基于51单片机的超声波测距系统的设计.doc

单片机系统课程设计报告书单片机系统课程设计报告书 题目 基于题目 基于 51 单片机的超声波测距系统设计单片机的超声波测距系统设计 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 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 注 意 事 项 1 设计 论文 的内容包括 1 封面 按教务处制定的标准封面格式制作 2 原创性声明 3 中文摘要 300 字左右 关键词 4 外文摘要 关键词 5 目次页 附件不统一编入 6 论文主体部分 引言 或绪论 正文 结论 7 参考文献 8 致谢 9 附录 对论文支持必要时 2 论文字数要求 理工类设计 论文 正文字数不少于 1 万字 不包括图 纸 程序清单等 文科类论文正文字数不少于 1 2 万字 3 附件包括 任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 4 文字 图表要求 1 文字通顺 语言流畅 书写字迹工整 打印字体及大小符合要求 无错 别字 不准请他人代写 2 工程设计类题目的图纸 要求部分用尺规绘制 部分用计算机绘制 所 有图纸应符合国家技术标准规范 图表整洁 布局合理 文字注释必须使用工 程字书写 不准用徒手画 3 毕业论文须用 A4 单面打印 论文 50 页以上的双面打印 4 图表应绘制于无格子的页面上 5 软件工程类课题应有程序清单 并提供电子文档 5 装订顺序 1 设计 论文 2 附件 按照任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 次序装 订 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价 指导教师评价 一 撰写 设计 过程 1 学生在论文 设计 过程中的治学态度 工作精神 优 良 中 及格 不及格 2 学生掌握专业知识 技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3 学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4 研究方法的科学性 技术线路的可行性 设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5 完成毕业论文 设计 期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 三 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩 建议成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 指导教师 指导教师 签名 单位 单位 盖章 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价 评阅教师评价 一 论文 设计 质量一 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 水平二 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩 建议成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 评阅教师 评阅教师 签名 单位 单位 盖章 年年 月月 日日 1 教研室 或答辩小组 及教学系意见教研室 或答辩小组 及教学系意见 教研室 或答辩小组 评价 教研室 或答辩小组 评价 一 答辩过程一 答辩过程 1 毕业论文 设计 的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2 对答辩问题的反应 理解 表达情况 优 良 中 及格 不及格 3 学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 质量二 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 三 论文 设计 水平三 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩 评定成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 教研室主任 或答辩小组组长 教研室主任 或答辩小组组长 签名 年年 月月 日日 教学系意见 教学系意见 系主任 系主任 签名 年年 月月 日日 2 摘 要 超声波是指频率在20kHz以上的声波 它属于机械波的范畴 超声波也遵循一般机 械波在弹性介质中的传播规律 如在介质的分界面处发生反射和折射现象 在进入介质 后被介质吸收而发生衰减等 正是因为具有这些性质 使得超声波可以用于距离的测量 中 随着科技水平的不断提高 超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中 系统的设计主要包括两部分 