超声波测距仪实时显示声光警报毕业设计论文报告

摘要机器人通过其感知系统觉察前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉，测量精度较高，不受环境的限制，应用方便，将它与红外传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。本文介绍了基于STC89C51的超声波测距系统，阐述了超声波测距系统的硬件设计、软件设计与其工作原理。该设计主要由单片机控制模块、数码管显示模块、DS18B20温度补偿模块以与声光报警模块等构成。利用超声波的反射原理，计算超声波在空气中的传播时间的一半再乘以经过温度补偿修正后的速度就可以得出障碍物到传感器之间的距离，并在数码管显示出来。同时，该系统在测量距离小于10cm时能进行声光报警。该系统具有硬件电路简单、成本低、工作可靠、功耗低、体积小、误差小、有良好的测量精度等优点。目前，超声波清洗技术、雷达技术等在医学、军事上占据着重要地位，因此研究超声波技术具有一定的研究意义。本设计作品基本满足设计的要求，有一定的推广性，同时针对不足，如测量距离过小等，文章在最后提出了一些改进性能的可行性方案。关键字：单片机；传感器；超声波测距；温度补偿Abstractrobotthroughitsperceptionsystemtodetectobstaclesthatinfrontoftheroadandthesurroundingenvironmenttoachievethedistancearoundthebarrier,autohunt,rangeandotherfunctions.UltrasonicRangingintermstootherrangingtechnologyislow-cost,highaccuracy,withoutenvironmentalconstraints,andconvenient,itwillbecombinedtogetherwithinfraredsensorsachieverobothuntaroundthebarrierfunction.ThisarticledescribestheultrasonicrangingsystembasedonSTC89C51,whichelaborateultrasonicRangingSystemhardwaredesign,softwaredesignanditsworkingprinciple.Thedesignismainlycontrolledbythemicrocontrollermodule,LEDdisplaymodule,DS18B20temperaturecompensationmodule,aswellassoundandlightalarmmoduleconstitute.Usingtheprincipleofreflectionoftheultrasonicwave,Calculatetheultrasonicpropagationtimeintheairinhalfandthenmultipliedbythespeedafterthecorrectionofthetemperaturecompensationthatcanbedrawnbetweentheobstacletothesensordistance,Anddigitaldisplay.Secondly,thesoundandlightalarmwhenthesystemmeasuringdistancelessthan10cm.ThesystemhasanAdvantageofSimplehardwarecircuit,lowcost,reliable,lowpowerconsumption,smallsize,theerrorissmall,haveagoodmeasurementaccuracy,etc..Atpresent,theultrasoniccleaningtechnology,radartechnologyinmedicine,themilitaryoccupiesanimportantposition,sotheresearchultrasoundtechnologyhasacertainsignificance.Thisdesignworksbasicallymeetthedesignrequirements,therearecertainpromotional,whilefordeficiencies,suchasmeasuringthedistanceistoosmall,etc.,thearticleconcludeswithanumberofimprovementsintheperformanceofthefeasibilityoftheprogram.KeyWords:MCU;Sensor;UltrasonicRanging;Temperaturecompensation目录TOC\o"1-3"\h\u5157摘要130807Abstract214836第一章绪论5264101.1课题的研究背景 