超声波测距与显示系统设计毕业设计论文.doc

电子信息工程系毕业论文课题：超声波测距与显示系统设计 专题： 温度补偿专题 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要超声波具有指向性强，能量消耗慢，传播距离较远等优点，所以在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种。它广泛应用于建筑施工，防盗，倒车，水位测量以及一些工业现场。本设计采用以STC89C52单片机为核心的超声波测距的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接受子程序、显示子程序、语音播报子程序等模块组成。发射模块发射超声波，接受模块接受回波，单片机计算距离，显示测量结果。换能器的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。AbstractUltrasonic has directivity is strong, energy consumption is slow, propagation distance etc, so the use of sensor technology and automatic control technology combination of ranging scheme, ultrasonic ranging is the application of the most common one. It is widely used in construction, guard against theft, backing, water level measurement and some industrial field. This design USES the STC89C52 with single-chip microcomputer as the core of the ultrasonic ranging hardware circuit and software design method. The whole circuit adopts modular design, the main program, preset subroutine, emission subroutine, accept subroutine, display subroutine, voice broadcast subroutine modules, etc. Emission module launch ultrasonic, accept module accept echo, microcontroller calculating distance, display measurement results. Transducer signal by single chip microcomputer integrated analysis processing, the ultrasonic range finder all sorts of functions. On the basis of the overall scheme of the design of the system, and finally through the hardware and software to realize the function of each module. 目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题设计目的及意义11.1.1设计的目的11.1.2设计的意义11.2国内外研究动态11.3课题研究的主要内容2第二章 总体方案32.1 方案选择32.2超声波测距仪的设计思路32.2.1 超声波测距原理32.2.2 超声波测距原理框图32.3元器件选择4第三章 系统的硬件结构设计53.1 STC89C52单片机的功能及特点53.2 单片机最小系统83.3 超声波测距模块93.3.1 HC-SR04实物图93.3.2主要技术参数103.3.3 HC-SR04工作原理103.4超声波发射电路103.5 超声波接收电路113.6 DSB18B20温度传感器123.6.1 实物与引脚定义123.6.2 DS18B20主要特性133.7语音播报模块133.8显示单元15第四章 系统的软件设计174.1 超声波测距的算法设计174.2 主程序流程图174.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序184.4 语音模块子程序20第五章 温度补偿225.1 设计方案225.2硬件设计235.2.1温度采集电路235.3软件设计245.3.1温度采集245.3.2温度补偿设计及距离计算28第六章总结30致 谢31参考资料32附录一 实物图33附录二 原理图34附录三 源程序35- VI -第一章 绪论 1.1 课题设计目的及意义1.1.1设计的目的由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境有一定的适应能力。具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高料位测量、车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求。随着测距的技术进步，测距将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。1.1.2设计的意义 生活中超声波测距中的应用越来越广，但人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，满足日益发展的社会需求，因此研究超声波测距系统有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。1.2国内外研究动态国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。目前超声波测距方法主要有三种：（1）相位检测法：精度高，但检测范围有限；（2）声波幅值检测法：易受反射波的影响；（3）渡越时间法：工作方式简单，直观。现在对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。温度对传感器的影响也很大，因此，需要用温度传感器进行校正，目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。1.3课题研究的主要内容为了实现准确测出物体之间的距离的目的，设计了一个超声波测距的方案。超声波测距通过发出超声波并接收反射回来的回波，并通过单片机的计算就可以知道物体的距离。应用以下三种技术：a、单片机技术：STC89C52系列的单片机具有体积小，重量轻，结构较为简单，成本低廉，可以实现一般的控制功能的优点。而且单片机更适用应用于小型的嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。现代人类生活大部分电子和机械产品中都会集成有单片机。