即硬件电路和软件程序 硬件电路主要包括单片机电 路 发射电路 接收电路 显示电路和电源电路 另外还有复位电路和LED控制电路等 我采用以AT89C51单片机为核心的低成本 高精度 微型化数字显示超声波测距仪的硬 件电路 整个电路采用模块化设计 由信号发射和接收 供电 温度测量 显示等模块 组成 发射探头的信号经放大和检波后发射出去 单片机的计时器开始计时 超声波被 发射后按原路返回 在经过放大带通滤波整形等环节 然后被单片机接收 计数器停止工作 并得到时间 温度测量后送到单片机 通过程序对速度进行校正 结合两者实现超声波测 距的功能 软件程序主要由主程序 预置子程序 发射子程序 接收子程序 显示子程 序等模块组成 它控制单片机进行数据发送与接收 在一定温度下对超声波速度的校正 还有实现数据正确显示在LED上 另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波 的影响 相关部分附有硬件电路图 程序流程图 实际的环境对超声波有很大的影响 如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等 空气 的温度对超声波的速度影响也很大 此外供电电源也会使测量差生很大的误差 再设计 的过程中考虑了这些因素 并给出了一些解决方案 关键词 AT89C51 超声波 测距 1 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景及重要意义 1 第 2 章 超声波测距原理与方法 5 2 1 超声波简介 5 2 1 1 超声波的三种形式 5 2 1 2 超声波的物理性质 5 2 1 3 超声波对声场产生的作用 5 2 2 超声波传感器介绍 6 2 2 1 超声波测距原理及结构 6 2 2 2 超声波传感器选择 9 2 2 3 超声波测距的原理 9 2 2 4 发射脉冲宽度 10 第 3 章 系统硬件设计 13 3 1 发射电路设计方案 14 3 2 接收电路设计 16 3 3 单片机显示电路设计 17 3 3 1 LCD 显示部分 21 第 4 章 软件设计和测量结果分析 23 4 1 系统软件设计 23 4 2 实现重要功能的程序分析 28 4 2 1 实现温度读取功能 28 4 2 2 实现根据温度转化声速 29 4 2 3 实现距离计算 29 系统原理图 34 源程序 35 1 基于单片机的超声测距系统设计 第 1 章 绪论 1 1 课题背景及重要意义 近年来 随着电子测量技术的发展 运用超声波作出精确测量已成可能 随着经济 发展 电子测量技术应用越来越广泛 而超声波测量精确高 成本低 性能稳定则备受 青睐 超声波是指频率在20kHz以上的声波 它属于机械波的范畴 超声波也遵循一般 机械波在弹性介质中的传播规律 如在介质的分界面处发生反射和折射现象 在进入介 质后被介质吸收而发生衰减等 正是因为具有这些性质 使得超声波可以用于距离的测 量中 随着科技水平的不断提高 超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之 中 一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量 适用于建筑物内部 液位高度 的测量等 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 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 公路限高等行业中 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 因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走 就必须装 备测距系统 以使其及时获取距障碍物的位置信息 距离和方向 因此超声波测距在 移动机器人的研究上得到了广泛的应用 同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点 因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用 2 第 2 章 超声波测距原理与方法 2 1 超声波简介 超声波技术是一门以物理 电子 机械 以及材料科学为基础的 各行各业都可使 用的通用技术之一 超声波技术是通过超声波的产生 传播以及接收的物理过程完成的 该技术在国民经济中 对提高产品质量 保障生产安全和设备安全运作 降低生产成本 提高生产效率特别具有潜在能力 因此 我国对超声波的研究特别活跃 2 1 1 超声波的三种形式 超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波 横波 质点振动方向垂直于传播方向 的波 纵波 质点振动方向与传播方向一致的波 表面波 质点振动介于纵波和横波之 间 沿表面传播的波 横波只能在固体中传播 纵波能在固体液体中和气体中传播 表 面波随深度的增加其衰减很快 为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波 