5149051.2超声波在国外的发展现状 6235931.3研究目的和意义 7254591.4研究容 728081.5论文结构 83629第二章系统方案设计9129162.1设计要求 9238032.2设计方案 95740第三章硬件设计1157173.1AT89C51单片机简介 1197983.1.1AT89C51各引脚的含义和功能 11198053.2系统硬件设计组成部分 14325443.2.1AT89C51单片机最小系统 14153443.2.2数码管显示模块 14311443.2.3超声波发射接收模块 15257833.2.4声光报警模块 21299093.2.5复位电路 21222173.2.6DS18B20温度补偿电路 22101033.2.6.1DS18B20部结构与测温原理 2324293.2.6.2DS18B20的封装形式与引脚功能 25393.2.6.3DS18B20的供电方式 25151443.2.7+5V电源模块 2710885第四章软件设计28104124.1软件整体设计 28278964.2系统主要模块程序设计 29139404.2.1超声波发射程序与接收中断子程序 2914294.2.2DS18B20访问程序 2926911第五章调试与检测31299255.1硬件测试 31276775.2软件测试 32112965.3结果分析 3264215.4误差来源 32138675.5解决方案 33128565.6本设计所做工作 331686总结与展望3515142词3610395参考文献3722503附录1电路原理图与PCB图382539附录2程序清单40第一章绪论超声波以其指向性好、穿透能力强、能量消耗缓慢、环境污染小等优点，因而超声波常用于距离测量。利用超声波检测往往比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。其中，超声波技术首先在欧美兴起并日趋成熟，我国在超声波技术的研究上相对迟缓，但近十年在超声波上的成就也有很大的突破。本章主要介绍超声波测距的研究背景、超声波技术在国外的发展现状、研究目的和意义以与本章的研究容，最后在本章末尾还介绍了本论文的章节安排。1.1课题的研究背景超声波是频率高于20KHZ的声波，它的方向性好，穿透能力强，容易获得较集中的声能，在水中传播的距离远，因而超声波常用于距离测量，在医学、军事、工业、农业等诸多领域中有广泛的应用。例如：立体超声显象、雷达、工业自动化控制、超声的空化作用等。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以与一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。目前国一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本高，并且没有显示，操作使用不方便。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以与粉尘等外界因素的干扰等优点，是通过计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输时间来测量距离的，对被测目标无损害，而且超声波的传播速度在相当大围与频率无关。超声波的这些独特优点逐渐受到人们的重视。超声波传感器根据结构的不同可以分为压电式、电磁式、磁致伸缩式等，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。超声波是指频率高于20kHz的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。在户外使用传感器的设备中，如果要求精度较高，则需要超声波技术有良好的抑制噪音的能力，能区别噪音和反射信号。如果多个超声波传感器同时工作，则要同时兼顾计算机处理速度和防止传感器之间的干扰。采用模式编码声呐[12]就能很好地解决这个问题。由于超声波在空气中的传播速度受温度的影响，速度随温度的变化而变化，温度每变化一度，超声波速度变化0.6m/s，近似公式为：C=C0+0.607×T，式中：C0为零度时的超声波速度331.5m/s，T为实际温度(℃)：[2]表1.1列出了超声波在不同温度下的传播速度。在使用过程中，如果精度要求不高，则可以认为传播速度不变。但如果要求精度高，则需要增加温度补偿电路，以达到所需精度要求。表1.1不同温度下超声波声速表[2]温度(℃)-30-20-100102030100速度(m/s)313319325323338344349386一般情况下，为了适应不同温度下的工作要求，用软件进行温度补偿的公式为C=331.5+0.607T(1)其中C为校正后的速度，T为当时检测的温度。