b、超声波测距技术：超声波测距技术与一般测距技术相比，具有操作方便、系统简单以及计算简单的优点。c、显示技术：数据处理，数码管显示测出与物体之间的距离。d、语音模块技术：ISD1730A芯片来语音播报距离。40第二章 总体方案2.1 方案选择 采用单片机来控制超声波测距，信号线发射到与超声波发射器相连的信号端，超声波发射器向既定方向发射，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物将产生回波。2.2超声波测距仪的设计思路2.2.1 超声波测距原理超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响。本测距系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。设l为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，则有l=ct/2。超声波接收器收到反射波就立即停止计时。再由单机计算出距离，送数码管显示测量结果。 超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15时）。t2是接收超声波时刻，t1是超声波声波发射时刻，t2-t1得出的是一个时间差的绝对值，假定t2-t1=0.03S，则有340m0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下： 如图2-1为测距原理4图2-1测距原理因为/2角度较小,可以忽略不计，所以LS。超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：L=C x ( t2 -t1 )/ 22.2.2 超声波测距原理框图超声波测距模块用HC-SR04，温度传感器使用DS18B20，微处理器使用STC89C52单片机，显示部分采用共阳数码管。HC-SR04集成的发射电路模块发出超声波，遇到障碍物产生回波，被接收电路模块接收，STC89C52单片机统计出声波传输所用时间，经过温度补偿温，计算出正确的待测距离，同时ISD1730A根据相关数据处理进行组合播报当前测试距离，并且由数码管显示。图2-2 超声波测距系统结构图2.3元器件选择由于测量距离的精度和长度要求不是很高，精度达到2cm，测量距离达到2m即可，因此超声波模块选用价格低廉且实用的HC-SR04即可。控制核心部分选择实用的STC89C52单片机即可满足计算和控制要求。温度补偿的温度传感器选择普遍且实用的DS18B20。语音播报:ISD1730A是华邦公司新推出的语音芯片，用来替代已经停产的ISD1400 系列及ISD2500 系列芯片。ISD1730A不仅在录音时间上有更多的选择（从20秒到240 秒），而且在功能上继承14及25系列的所有录放功能，并增加了一些更加人性化的提示功能及对存储地址的精确操作。根据我们经营 ISD 系列芯片多年的经验来看，ISD1700 的音质也较14及25系列有明显的提高ISD1700 系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示（vAlert ）,双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。显示部分:选择了四位数码管。第三章 系统的硬件结构设计3.1 STC89C52单片机的功能及特点 STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周 期可以任意选择。 主要特性如下： 增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任 意选择，指令代码完全兼容传统 8051. 工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机） 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工 作频率可达 48MHz 用户应用程序空间为 8K 字节 片上集成 512 字节 RAM 通用 I/O 口(32 个)复位后为:P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉,P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片 具有 EEPROM 功能 具有看门狗功能 共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2 外部中断 4 路,下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 通用异步串行口（UART）,还可用定时器软件实现多个UART 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级） STC89C52RC单片机的工作模式掉电模式：典型功耗0;i-) DQ = 0; /给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; /给脉冲信号 if(DQ)dat|=0x80;delay_18B20(10);return(dat);void ds1820wr(uchar wdata)/写数据unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-) DQ = 0;DQ = wdata&0x01;delay_18B20(10);DQ = 1;wdata=1; read_temp() /读取温度值并转换uchar a,b;ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/跳过读序列号ds1820wr(0x44);/启动温度转换ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/跳过读序列号ds1820wr(0xbe);/读取温度a=ds1820rd();b=ds1820rd();tvalue=b;tvalue=8;tvalue=tvalue|a;if(tvalue0) /温度大于0 c=331.4+0.61*temp*0.0625; else /温度小于0 c=331.4-0.61*temp*0.0625;t=jsh*256+jsl-120; /计数时间d=(c*t*0.001)/2;d*=d; /直角三角形勾股定理s=d-7.98; /补偿 distance=sqrt(s); /开方运算通过以上程序，超声波测距系统上电启动后即可获得现场温度，在进行测距工作时单片机会把温度值通过公式V=331.5+0.6T补偿到超声波的波速计算中，使得计算波速值得到校正，从而提高超声波测距系统的精度。第六章总结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来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；另一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪；此次设计采用反射波