2 1 2 超声波的物理性质 1 超声波的反射和折射 当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时 一部分超声波被反射 另一部分透射过界面 在相邻介质内部继续传播 这样的两种情况称之为超声波的反射 和折射 2 超声波的衰减 超声波在一种介质中传播 其声压和声强按指数函数规律衰减 3 超声波的干涉 如果在一种介质中传播几个声波 于是产生波的干涉现象 由于超声波的干涉 在 辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场 2 1 3 超声波对声场产生的作用 1 机械作用 超声波传播过程中 会引起介质质点交替的压缩与伸张 构成了压力的变化 这种 压力的变化将引起机械效应 超声波引起质点的运动 虽然位移和速度不大 但是与超 声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大 有时足以达到破坏介质的程度 3 2 空化作用 在流体动力学指出 存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动 当声压达到一定 的值时 气泡将迅速膨胀 然后突然闭合 在气泡闭合时产生冲击波 这种膨胀 闭合 振动等一系列动力学过程称为空化 3 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收 实际上也就是有能量吸收 同时 由于超 声波的振动 使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量 这种能量使介质温 度升高 2 2 超声波传感器介绍 总体上讲 超声波发生器可以分为两大类 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 他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 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 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 超声波传感器结构如下 图 2 1 超声波传感器外部结构 图 2 2 超声波传感器内部结构 2 2 1 超声波测距原理及结构 电能或机械能转换成声能 接收端则反之 本次设计超声波传感器采用电气方式中 的压电式 超声波传感器分机械方式和电气方式两类 它实际上是一种换能器 在发射 端它把超声波换能器 它是利用压电晶体的谐振来工作的 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 产生超声波 反之 如果两电极间未外加电压 当共 4 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 就成为超声波 接收器 在超声波电路中 发射端输出一系列脉冲方波 脉冲宽度越大 输出的个数越 多 能量越大 所能测的距离也越远 超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不 同 使用时应分清器件上的标志 超声波测距的方法有多种 如往返时间检测法 相位检测法 声波幅值检测法 本 设计采用往返时间检测法测距 其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波 借助空 气媒质传播 到达测量目标或障碍物后反射回来 经反射后由超声波接收器接收脉冲 其所经历的时间即往返时间 往返时间与超声波传播的路程的远近有关 测试传输时间 可以得出距离 假定 s 为被测物体到测距仪之间的距离 测得的时间为 t s 超声波传播速度为 v m s 1 表示 则有关系式 2 1 s vt 2 2 1 在精度要求较高的情况下 需要考虑温度对超声波传播速度的影响 按式 2 2 对超 声波传播速度加以修正 以减小误差 v 331 4 0 607T 2 2 式中 T 为实际温度单位为 v 为超声波在介质中的传播速度单位为 m s 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 超声波的这种性质就可制成超声波传感器 它是一种将其他形式的能转变为所需频率的 超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件 目前常用的超声传感器有两 大类 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 妮酸锂等 属 于压电陶瓷的有锆钛酸铅 钦酸钡等 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 A 压电晶片 B 5 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 有频率为儿交流电压 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 