基于51单片机的超声波测距毕业论文非常详细

1目录目录1摘要2第1章超声波测距系统设计311超声波测距的原理312超声波测距系统电路的设计3121总体设计方案3122发射电路的设计4123接收电路的设计5124显示模块的设计613超声波测距系统的软件设计714本章小结9第2章绪论1021课题背景，目的和意义1022两种常用的超声波测距方案10221基于单片机的超声波测距系统10222基于CPLD的超声波测距系统1123课题主要内容12第3章超声波传感器1331超声波传感器的原理与特性13311原理13312特性1432超声波传感器的检测方式1533超声波传感器系统的构成1634本章小结17第4章AT89C51单片机简介1841单片机基础知识18411单片机的内部结构18412单片机的基本工作原理2042单片机的分类及发展2143单片机AT89C51的特性2244本章小结25第5章电路调试及误差分析2651电路的调试2652系统的误差分析26521声速引起的误差26522单片机时间分辨率的影响27254本章小结28结论29致谢30参考文献31附录131附录236附录338摘要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，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，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本报告详细的介绍了超声波传感器的原理和特性，以及ATMEL公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以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和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。3一超声波测距系统设计11超声波测距的原理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2CTS11式11中的C为超声波在空气中传播的速度。限制该系统的最大可测距离存在四个因素超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波发球声波范围，其波速C与温度有关，表11列出了几种不同温度下的波速。表11声速与温度的关系温度3020100102030100声速M/S313319325323338344349386波速确定后，只要测得超声波往返的时间T，即可求得距离S。其系统原理框图如图11所示。图11超声波测距系统框图单片机AT89C51发出短暂的40KHZ信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间T，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。在下一节里，我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方法。12超声波测距系统电路的设计121总体设计方案由单片机AT89C51编程产生40KHZ的方波，由P36口输出，再经过放大电4路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，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,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔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、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图12所示。图12时序图单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间T，由此便可计算出距离。122发射电路的设计由单片机产生的40KHZ的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，图13为发射电路图。5图13发射电路74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。74HC04的管脚如图14所示。图1474HC04管脚图123接收电路的设计超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大，接收电路如图15所示。6图15接收电路超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即40KHZ。该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。LM741是一单运放集成芯片，图16为LM741管脚图。图16LM741管脚图124显示模块的设计LEDLIGHTEMITTINGDIODE，发光二极管有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。LED数码管结构简单，价格便宜。图17示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。图17A为八段共阴数码显示管结构图，图17B是它的原理图，图17C为八段共阳LED显示管原理图。八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是A、B、C、D、E、F、G和SP，分别与同名管脚相连。七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。7图17八段LED数码显示管原理和结构单片机对LED管的显示可以分为静态和动态两种。静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且也只需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这样单片机引脚输出可直接接到LED显示管上。这样省去了外部复杂的译码电路。13超声波测距系统的软件设计单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出P0、P1和P2口显示。程序流程图如图18，A为主程序流程图，B为定时中断子程序流程图，C为外部中断子程序流程图。ABC图18程序流程图8用单片机编程产生40KHZ方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一个延时函数DELAYS，然后可用FOR语句循环，并且循环一次同时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下VOIDDELAYS/延时函数VOIDMAINFORA0ADEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEULONGUNSIGNEDLONGDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITP36P36SBITP32P32UCHARDATATAB100XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90BITAGAINVOIDDELAYS/延时程序VOIDMAINUCHARA/一次发射方波数ULONGKTMOD0X01/T0计数，方式1TH00/计数初值TL00IT01/INT0负脉冲触发EA1/开总中断EX01/开外部INT0中断AGAIN1WHILE1WHILEAGAIN1P360TR01/T0开始计数FORA0A200A/产生100个40KHZ的方波P36P3639DELAYSAGAIN0VOIDINTERSVROVOIDINTERRUPT0USING1/INTO中断服务程序UINTBWEI,SHWEI,GWEIUCHARDH,DLULONGCOUNTULONGNUMTR00/停止计数DHTH0DLTL0COUNTTH0256TL0NUM344COUNT/20000BWEINUM/100/取百位GWEINUMBWEI100/10/取十位SHWEINUM10/取个位P1TABBWEI/输出百位P0TABSHWEI/输出十位P2TABGWEI/输出个位TH00TL0040超声波测距系统的电路设计图2超声波测距电路原理图本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。1、40KHZ脉冲的产生与超声波发射测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40KHZ的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。PUZELMOV14H,12H；超声波发射