的在球形表面上的扩散损失 也是因为介质吸收能量产生的吸收损失 如图8所示 超声波的频率越高 衰减率就越高 超声波的传播距离也就越短 由此可见超声波的 衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离 图 8 声压在不同距离下的衰减特性 5 声压特性 声压级 S P L 是表示音量的单位 利用下列公式予以表示 S P L 20logP Pre dB 式中 P 为有效声压 bar Pre 为参考声压 2 10 4 bar 如图6所示为几种常用超声波传感器的声压图 15 图9 超声波传感器的声压图 6 灵敏度特性 灵敏度是表示声音接收级的单位 使用下列公式予以表示 灵敏度 20log E P dB 式中 E 为所产生的电压 Vrms P 为输入声压 bar 超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围 如图7所示为几种中常见 超声波传感器的灵敏度图 从图中可以发现40KHz时传感器的声压级最高 也就是说 40KHz时所对应的灵敏度最高 图10 超声波传感器灵敏度示意图 7 辐射特性 把超声波传感器安装在台面上 然后 测量角度与声压 灵敏度 之间的关系 为了准确地表达辐射 与前部相对比 声压 灵敏度 级衰减6dB的角度被称为半衰减 角度 用 1 2表示 超声波设备的外表面尺寸较小易于获得精确的辐射角度 如图11 所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图 16 图 11 超声波传感器辐射特性示意图 分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在 40KHz 范围内具有最大的声压级 和最高的灵敏度 测距分析 超声波发射器向某一方向发射超声波 在发射时刻的同时开始计时 超声波在 空气中传播 途中碰到障碍物就立即返回来 超声波接收器收到反射波就立即停止 计时 超声波在空气中的传播速度为340m s 根据计时器记录的时间 t 就可以 计算出发射点距障碍物的距离 s 即 s 340t 2 最常用的超声测距的方法是回声探测法 超声波发射器向某一方向发射超声波 在发射时刻的同时计数器开始计时 超声波在空气中传播 途中碰到障碍物面阻挡就 立即反射回来 超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时 超声波在空气中 的传播速度为 340m s 根据计时器记录的时间t 就可以计算出发射点距障碍物面的 距离 s 即 s 340t 2 由于超声波也是一种声波 其声速 V 与温度有关 在使用时 如果传播介质温度 变化不大 则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的 如果对测距精度 要求很高 则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正 声速确定后 只要测得超声波往返的时间 即可求得距离 这就是超声波测距仪的基本原理 如图 12 所示 tA 超声波发射 障碍物 S S 17 H H 超声波接收 图 12 超声波的测距原理 cosSH 3 1 H L arctg 3 2 式中 L 两探头之间中心距离的一半 又知道超声波传播的距离为 vtS 2 3 3 式中 v 超声波在介质中的传播速度 t 超声波从发射到接收所需要的时间 将 3 2 3 3 代入 3 1 中得 cos 2 1 H L arctgvtH 3 4 其中 超声波的传播速度 v 在一定的温度下是一个常数 例如在温度 T 30 度时 V 349m s 当需要测量的距离 H 远远大于 L 时 则 3 4 变为 vtH 2 1 3 5 所以 只要需要测量出超声波传播的时间 t 就可以得出测量的距离 H 3 4 显示电路显示电路 3 4 1 数码管简介数码管简介 数码管是一种半导体发光器件 其基本单元是发光二极管 数码管按段数分为七 段数码管和八段数码管 八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元 多一个小 数点显示 按能显示多少个 8 可分为 1 位 2 位 4 位等等数码管 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管 共阳数码管 18 是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 COM 的数码管 共阳数码管在应 用时应将公共极 COM 接到 5V 当某一字段发光二极管的阴极为低电平时 相应字段就 点亮 当某一字段的阴极为高电平时 相应字段就不亮 共阴数码管是指将所有发光 二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上 当某一字段发光二极管的阳极为高电平时 相应字段就点亮 当 某一字段的阳极为低电平时 相应字段就不亮 数码管概述 e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 S4 6 b 7 S3 8 S2 9 f 10 a 11 S1 12 LE D A F B E D dp C G S4 S3 S2 S1 