图 2 3 双压电晶片示意图 双压电晶片如图 2 3 所示 当在 AB 间施加交流电压时 若 A 片的电场方向与极化 方向相同 则下面的方向相反 因此 上下一伸一缩 形成超声波振动 图 2 4 双压电晶片的等效电路图 双压电晶片的等效电路如图 2 4 所示 为静电电容 R 为陶瓷材料介电损耗 并 O C 联电阻 Cm 和 Lm 为机械共振回路的电容和电感 为损耗串联电阻 压电陶瓷晶片有 m R 一个固定的谐振频率 即中心频率 o 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 超声波传感器采用双晶振子 即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起 在长度 方向上 一片伸长另一片就缩短 在双晶振子的两面涂敷薄膜电极 其上面用引线通过 金属板 振动板 接到一个电极端 下面用引线直接接到另一个电极端 双晶振子为正方 形 正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着 这两处的支点就成为振子振动的节点 金属板的中心有圆锥形振子 发送超声波时 圆锥形振子有较强的方向性 因而能高效 率地发送超声波 接收超声波时 超声波的振动集中于振子的中心 所以能产生高效率 的高频电压 6 2 2 2 超声波传感器选择 超声波传感器有多种结构形式 可分成直探头 接收纵波 斜探头 接收横波 表 面波探头 接收表面波 收发一体式探头 收发分体式双探头等 超声波传感器分通用 型 宽频带型 耐高温型 密封放水型等多种产品 一般电子市场上出售的超声波传感 器常见的有收发一体式和收发分体式两种 其中收发一体式就是发送器和接受器为一体 的传感器 即可发送超声波 又可接受超声波 收发分体式是发送器用作发送超声波 接受器用作接受超声波 在超声波测量系统中 频率取得太低 外界的杂音干扰较多 频率取得太高 在传 播的过程中衰减较大 检测距离越短 分辨力也变高 本文中选用的探头是 4OKHz 的 收发分体式超声传感器 由一支发射传感器 UCM T40KI 和一支接收传感器 UCM R4OKI 组成 其特性参数如表 2 5 所示 表 2 5 传感器特性参数表 型号 UCM T40K1UCM R40KQ 结构开放式开放式 使用方式发射接收 中心频率 Z KH140 Z KH138 频带宽 Z KH5 02 Z KH5 02 灵敏度 ubardBV110ubardBV65 声压 02 0 0min 115mPadBdB 10min 70ubarVdBdB 指向角 o 75 o 80 容量 pF 252500 pF 252500 2 2 3 超声波测距的原理 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 在硬件控制 和软件设计上都容易实现 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 综合以上分析 本设计将采用渡 越时间法 7 图 2 6 测距原理 由于超声波也是一种声波 其声速 c 与空气温度有关 一般来说 温度每升高 1 摄 氏度 声速增加 0 6 米 秒 表 2 7 列出了几种温度下的声速 表 2 7 声速与温度的关系表 温度 摄氏度 30 20 10 0102030100 声速 米 秒 313319325323338344349386 在使用时 如果温度变化不大 则可认为声速 c 是基本不变的 计算时取 c 为 340m s 如果测距精度要求很高 则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者 在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正 在本系统中利用 AT89S52 中的定时器测量超声波传播时间 利用 DS18B20 测量环 境温度 从而提高测距精度 空气中声速与温度的关系可表示为 6 04 331 16 273 16 273 45 331smT T c 2 3 声速确定后 只要测得超声波往返的时间 即可求得距离 L 1 2 331 4 0 6T t 系统中应用该式进行温度补偿 如果为了进一步提高测量精度 本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的 设计 系统中应用该式进行角度补偿 222 slh 2 2 4 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 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 比较了 25 s l 个 40KHz 方波脉冲 100 s 4 个 40KHz 方波脉冲 200 s 8 个 40KHz 方波脉冲 800 s 32 个 40KHz 方波 脉冲 的发射脉冲宽度 作为发射信号后的接收信号 最终采用短距离 2m 内 发射 200 s 8 个 40KHz 方波脉冲 发射脉冲宽度 长距离 2m 外 发射 800 s 32 个 40KHz 脉冲 方波 的发射脉冲宽度 