校正后的速度如表1.2所示，校正后的速度最大误差不超过5%。表1.2补偿后声速与温度的关系[2]温度/℃-30-20-100102030100声速/（m/s）313319325331337343349381超声波的特点：①超声波在不同介质中的传播速度不同；②超声波通过两种或两种以上的介质时会产生反射和折射的现象；③超声波在空气中的传播有较大的衰减，尤其是频率较大时衰减更大，因此在空气中传播时采用频率较低的超声波，一般采用频率为几十千赫兹的超声波，典型应用频率为40KHZ；④超声波的频率比音频高，所以超声波不易被环境中的噪音所干扰。本课题要求利用单片机设计一个低成本、高精度、微型化的数字显示声光报警的超声波测距仪，本文所述的超声波测距系统主要由声波发射模块，回波接收模块、基于AT89C51的控制模块、温度检测模块、报警模块以与显示模块。具有灵活性强，可靠性高，计算简单，易于做到实时控制等优点。1.2超声波在国外的发展现状从19世纪末到20世纪初，人类在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们终于解决了利用电子学技术产生超声波的方法，从此迅速推动了超声波技术的发展。1922年，首例超声波治疗的发明专利出现在德国。1939年发表了关于超声波治疗在临床取得效果的文献报道。40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了有关超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展与应用奠定了基础。在1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多关于超声波的论文发表，超声治疗进入实用成熟阶段。国在超声治疗领域起步比欧美晚，到20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗的工作，从1950年首先开始用800KHZ频率的超声治疗机治疗多种疾病，到50年代开始逐渐推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年，到70年代有了各型国产超声治疗仪，超声治疗法普与到全国各大型医院。40多年来，全国各大医院已积累了相当丰厚的资料和比较丰富的临床经验。特别是在20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，这是结石症治疗史上的重大突破，如今已在国际围推广应用。高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置，而在21世纪(HIFU)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。1.3研究目的和意义超声波既是一种波动形式，同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响、改变以致破坏后者的状态、性质与结构用作治疗。超声波技术在医学、军事、化工等行业占据着重要的地位，研究超声波测距技术有着非常重要的意义。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，例如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体气孔大小的检测和机械部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，航空，石油化工，交通运输等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。1.4研究容本课题的研究对象是超声波测距仪，利用单片机来控制超声波的发射与接收，并在数码管上显示出障碍物与传感器之间的距离。基本思想就是利用AT89C51单片机做为主控制模块，控制HC-SR04超声波发射超声波以与接收回波信号，在单片机处理数据并通过数码管显示出来。本设计中还利用DS18B20进行温度补偿，以减小测距误差。系统硬件主要由电源电路、单片机主控制模块、数码管显示模块、DS18B20温度补偿模块以与声光报警模块等。由于超声波清洗速度快、质量好、污染小，因此，超声波清洗技术正在越来越多的工业中得到应用。除此之外，超声波金属焊接的应用、超声波美容换能器的应用、雷达等，都体现了超声波对各行业起着重要的作用。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以与一些工业现场，例如：井深、液位、管道长度等场合。目前国一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，且没有显示，操作不方便。