图 5 数码管 数码显示器是一种由 LED 发光二极管组合显示字符的显示器件 它使用了 8 个 Led 发光二极管 其中七个用于显示字符 一个显示小数点 所以通称为七段发光二极 管数码显示器 4 位一体数码管 其内部段已连接好 引脚如图所示 数码管的正面朝 自己 小数点在下方 a b c d e f g dp 为段引脚 S1 S2 S3 S4 分别 表示四个数码管的位 3 4 2 数码管显示模块电路数码管显示模块电路 本模块的电路的连接图如图 3 所示 R8 为 1k 上拉电阻 为共阴数码提供电流 A G DP 连接的是单片机的 P0 口 S1 S4 为位选 连接单片机的 P2 口 19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R8103 e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 S4 6 b 7 S3 8 S2 9 f 10 a 11 S1 12 U1 4 LED A F B E D dp C G S1 S2 S3 S4 A F B E D dp C G 显显示示模模块块 图 模块连接图 3 4 3 按键模块电路按键模块电路 20 P20 K1 K2 K3 GND 按按键键模模块块 P21 P22 通过 K1 K2 K3 键来设置报警距离的门限值 3 4 4 报警模块电路报警模块电路 P11 GND VCC BEEP1 报报警警模模块块 Q1 9012 采用 9012PNP 三极管来驱动报警电路 当三极管的基极为低电平时 三极管导通 电流流过蜂 鸣器 这样来实现报警 21 第第 4 章章 软件设计软件设计 4 1 程序语言及开发环境程序语言及开发环境 C 语言是一种计算机程序设计语言 它既具有高级语言的特点 又具有汇编语言 的特点 它由美国贝尔实验室的 Dennis M Ritchie 于 1972 年推出 1978 年后 C 语言 已先后被移植到大 中 小及微型机上 它可以作为工作系统设计语言 编写系统应 用程序 也可以作为应用程序设计语言 编写不依赖计算机硬件的应用程序 它的应 用范围广泛 具备很强的数据处理能力 不仅仅是在软件开发上 而且各类科研都需 要用到 C 语言 适于编写系统软件 三维 二维图形和动画 具体应用例如单片机以 及嵌入式系统开发 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易 学易用 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真 调试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起 运行 Keil 软件需要 WIN98 NT WIN2000 WINXP 等操作系统 如果你使用 C 语言编程 那么 Keil 几乎就是你的不二之选 即使不使用 C 语言而仅用汇编语言编程 其方便易 用的集成环境 强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍 22 4 2 程序流程图设计程序流程图设计 4 2 1 超声波模块程序流程图设计超声波模块程序流程图设计 图 4 1 超声波模块程序流程图 23 4 2 2 主程序流程图设计主程序流程图设计 系统初始化 报警结束 测得距离与设 定值比较 小 于 距离比较 报 警是否持续 开始 启动报警电路开始报警 再次检测等待下 次报警 结束 Y N N Y Y N 第第 5 章章 硬件组装与调试硬件组装与调试 5 1 元器件的选择与测量元器件的选择与测量 本次设计的元器件主要有 STC89C52 单片机 晶振 电阻 电容 按键 开关 电源座 数码管等 这些元器件的引脚需要我们认真查找资料 了解每个器件的特性 24 再进行焊接 这些元器件直接根据型号到电子元器件市场就很容易买到 其中焊接时 要注意元件正负极性 电阻电容大小 芯片引脚顺序等细节 一般电阻的大小可以通 过色环读取 或直接用万用表进行测量 电容和晶振等的大小会标准在元件本身 元 件的正负可以遵循长正短负的原则 一些特殊元件可以通过查找资料获知正负极 5 2 元件的焊接与组装元件的焊接与组装 组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法 无论采用哪种方法均应注意以 下几方面 1 所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍 以保证所用元器件均合格 2 所有集成电路的组装方向要保持一致 以便于正确进行焊接合理安排布线 3 分立元件时应仔细辨明器件的正反向 标志应处于比较容易观察的位置方便检 查和调试 对于有正负极性的元件 例如电解电容器 晶体二极管等 组装时一定要 特别注意极性 否则将会造成实验失败 4 为了便于焊接查线以及后期的检查电路 可根据电路中接线的不同作用选择不 同颜色的导线 一般习惯是正电源用红色线 负电源用蓝色线 地线用黑色线 信号 线用黄色线等 当然使用一种颜色也是可以的 5 在实际焊接中连线需要尽量做到排版简洁连线方便 连线不跨接集成电路芯片 上 必须从其周围通过 同时应尽可能做到连线不相互穿插重叠 尽量不从电路中元 器件上方通过 6 为使电路能够正常工作与调测 