同时单片机编程避开盲区 此时 从接收回波信号幅度和测量 8 盲区两个方面来衡量比较适中 并且接收准确响应速度快 第 3 章 系统硬件设计 系统硬件主要由单片机系统及显示电路 超声波发射电路 超声波检测接收电路和 温度补偿电路四部分组成 随着超声波测量技术的不断提高 用超声波测量任何目标物 体 都存在着超声波的发射和接收问题 不论超声波传感器的大小 形状 灵敏度有何 不同 其工作原理都有是一样的 都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能 即 在媒质中产生超声波 要提高超声测量的精度或分辨力 必须从超声波的发射和接收 两方面入手 这也是设计超声测量仪器的关键和难点所在 发射电路采用单片机 P1 0 端口编程输出 40KHz 左右的方波脉冲信号 同时开启内 部计数器 T0 由于单片机端口输出功率很弱 在此电路上加功率放大电路使测量距离 满足要求 驱动超声传感器 UCM 40T1 发射超声波距离足够远 由于从接收传感器探头 UCM40T 传来的超声波回波很微弱 几十个 mV 级 又存 在着较强的噪声 所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑 这里使用 CX 20106A 集成电路对接收探头接受到的信号进行放大 滤波 信号经过 P2 7 端口送入单片机中 进行处理 为节省硬件考虑 显示电路采用动态扫描显示 通过单片机编程将内部计数 得到的时间数据 转换为距离信息 通过三位 LED 数码管显示 3 1 发射电路设计 超声波发射部分是为了让超声波发射换能器 TCT40 16T 能向外界发出 40 kHz 左 右的方波脉冲信号 40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法 采用硬件如由 555 振荡产生或软件如单片机软件编程输出 本系统采用后者 编程由单片机 P1 0 端口 输出 40 kHz 左右的方波脉冲信号 由于单片机端口输出功率不够 40 kHz 方波脉冲信 号分成两路 送给一个由 74HC04 组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够 远 满足测量距离要求 最后送给超声波发射换能器 TCT40 16T 以声波形式发射到空 气中 发射部分的电路 如图 3 1 所示 图中输出端上拉电阻 R31 R32 一方面可以 提高反向器 74HC04 输出高电平的驱动能力 另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果 缩短其自由振荡的时间 9 3 1 1 发射电路设计方案 一 发射电路输出波形分析 1 发射波形的重复性 为获得高分辨力 发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性 此外 所发射的超声波应尽量单纯 即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动 以便接收 时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰 为避免超声波在障碍物 表面反射时造成的各种损失和干扰 由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波 其 波形 应 与晶片振动规律相同 发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波形的重复性 通常发射电路按发射方式分为 单脉冲发射 多脉冲发射和连续发射 测距所用超 声波一般都是间断单脉冲发射 每测距一次 发送 接收一次 间断地激发换能器晶片 振动 此方法测试距离太近 本系统采用间断多脉冲发射 系统自动识别被测距离远近 设置发射脉冲个数 2 发射波形电压及功率 传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度 综合各种损耗的 因素 包括往返传播损失 声波传输损失 声波反射损失 环境噪声损失 另外考虑实 际发射传感器的最大输入电压为 20Vp p 以及单片机正常工作输出最大电压 5V 传感 器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近 所以考虑电压的同时应该考 虑如何提高其功率 才能使得发射电路更合理 3 2 接收电路设计 接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后 因谐振而形成逐步加强的机械振动 因 压电效应晶片两面出现交变的等量异号电荷 电荷量很少 只能提供微小交变的电压信 图 3 1 超声波发射电路框图 10 号 而不能提供电流信号 所以需要一个前置放大电路将这一微小交变电压信号充分放 大 同时考虑可能出现干扰信号 放大有用信号的同时加入滤波电路 驱动后面的比较 器输出电位跳变 作为确定接收到的时刻 前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大 并抑制其它的噪声和干扰 