本课题要求利用单片机设计一个高精度、低成本、微型化的数字显示超声波测距仪。1.5论文结构本文介绍了一种基于单片机系统模块为核心的超声波测距的设计与实现方案，并简要介绍了相关背景、研究容以与应用，具体组织结构如下：第一章：绪论。主要阐述课题的研究背景、研究现状以与研究目的和意义等；第二章：系统方案设计。主要介绍系统的功能和总体设计方案；第三章：硬件设计。主要阐述系统硬件电路的分析与实现；第四章：软件设计。主要阐述系统软件编程与实施方案；第五章：系统测试。主要阐述系统功能、性能测试和结果分析以与解决方案等。第二章系统方案设计距离测量的方法很多，但超声波测距以其非接触式、携带方便、简单易用等优点被人们广为应用。本章主要讲述本设计的设计要求与设计方案，对以AT89C51为主控制模块的超声波测距仪进行结构分析与设计。2.1设计要求系统主要研究的是基于单片机的超声波测距，其主要功能要求如下：能实时显示测量距离；当距离小于预置值时（本设计预置值为10cm），系统指示灯闪烁且蜂鸣器报警提示；测量距离误差小于1cm；本设计扩展功能如下：能进行温度补偿并显示温度值；当距离大于200cm时数码管显示CCC；当环境温度大于90℃时，蜂鸣器报警提示。2.2设计方案1设计思路我们可以通过尺、激光测距等原理来实现距离测量，但通过尺测量速度慢，效率低；激光测距精度高速度快，但成本高。本文章所提出的超声波测距仪实现了低成本、电路简单、使用方便、相对高的精度等优点。超声波测距仪是通过单片机控制发射出40KHZ频率的超声波，以此同时单片机的定时器开始计时，超声波遇到障碍物反射回来由超声波接收探头接收信号并产生中断，定时器停止计时。单片机通过温度传感器进行温度补偿校正超声波此时环境温度下的速度，由路程与速度和时间的关系计算出传感器与障碍物之间的距离。根据设计要求，并综合考虑各种因素，本文章选择STC89C51单片机做为主控制模块，它控制40KHZ脉冲的触发和超声波从发射到接收的时间差，并显示障碍物到传感器的距离；用DS18B20进行温度补偿，校正超声波在不同温度下的传播速度；用发光二极管和蜂鸣器实现报警提示电路；用HC-SR04超声波模块实现超声波的发射与接收。系统设计的整体框图如图2.1所示：2系统最终方案通过各个模块的分析和论证（详细请看第三章），决定系统各模块的最终方案如下：1、控制模块：采用STC89S51单片机做主控制器；2、超声波发射接收模块：HC-SR04超声波模块；4、显示模块：四位一体共阳极数码管；5、报警模块：蜂鸣器和发光LED；6、温度补偿模块：DS18B20温度传感器芯片。数码管显示模块数码管显示模块DS18B20温度补偿模块DS18B20温度补偿模块AT89C51单片机控制系统声光报警模块声光报警模块超声波发射模块超声波接收模块超声波发射模块超声波接收模块图2.1系统设计整体框图第三章硬件设计超声波测距仪主要由单片机控制模块、数码管显示模块、声光报警模块、DS18B20模块以与HC-SR04模块组成。本章节主要讲述单片机各引脚功能、各模块的设计原理图或选择方案等。3.1AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51主要特性●与MCS-51兼容

●4K字节可编程闪烁存储器

●寿命：1000写/擦循环●数据保留时间：10年

●全静态工作：0Hz-24Hz

●三级程序存储器锁定

●128*8位部RAM

●32可编程I/O线

●两个16位定时器/计数器

●5个中断源

●可编程串行通道

●低功耗的闲置和掉电模式

●片振荡器和时钟电路●外形封装：40脚PDIP3.1.1AT89C51各引脚的含义和功能电源引脚VCC和VSSVCC（Pin40）：电源端，正常工作电压接电源+5V，正电源接4.0~5.0V电压。GND：电源接地端。图3.1AT89C51和AT89C2051的管脚图XTAL1和XTAL2为外接晶振或外部振荡器引脚XTAL1（Pin19）和XTAL2(Pin18)分别为STC89C52的片震荡器反相放大器的输入端和输出端，同时，XTAL2也是部时钟发生器的输入端。当使用自激震荡方式时，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，使部振荡器按照石英晶振的频率震荡，即产生时钟信号。控制信号引脚RST（Pin9）RST为单片机部CPU的复位信号输入端。复位功能:当单片机上电后，在该引脚上出现两个机器周期宽度以上的高电平，就会使单片机复位。可在RST和VCC之间接一个10µf的电容，RST再经一个10KΩ的下拉电阻接地，就可以实现单片机上电自动复位。ALE/（Pin30）ALE为低八位地址锁存使能输出和编程脉冲输入端。地址锁存使能输出ALE：当单片机访问外部存储器时，外部存储器的16为地址信号由P0口输出低8位，P2口输出高8位；而不用外部存储器地址锁存控制信号时，该引脚仍以时钟震荡频率的1/6固定地输出正脉冲，该信号可以用于外部计数或时钟信号。