超声波测距仪毕业设计简介 (标准格式).doc

基于单片机的超声测距仪设计专业： 学号： 姓名： 指导教师： 职称： 摘 要本文详细介绍了一种基于单片机的超声波测距仪系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。硬件部分采用AT89C52单片机作为计时及主控制器、主要有超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、LCD显示电路和报警电路。电路结构简单，低成本，操作方便，工作稳定，测量精度高。在介绍了单片机性能和特点的基础上，分析了超声波测距的发展及基本原理，介绍了传感器的原理及特性，并由此提出了系统的总体构成。并针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案做了论证，给出了系统的硬件原理图和软件流程图。关键词：单片机；超声波；测距；AT89C52；CX20106一、引言距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，随着科学技术的快速发展，超声波技术将在测距仪中的应用越来越广，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，它将朝着更高定位更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求1。采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，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，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛2。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是：仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人等等。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度易于控制，它的应用价值己被普遍重视。二、超声波测距仪原理与设计方案（一）超声波测距基本原理超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距最为常用，它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现。图2.1超声测距原理图（公式2.1）如图2.1所示，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后山超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在己知超声波声速犷的前提下，利用：（公式2.2）即可计算得传感器与反射点之间的距离S，测量距离当Sh时，则dS,即（公式2.3）（二）系统校正（公式2.4）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：（公式2.5） 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离: (系统中应用该式进行温度补偿)（公式2.6）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：S2=l2-h2 (系统中应用该式进行角度补偿)在测距时，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定其时的波速c，波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离H，这样能较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。三、超声波测距仪硬件部分设计本系统采用AT89C52单片机作为主控制器，使用LCD1602显示屏作为系统显示屏，超声波发射驱动需要的40 kHz脉冲由单片机P0.0发出，使用定时器进行计时和控制，超声波接收使用CX20106A作为接收主控芯片，使用DS18B20作为温度传感器进行温度校正。超声波测距器的系统原理图如图3.1所示。图3.1系统设计原理图（一）超声波发射和接收电路分立元件构成的发射和接收电路容易受到外界的干扰，体积和功耗也比较大。而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以优先采用集成电路来设计收发电路。1.超声波发射电路超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分，可采用软件发生法和硬件方法产生超声波。在超声波的发射电路的设计中，采用了电路结构简单的集成电路构成发射电路：图中发射电路是由反相器74HC04构成的发射电路。用反相器74HC04构成的电路简单，调试容易，易通过软件控制。单片机输出的方波经过反相器接到发射器T1的两极，用图中的推挽形式将方波信号加到发射器T1两端，可以提高发射器T1的发射强度。图中把两个非门的愉出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。74HC04是一个高速CMOS六反相器，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于LSTTL逻辑TC，它的功耗减少很多。另外，上拉电阻R1, R2一方面可以提高反相器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加发射器T1的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。2.超声波接收电路在由集成电路构成的接收和发射电路中，发射电路我们选用由反相器构成的电路，接收电路采用由红外接收检波芯片CX20106A构成，主要是考虑到系统的调试简单，成本低以及可靠性好。接收电路选用 CX20106，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距超声披频率40kHz较为接近，考虑可以利用它作为超声波检测电路。实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。在实物的制作过程中，我们将用CX20106A这一型号代替,CX20106A是索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，是CX20106的改进型，也可用于超声波测试，有较强的抗干扰性和灵敏度。CX20106A采用单列8脚直插式，超小型封装，+5V供电。管脚1是超声波信号输入端，其输入阻抗约为40K；管脚2的R7, C8决定接收器R的总增益，增大电阻R7或减小电容C8，将使放大倍数下降，负反馈量增大，电容C8的改变会影响到频率特性，实际使用中一般不改动；管脚3与GND之间连接检波电容C5,考虑到检波输出的脉冲宽度变动大，推荐参数为3. 3uF；管脚5上的电阻R6用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低，取R2=200K时，中心频率约为42KHZ；管脚6与GND之间接入一个积分电容C4，电容值越大，探测距离越短；管脚7是遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，没接收信号时，该端输出为高电平，有信号时则会下降；管脚8接+5V电源。