从 而达到最大信噪比 以利于后续电路的设计 LS2 UCM40 2 3 1 411 1 TL082 R2 R3 Rp VCC VCC U0 Ui If Ii 图 3 3 前置放大电路图 电路如图 3 3 所示 考虑到超声换能器的输出电阻比较大 一般数百兆欧姆以上 因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗 Input Impedance 同时 换能器的输出电压很 小 数十毫伏 这就要求前置放大电路有很高的精度 很小的输入偏置电压 Input Offset Voltage 前置放大电路是由一个高精度 高输入阻抗放大器 TL082 及电阻 R 2 和 R 构成 组成反向比例放大电路 这样可以减小地线噪声的影响 3 R 由电路的基本知识 可列出 I 3 2 2 R UUi i I 3 3 3 R UU f 根据放大器理想化的两个重要概念 1 集成运放两个输入端之间的净输入电压 U 通常接近于零 即 U U UO 若 把它理想化 则有 U 0 但不是短路 故常称为虚短 2 集成运放两输入端几乎不取用电流 即净输入电流 I0 如把它理想化 则有 但不是断开 故常称为虚断 0 I 故可知本电路中 U 且 I所以有 0 0 UU fi I 11 3 4 i U R R U 2 3 上式表明 输出电压与输入电压成比例运算关系 式中的负号表示与反相 U i U 电路的电压放大倍数为 3 5 2 3 R R U U A i uf 利用反相比例放大器可实现对交直流输入信号的放大 且电路结构简单 只需要调 节和阻值即可实现调节电压放大倍数 图中运放的同相输入端接有电阻 参数 2 R 3 R p R 选择时应使两输入端外接直流通路等效电阻平衡 即 静态时使输入级偏 32 R RRP 置电流平衡并让输入级的偏置电流在运算放大器的两个输入端的外接电阻上产生相等的 压降 以便消除放大器的偏置电流及漂移对输出端的影响 故又称为平衡电阻 P R 根据本设计系统需要 接收传感器输出电压很小 数十毫伏 故分别取 KR1 2 即放大电路将输入信号放大 200 倍 KR200 3 KRP1 3 3 单片机显示电路设计 显示器是一个典型的输出设备 而且其应用是极为广泛的 几乎所有的电子产品都 要使用显示器 其差别仅在于显示器的结构类型不同而己 最简单的显示器可以使 LED 发光二极管 给出一个简单的开关量信息 而复杂的较完整的显示器应该是 CRT 监视 器或者屏幕较大的 LCD 于显示的距离范围在 4 米之内 选用 3 位 LED 示 表示距离的 XXXcm 数值 液晶屏 综合课题的实际要求由数码管 通过单片机编程实现显示 表 示距离的 XXXcm 数值 LED 数码管显示与单片机接口通常涉及以下几个问题 1 LED 数码管显示用共阴极管还是共阳极管 2 由数码转换为笔划信息借软件译码还是硬件译码 3 显示扫描采用动态扫描还是静态扫描 问题 1 采用共阴极数码管还是共阳极数码管没有太明显的优缺点 如图 3 4 a 所 示数码管 每个数码管内部 由 8 个发光二极管组成 其中七个组成 8 字形的七段笔划 分别编号为 a b c d e f g 还有一个为小数点 标为 DP 当发光二极管导通时 相应的一段笔划或点就发亮 控制不同二极管导通就能显示出不同符号 发光二极管的 阴极连在一起的称为共阴极数码管 如图 3 4 b 所示 发光二极管的阳极连在一起的 称为共阳 如图 3 4 c 所示 两种数码管仅在单片机编程时数码对应的笔划信息码不 同 12 图 3 4 数码管结构图 问题 2 软件译码是将各数码的笔划信息构成一个表格预储于内存 以后根据要显示 的每一数码执行一段查表程序 查得相应笔划信息再送数码管显示 硬件译码则采用 CD4511 74LS46 74LS47 74LS48 74LS49 等 BCD 码七段锁存 译码 驱动芯片直 接译出笔划信息 问题 3 动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一 其接口电 路是把所有显示器的 8 个笔划段 a h 同名端连在一起 而每一个显示器的公共极 COM 是各自独立地受 I O 线控制 CPU 向字段输出口送出字形码时 所有显示器接收到相同 的字形码 但究竟是那个显示器亮 则取决于 COM 端 而这一端是由 I O 控制的 所 以我们就可以自行决定何时显示哪一位了 而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法 轮流控制各个显示器的 COM 端 使各个显示器轮流点亮 在轮流点亮扫描过程中 每 位显示器的点亮时间是极为短暂的 约 1ms 但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的 余辉效应 尽管实际上各位显示器并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印 象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 采用静态扫描方式控制点亮 LED 数码管 无位选信号 各数码管是同时点亮的 