可以驱动8个LS型TTL负载。在Flash编程时，用于输入编程脉冲。（Pin29）为访问外部程序存储器读选通信号，可以驱动8个LS型TTL负载，为外部程序存储器控制信号。当单片机访问外部程序存储器时，读指令代码，（Pin29）脚输出两个负脉冲选通信号；在执行片程序存储器读取指令码和读写外部数据时，不产生此信号。CPU在访问外部程序存储器时，在每个机器周期中，信号两次有效。（4）/VPP（Pin31）为访问外部或部程序存储器选择信号，在进行Flash编程时，提供Flash编程电压VPP。：当=1时，CPU从片程序存储器开始读取指令；如果外部还有扩展程序存储器，则CPU在执行完部程序存储器程序后，自动转向执行外部程序存储器程序。当=0时，CPU仅访问片外程序存储器。VPP：在对8952部EPROM编程时，此引脚应接21V编程电源。并行I/0口P0~P3口引脚P0口即P0.0~P0.7（Pin39~Pin32）P0口是一个8位漏极开路型双向I/0端口，P0口可做为通用I/O口使用。在CPU访问片外存储器时，P0口自动做为地址/数据复用总线使用；定义为I/O端口时，需要外接上拉电阻，是准双向I/O口；在对EPROM编程时，由P0口输入指令字节，在验证程序时，P0输出指令字节（验证时应接上拉电阻）。P0口能以吸收电流的方式驱动8个LS型TTL负载。P1口即P1.0~P1.7（Pin1~Pin8）P1口是8位准双向的并行I/O端口，当需要某位先输入的时候，应该在输入操作前，加一条输出1的指令，然后再输入才正确。P1口是部具有上拉电阻的8位准双向I/O口，能驱动4个TTL负载。对于AT89S52，P1端口的某些引脚还可以有第二功能。P1.0引脚定时计数器2的外部事件计数输入端口，P1.1引脚用于定时计数器2的外部控制端口。P1.5~P1.7还用于片Flash的编程。P2口即P2.0~P2.7（Pin21~Pin28）当P2口用做高8位地址时，控制信号用电子模拟开关MUX接通地址端，高8位地址信号便加到输出端口，从而实现9位地址的输出。P2口做输入输出脚，为8位准双向并行的I/O口；当P2用做普通I/O口时，P2口可以驱动4个LS型TTL负载。P3口即P3.0~P3.7（Pin10~Pin17）P3口是8位准双向并行的I/O口，一个具有第二变异功能且可位操作的端口。当作为普通I/0端口时，P3口可以进行位操作，是准双向端口，可以驱动4个LS型TTL负载。当系统需要扩展外部器件时，P3口可以作为第二功能使用，其各位的功能如表3.1所示。表3.1P3端口的第二功能I/O端口第二功能名称功能介绍P3.0RXD串行通信数据接收端口P3.1TXD串行通信数据发送端口P3.2外部中断0请求端口P3.3外部中断1请求端口P3.4T0定时/计数器0外部事件计数输入端P3.5T1定时/计数器1外部事件计数输入端P3.6外部数据存储单元写选通信号P3.7外部数据存储单元读选通信号3.2系统硬件设计组成部分系统硬件设计主要有STC89C51控制模块，显示模块，超声波发射接收模块以与声光报警模块组成。3.2.1AT89C51单片机最小系统单片机最小系统是单片机能够工作的最小硬件组合。最小系统电路主要包括复位电路、电源、晶体振荡器等。89X51单片机的最小系统如图3.2所示。最小系统中，时钟脚XTAL1和XTAL2外接12MHZ石英晶振并通过两个22pf的电容接地，同时采用了手动加上电复位电路。复位电路中的电容和电阻的取值根据其充放电时间常数来定。例如图3的最小系统中的充电时间常数=10×10-6×10×103s=10ms,此时间常数足以使RST在保持为高电平的时间完成复位操作。P0口定义为I/O口时，需外接上拉电阻，为准双向I/O口。3.2.2数码管显示模块数码管显示电路由一个四位一体的共阳数码管、上拉电阻、PNP做开关组成，数码管显示电路如图3.3所示。显示电路是通过单片机控制，将距离的百位、十位、个位的十六进制数送至P0口，经过上拉电阻送到数码管的数据输入端，并通过P2.0~P2.3控制PNP的开通与关闭。当PNP导通时，相应的三极管控制的数码管就会工作，从而数码管就会显示障碍物到传感器的距离。其中P2.2控制个位，P2.1控制十位，P2.0控制百位。图3.2单片机最小系统3.2.3超声波发射接收模块方案一：采用HC-SR04型超声波测距模块HC-SR04超声波测距模块能够测量2cm-400cm距离的障碍物，具有非接触式距离感测功能，测量精度最大可达到3mm；此模块包括超声波发射器、接收器以与控制电路。HC-SR04超声波测距模块的实物图如图3.4所示。HC-SR04的基本工作原理如下：（1）通过给TRIG一个至少10µs的高电平，即可触发IO口测距。（2）当TRIG被触发时，模块自动发送8个40KHZ的方波，并自动检测是否有信号返回。