（二）单片机主机系统电路1.复位电路单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位。当人按下按钮SWl时，使电容C1通过R1迅速放电，待SWl弹起后，C1再次充电，实现手动复位。2.时钟电路当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XTAL1和XTAL2用来接石英晶体和微调电容。3.按键电路我们通过Pl. 0来启动测量，程序中通过查询P1.0的电平来检测是否按键被按下，在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。4.蜂鸣器电路本次设计通过一只蜂鸣器来提示用户按键按下了，现在单片机开始了测距。蜂鸣器是一块压电晶片，在其两端加上3-5V的直流电压，就能产生3KHz的蜂鸣声，本设计通过单片机软件产生3KHz的信号从P3. 7口送到三极管9013的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。5.温度测量电路由于超声波的传播速度V会受温度、湿度、压强等的影响，其中温度的影响尤为严重。因此在测量精度要求高的场合，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正，以减小误差。本系统采用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器进行温度测量，它所测量的温度值用9位二进制数直接表示，这些值通过DS18B20的数据总线直接输入CPU，无需A/D转换，而且读写指令、温度转换指令都是通过数据总线传入DS18B20，无需外部电源.DS18B20数字温度传感器与AD590. LM35等温度传感器相比，具有相当的测温范围和精度，温度测量精确、不受外界干扰等优点。6.LCD显示电路本设计采用LCD液晶显示屏来显示距离和温度，具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用YB1602液晶屏，它具有16个引脚。7.电源电路电源电路采用普通可调电源供电，该电源不含稳压器，所以在设计中需要用稳压器进行稳压。我们选用LM7805来获得稳定的+5V直流电压。输入电压(21V)经过7805的稳压输出+5V的电压，图中的D2为保护7805，防止电源极性接反损坏7805,滤波电容采用100uF电解和104瓷片电容并联使用，电磁兼容的实践证明，两个差100倍的电容并联使用效果很好。四、系统软件设计（一）系统方框图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，温度补偿子程序等。图4.1系统软件方框图本次设计使用C语言编写程序，c语言相比汇编有许多的优势，编译器Keil进行程序编译，Keil功能强大使用方便。在编译完成后，使用通过Proteus软件进行仿真，对设计进行验证和优化。如图4.1所示描述了各个模块的关系。（二）系统主程序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Sw2为测量启动键:4.系统采用AT89S52的内时钟:12MHz，每记一次数为lus；（三）40KHz超声波发送子程序超声波每过60ms发送一次，通过定时器TO中断发送超声波，超声波发送后延时一段时间后返回，防止余波被接收头接收误判。（四）DS18B20温度采集程序DS18B20的工作流程是，初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。其工作时序包括:初始化时序、写时序和读时序。（五）距离计算子程序距离计算中，实行了温度补偿和角度补偿。（六）数据转换子程序经过程序求出的数据原码无法直接用于显示，必须转换为LCD所接受的BCD码的形式。（七）LCD显示子程序LCD液晶显示程序分为液晶初始化、读忙、写指令和写数据操作，液晶显示器是一块慢器件，所以在执行每条指令之前必须确定模块忙标志为低电平(不忙)，否侧此指令无效。在程序中，我们将测量的各种结果存放到一个数组num中，然后通过这个数组的数据，到预先存放字符的数组中，按num中的数据的顺序去读取出预存在numcode中的字符，然后送到LCD中显示。（八）基于Proteus的软件仿真Proteus是一款功能强大的软件，其ISIS用来做仿真十分方便，尤其是单片机系统的仿真，我们在本设计的开发初期，用Proteus来仿真我们的设计，见图4.2，以便验证我们的设计，对设计的正确性做出分析。用Proteus绘制好电路图后导入程序文件(用Keil编译过后的HEX文件)，然后就可以执行仿真，我们在仿真的时候P2. 6检测到高电平即为返回信号获得，由于在软件中没有CX20106模型，所以P2. 6悬空，则程序开始就认为返回信号获得了，所以显示了一个最小测量值113.m，而温度为280,通过调节DS18B20模型的温度可以测试显示温度是否正确，从图中可以看出显示的温度就是DS18B20的预设温度值。下面我们再来看看P2. 5口是否有发射信号的产生。由于是频率比较高的信号(40KHz),所以不能通过二极管来观察到，所以在仿真的时候P2. 5一直显示的是低电平状态，这时必须用示波器来查看，如图4.3。图4.2 Proteus仿真图图4.3 波形从上图看出，P2. 5口输出了信号，由于软件是间隔60ms发送一次40KHZ的信号，所以可以看到这样的尖脉冲信号产生。软件仿真的成功说明我们的设计达到了初步的要求。五、结论在本论文的制作过程中，我发现我在此只考虑了环境温度对超声波速度的影响，如果能将其它环境因素（如：气压、湿度等）考虑进去和采用更精密的温度传感器，在测量精度可以有很大的提高，误差可以越接近于“0”。由于超声波的发射功率有限，在最大测量范围指标上尚未达到要求，这可以通过加大发射功率得到解决。不过经设计后的超声波测距仪仍然具有使用方便、操作简单、读数直观、精度高、成本低、性价比高、具有系统诊断功能等特点。既可随身携带，又可远程控制，人机界面友好，应用范围广。如可用在精度需要比较高的场合：自动气象站中水气日蒸发量的测试，水位或液面测量。也可用于安防系统中，如：汽车“雷达”。还可配合PC或GSM无线模块应用于无线远距离环境测量系统，实现远距离的操控以及数据的远距离传输。经过本论文的设计制作，我学会了很多东西，更加坚定了认真严谨的工作态度。虽然我遇到各种各样的困难，但我没有放弃，我查阅网上和图书馆资料，请教老师相关问题，最终凭着严谨认真的科研态度，创新求实的科学精神，克服了这种种困难。同时，多得各位老师和同学的耐心分析和指导，尤其是xxx老师给予了我很大的帮助！为此，我们要向我的指导老师xxx老师表示由衷的感谢，在他的耐心帮助下，我终于顺利地完成了本次设计制作！参考文献1 王俊峰 理工科学生怎样做好毕业设计M北京：电子工业出版社出版，20042 朱善军 单片机接口技术及应用M北京：北京航天航空大学出版社出版，20033 区建昌 电子设备的电磁兼容性设计M北京：电子工业出版社出版，2002 4 景旭文，等超声测距的研究J华东船舶工业学院学报，1994,85 罗忠辉，黄世庆提高超声测矩精度的方法J机械设计与制造，2005,16 隋卫平高精度实时超声测距技术研究D国防科学技术大学硕士论文，2003,117谢维成，杨加国单片机原理与应用及C51程序设计.北京:清华大学出版社，20068李建忠.单片机原理及应用.西安:西安电子科技大学出版社，20029