每数码管应显示数码的笔划信息也分路同时送给 其原理比较简单 静态扫描显示编程容易 显示比较清晰 亮度一般较高 但要求占用 很多 I O 接口线和增用不少硬件芯片 成本较高 因此 动态扫描用得更多 13 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 ECI 3 P1 3 CEX0 4 P1 4 CEX1 5 P1 5 CEX2 6 P1 6 CEX3 7 P1 7 CEX4 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 P2 1 A9 P2 2 A10 P2 3 A11 P2 4 A12 P2 5 A13 P2 6 A14 P2 7 A15 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 AT89S51 IN1 1 IN2 2 IN3 3 IN4 4 IN5 5 IN6 6 IN7 7 OUT1 16 OUT3 14 OUT4 13 OUT5 12 OUT6 11 OUT7 10 OUT2 15 COM 9 GND 8 ULN2003A OE 1 CLK 11 D0 2 O0 19 D1 3 O1 18 D2 4 O2 17 D3 5 O3 16 D4 6 O4 15 D5 7 O5 14 D6 8 O6 13 D7 9 O7 12 VCC 20 GND 10 74ACQ574PC 12 XTAL C3 C2 1K R1 C1 VCC VCC K f g e d K c DP b a Dpy Red CC K f g e d K c DP b a Dpy Red CC K f g e d K c DP b a Dpy Red CC VCC VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 Res Pack4 VCC Y1 Y2 Y3 Y1Y2Y3X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 图 3 5 显示部分电路图 针对以上 3 个问题 实际考虑节约单片机的接口资源以及减少硬件芯片成本投入 本单元电路设计如图 3 5 所示 采用 3 位共阴极数码显示管 显示字符由单片机 P2 口 14 送至锁存器 74HC574 锁存 再经显示驱动芯片 ULN2O03 驱动数码管显示 P0 1 P0 3 分别控制每一位的动态显示 74HC574 为三态输出 D 型上升沿触发器 图 3 6 为其引脚图 在输入使能端有 OE 效时 当时钟脉冲 CK 有上升沿跳变 触发器发生翻转 将锁存的 8 路输入数据 即单片 机 P2 口送出的字符数据 送出显示 其功能表 如表 3 1 所示 OE 1 20 Vcc 1B 1 16 1C 1D 2 19 1Q 2B 2 15 2C 2D 3 18 2Q 3B 3 14 3C 3D 4 17 3Q 4B 4 13 4C 4D 5 16 4Q 5B 5 12 5C 5D 6 15 5Q 6B 6 11 6C 6D 7 14 6Q 7B 7 10 7C 7D 8 13 7Q 8B 8 9 COM 8D 9 12 8Q 9D 10 11 CLK 图 3 6 74HC574 引脚图 图 3 7 ULN2003 引脚图 表 3 1 74HC574 功能表 INPUTS CLK DOE OUTPUT Q L H L L L H or L X H X X H L Q0 Z ULN2003 为显示驱动芯片 抬升单片机的输出电流 提高负载驱动能力 其引脚 如图 3 7 所示 其内部含七对达林顿放大管 其主要功能 当输入为高电平时 输出为低 电平 输入为低电平时 输出为高电平 本课题让单片机 P0 1 P0 3 经此芯片提升驱动能 力从而控制数码管的位选 实现数据动态扫描输出 由于声音的速度在不同的温度下有所不同 为提高系统的精度 采用了温度补偿功 能 这里采用的主要元器件是是美国 Dallas 半导体公司生产的单总线数字温度传感器 DS18B20 其具有精度高 智能化 体积小 线路简单等特点 将 DS18B20 数据线与 单片机的 P1 1 口相连 就可以实现温度测量 如图 3 8 所示 15 3 3 1 LCD 显示部分 本设计显示部分采用字符型 TC1602 液晶显示所测距离值 TC1602 显示的容量为 2 行 16 个字 液晶显示屏有微功耗 体积小 显示内容丰富 超薄轻巧 使用方便等诸 多优点 与数码管相比 显得更专业 美观 使用时 可将 P0 与 LCD 的数据线相连 P2 口与 LCD 的控制线相连 如图所示 其中 TC1602 第 4 脚 RS 为寄存器选择 第 5 脚 RW 为读写信号线 第 6 脚 E 为 使能端 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 这里要注意的是 为了布线方便 单片机端的 D0 D7 是接到 LCD 602 的 D1 D0 正好相反 因此在编写软件时需要 做处理 使读取正确 图 3 8 DS18B20 温度测量电路 图 3 9 TC1602 液晶显示电路 16 第 