当检测到有信号返回时，IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波发射有接收信号的时间。测试距离=（声速（340m/s）*高电平时间）/2。3.4HC-SR04实物图图3.3数码管显示模块如图3.4所示，HC-SR04模块有四个管脚，其中VCC接5V电源，GND接地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出，HC-SR04电气参数如表3.2所示：表3.2HC-SR04电气参数电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40KHZ最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10µS的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm超声波时序图如图3.6所示。从时序图可以看出，只要给触发信号一个10µs以上的高电平，HC-SR04模块部就会自动循环发出8个40KHZ的脉冲，一旦检测到回波信号就会输出回响信号，回响信号的脉冲宽度鱼检测距离成正比。由此就可以通过发射超声波到接收信号的时间间隔计算出障碍物到传感器的距离。检测距离=声速*高电平持续时间/2。图3.6超声波时序图由于HC-SR04有一定的反射角和盲区，因此检测距离不因小于它的最小射程，以与所测物体的表面尽可能光滑平整，以减少误差。同时，此模块不宜带电连接，否则会影响模块的正常工作。若要带电连接，则先让模块的GND端先接地。方案二：采用超声波接收模块CX20106A以与超声波探头T40、R40超声波传感器的主要材料有压电晶体（电致伸缩）与镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它能将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能将其转变成电能，所以它可以分为发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。超声波探头如图7所示。超声波传感器的检测围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测围为300~500mm，波长大于5mm的传感器检测围可达到8m。一些传感器具有较窄的6º声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12º至15º的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。74LS04推挽式超声波发射电路74LS04是6非门(反相器)他的工作电压+5V，他的部含有6个coms反相器，74LS04的作用就是反相把1变成0，其管脚图如图3.7所示。超声波发射电路原理图如图3.8所示。本设计采用定时中断的方式产生40KHZ的方波，发射电路主要由74LS04反相器和T40超声波发射换能器构成，单片机P1.0端口输出40KHZ的方波信号，一路经一级反相器输送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器输送到换能器的另一个电极。用这种推挽输出方式通过超声波换能器发射信号，可以提高超声波换能器的发射强度。输出端采用两个反相器并联，可以提高驱动能力；上拉电阻R10和R11既可以提高74LS04反相器输出高电平的驱动能力，又可以增强超声波换能器的阻尼效果，减少其自由振荡时间。为调试方便和修改，超声波发射模块和单片机之间的接口采用排针相连。超声波发射电路如图3.9所示。图3.774LS04管脚图图3.8T40超声波探头实物图图3.9超声波发射电路原理图超声波接收电路超声波接收电路主要由专用红外遥感接收芯片CX20106A和R40超声波换能器组成。CX20106A有8个管脚，当换能器接收到回波信号时，管脚7就会输出一个低电平。本设计将管脚7接到单片机的P3.2口（），当接收到信号时外部中断0开始中断，停止定时器计时，算出超声波发射到接收信号的时间，算出换能器到障碍物之间的距离。CX20106A是一块8脚单列直插式超小型塑封结构的IC，其各引脚功能如表3.3所示：表3.3CX20106A各引脚号功能管脚号符号管脚功能1IN遥控信号输入端2C1RC网络连接端3C2检波电容连接端4GND接地端5f0带通滤波中心频率设置端6C3积分电容连接端7OUT遥控指令信号输出端8VCC供电电源端CX20106A的第5管脚的电阻决定接受的中心频率，200K的电阻决定了接收的中心频率为40KHZ，使用CX20106A存在一些优缺点：优点：简单易用，电路简单，减少了生产调制的麻烦。缺点：必须保证接收到的信号为40KHZ，否则无法解调。CX20106A管脚图如图3.10所示。