所有地线必须连接在一起 形成一个公共参考 点 正确的组装方法和合理的布局 不仅可使电路整齐美观 工作可靠 而且 便于检查 调试和排除故障 如果能在组装前先拟订出组装草图 则可获得事半功倍 之效果 使组装既快又好 5 3 电路的调试电路的调试 调试是指系统的调整 改进与测试 测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态 进行测量 调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正 使满足设计要求 在进行调试前应拟订出测试项目 测试步骤 调试方法和所用仪器等 做到心中有数 保证调试工作圆满完成 5 3 1 调试方法调试方法 调试方法原则有两种 第一种是边安装边调试的方法 它是把复杂的电路按原理框 图上的功能分成单元进行安装和调试 在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范 围 最后完成整机调试 这种方法在新设计的电路中比较常用 第二种方法是在整个 电路系统全部焊接完毕后 实行一次性调试 这种方法比较适用于电路相对来说比较 简单 系统不复杂的电路调试 25 5 3 2 调试步骤调试步骤 1 通电前检查 电路焊接完毕后 不要急于通电 首先要根据原理电路认真对照检查电路中的接接 线是否正确 包括错线 连线一端正确 另一端错误 少线 安装时漏掉的线 多线 连线的两端在电路图上都是不存在的 和短路 特别是间距很小的引脚及焊点 间 并且还要检查每个元件引脚的使用端数是否与图纸相符 查线时最好用指针式 万用表 1 档进行检查 或是用数字万用表 档的蜂鸣器来测量 而且要尽 可能直接测量元器件引脚 这样同时可以发现接触不良的地方 2 通电观察 在电路安装没有错误的情况下接通电源 先关断电源开关 待接通电源连线之后再 打开电路的电源开关 但接通电源后不要立即进行电路功能的测试 首先要充观察 整个电路有无异常现象 电路中元器件是否有发热烧坏等现象 是否有漏电现象 电 源是否有短路和开路现象等 如果电路在测试过程中出现异常 首先应该立即关闭电 源 检查后排除故障再重新通电测试 然后再按要求测量各元器件引脚电源的电压 而不只是测量各路总电源电压 以保证元器件正常工作 3 单元电路调试 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 从而保证电路的调试更加顺利方便 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 包括信号幅值 波形形状 相位关系 放大倍数和频率等 对于 信号产生电路一般只看动态指标 把静态和动态测试的结果与设计的指标加以比较 经深入分析后对电路与参数提出合理的修正 在调试过程中应有详尽记录 4 整机联调 各单元电路调试好以后 并不见得由它们组成的整体电路性能一定会好 因此还要 进行整体电路调试 整体电路调试主要是观察和测量动态性能 把测量的结果与设计 指标逐一对比 找出问题及解决办法 然后对电路及其参数进行修正 直到全部电路 的性能完全符合设计要求为止 26 第第 6 章章 总结总结 经过三个多月的努力 本次毕业设计的任务已经完成 这个设计题目并不是新的 但从中能体现到一个系统开发设计的过程 足于让我们受益 能够从设计 论证 制 板 编程到最终的调试成功 完成整个系统的设计 这是一次难得的实践机会 理论联系实践 体现出大学生的动手能力 通过查资料和收集有关的文献 培养了 自学能力和动手能力 并且由原先的被动接受知识转换为主动寻求知识 这可以说是 学习方法上的一个很大突破 在以往的传统学习模式下 我们可能会记住很多书本知 27 识 但是通过毕业设计 我们学会了如何将学到的知识化为自己的东西 学会了怎么 更好的处理知识和实践相结合的问题 把握重点 攻克难关 活学活用 设计论证和完成本次设计的过程 将单片机原理 C 语言程序 模拟电路基础与数 字电路基础等多门课程的内容有机地结合应用在了一起 通过实际的分析与应用深化 了对这些主干知识的认识 此外掌握了从系统的需求 方案论证 功能模块的划分 原理图的设计和绘制 PCB 板制作 程序设计到软硬件调试的设计流程 积累了硬件设 计的经验 单片机的功能日益强大 但其基本原理是相对不变的 因此虽然本次设计 任务的功能较为简单 但是能够较全面的涉及单片机各项基本知识 提高了自己的单 片机设计能力 是一次将理论能力向实践能力转化的好机会 通过这次毕业设计 我深刻地认识到学好专业知识的重要性 也理解了理论联系实 际的含义 并且检验了大学四年的学习成果 虽然在这次设计中对知识的运用和衔接 还不够熟练 但是我将在以后的工作和学习中继续努力 不断完善 这三个月的设计 是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程 今后我将不断加深理论基础和实践能力 在以后的工作学习中取得更大的进步 在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之 但在以后的工作中 我们 会严格要求自己最求完美 鸣鸣 谢谢 本设计的研究工作是在我的导师的精心指导和悉心关怀下完成的 从开题报告到论 文结束 我所取得的每一个进步 编写的每一段程序都无不倾注着导师辛勤的汗水和 心血 导师严谨的治学态度 渊博的