4 章 软件设计和测量结果分析 4 1 系统软件设计 系统程序结构 1 DS18B20温度传感器接口模块 分为初始化程序 写入命令以及读取子程序等部 分 2 基于 YB1602 的显示模块 分为初始化子程序 写入子程序以及显示子程序 3 温度补偿与距离计算模块 分为超声波发送控制程序 接收处理程序 温度补 偿子程序等 4 本次设计使用 C 语言编写程序 C 语言相比汇编有许多的优势 编译器使用 Keil Version2 进行程序编译 Keil 功能强大使用方便 主程序 分为系统初始化 按键处理以及各个子程序的调度管理等部分 如图 4 1 所示描述了各个模块的关系 图 4 1 系统软件方框图 系统主程序 17 本设计主程序的思想如下 1 温度为两位显示 距离为四位显示单位为 mm 2 温度每隔900ms 采样一次 DS18B20在12位精度下转换周期为750ms 故900ms 满 足该速度要求 超声波每隔60ms 发送一次 3 按键 S 为测量启动键 4 系统采用 AT89S52的内时钟 12MHz 5 没有使用看门狗功能 6 超声波发送一定时间后才开始启动检测 避免直达信号造成误判 所以系统最 小测量约为 112mm 系统主程序如下 void main void uchar i j for i 0 i 255 i for j 0 j 255 j sys init display sta flag 0 waitforstarting while START for i 0 i 20 i delay1ms if START 18 goto waitforstarting BUZZER 0 i 100000 while i BUZZER 1 i 100000 while i TR0 1 ET0 1 testtemp while 1 if sta flag while 0 CSBIN TR1 0 jsh TH1 jsl TL1 if 15 count temp wd count 0 19 testtemp display computer hextobcd sta flag 0 void sys init void uchar i for i 0 i0 x1000 c c 1 tu 1 c 4 return c else return r 4 2 2 实现根据温度转化声速 int C speed void uchar y y Read Temperature if r T C y 21 if tu 0 speed 332 T C 0 607 else speed 332 T C 0 607 else speed 346 5 return speed 4 2 3 实现距离计算 float Dis count float cm cm TH1 256 TL1 cm 7610 cm speed cm 20000 return cm 系统原理图 22 源程序 include include include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar code dispBUF 33 Temperature Distance mm uchar numcode 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 uint num 29 0 uchar jsh jsl 计数器的高低位 uchar count 0 10 秒计次数 uint distance 距离 uint temp 温度变量 uchar bdata flag DS18B20 存在标准 sbit RS P2 0 LCD RS sbit RW P2 1 LCD RW sbit E P2 2 LCD E sbit DQ P2 7 DS18B20 数字端口 sbit Busy P0 7 LCD 忙 void Delay uint time void delay1ms uint ms void delay void delay15 uchar us void BUMA void void B20 WDAT uchar dat uchar B20 RDAT void void Init 18B20 void 初始化 18B20 void Write Comm uchar 写入 LCD 命令 void Write Data uchar 写入 LCD 数据 void Init LCD void sbit sta flag flag 0 10MS 到标准位 flag 即通用标志位 当 sta flag 1 时 表示到了 10ms sbit fuhao flag 1 温度的符号位 23 sbit START P1 0 启动测距 sbit CNT P2 5 发射超声波 sbit CSBIN P2 6 返回信号 sbit BUZZER P3 7 定时器 1 溢出 void timer1 void interrupt 2 using 1 TR1 0 关闭定时器 计数器 1 定时器 0 溢出中断函数 每 60MS 溢出 void timer0 void interrupt 1 using 0 定时器 0 TH0 0 x15 TL0 0