图3.10CX20106A管脚图超声波接收电路原理图如图3.11所示：图3.11超声波接收电路原理图HC-SR04超声波发射接收模块与用T40、R40和CX10206A制成的超声波发射接收模块的比较如表3.4所示：表3.4HC-SR04模块与T40、R40和CX10206A模块对比HC-SR04模块T40、R40和CX10206A模块精度≥3mm≥1cm最远射程4m2~3m最近射程2cm10cm测量角度15°成本17元24元如表3.4可以看出，使用HC-SR04超声波发射接收模块成本低、精度高、射程远；同时由于使用CX20106A芯片和T40、R40制成的超声波发射接收模块，必须保证接收到的信号为40KHZ，否则无法解调出来，即无法计算出距离。HC-SR04超声波发射接收模块就解决了这个问题，其发射信号的频率比较稳定，发射超声波的个数比较合理。其次，使用HC-SR04超声波发射接收模块编程很简单，只需给TRIG一个10µS以上的高电平即可发射出频率为40KHZ的超声波，调试简单；而用方案二制成的超声波发射接收模块编程则相对复杂，而且发射出的超声波频率不够稳定，与程序和硬件皆有关系，调试时相对麻烦。综上各优点，本设计采用方案一来实现超声波的发射与接收，即使用HC-SR04超声波发射接收模块。3.2.4声光报警模块声光报警电路主要由一个有源蜂鸣器、两个发光二极管、一个PNP三极管等组成。D1表示绿色发光二极管，D2表示红色发光二极管。当障碍物到传感器的距离小于预置距离时，将P1.3置0，使红色发光二极管闪烁，同时将P1.4置0，使三极管的发射极与基极导通，有足够使蜂鸣器发出声音的频率电流流过蜂鸣器，蜂鸣器响，从而实现声光报警提示。声光报警原理图如图3.12所示。3.2.5复位电路单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的RST施加两个时钟周期以上高电平的震荡脉冲，单片机即可实现复位。在复位期间，单片机的ALE和引脚均输出为高电平。单片机的复位电路有上电复位、手动加上电复位、看门狗复位等电路，各复位电路如下：上电复位电路利用RC电路的充放电效应即为上电复位的基本原理，电路如图3.13所示。当系统上电后，复位电路给RST引脚一个短暂的高电平信号，这个信号随电容的充电而逐渐降低，高电平持续时间和RC电路的充放电时间有关。手动加上电复位电路本设计就是使用手动加上电复位电路，因为在实践应用中，使用此复位电路既可以手动复位又可以上电复位电路，这样就可以人工复位系统，上电复位电路的部分原理也是利用RC电路的充电效应，此复位电路原理图如图3.14所示。当按键开关被按下时，VCC通过一个电阻连接到RST引脚，给它一个高电平信号，按键松开时，RST恢复为高电平，复位完成。定时监视器复位定时监视器复位的原理是采用单片机部的看门狗来实现复位的操作。图3.12声光报警电路图3.13上电复位原理图3.2.6DS18B20温度补偿电路DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的采用1-Wire总线技术的典型产品。它可以将被测温度直接转换成数字量，因此单片机可以方便地通过串行总线实现读取。由于1-Wire具有成本低、节省I/O口、抗干扰能力强、便于总线扩展和维护等特点。DS18B20通过编程后，可以实现9~12位的温度度数。图3.14上电复位加手动复位原理图1.DS18B20的工作性能如下:●1-Wire数据通信。●可用数据线供电，电压围3~5.5V。●最高12位分辨率。●12位分辨率时的最大工作周期为750ms。●可选择寄生工作方式。●检测温度围为-55℃~+125℃。●被测温度在-10℃~+85℃时，精度为±0.5℃。●置E2PROM，限温报警功能。●64位光刻ROM，置产品序列号，方便多机挂接。●封装形式多样。●负压特性。电源极性接反时，芯片不回烧毁。3.2.6.1DS18B20部结构与测温原理DS18B20的部框图如图3.15所示，它主要包括寄生电源电路、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余效验码（CRC）发生器等七部份。DS18B20是通过一种片上温度测量的技术来测量温度的。DS18B20部温度测量电路方框图如图3.16所示。测温电路初始工作时，温度寄存器被预置位-55℃，同时计数器1也被预置与-55℃相对应的预置数。然后，计数器1从预置数开始减计数直至减至0时，温度寄存器的温度图3.15DS18B20部结构图图3.16DS18B20测温电路方框图（a）(b)(c)图3.17（a）三引脚T0-92DS18B20(b)8引脚µSOPDS18B20（c）8引脚150milSODS18B20值就会加1℃，这时计数器1的预置数也改为由斜率累加器来提供。此后，温度寄存器的数值是随计数器1的工作不断修改的，只有当计数器2的预置数减到0时，温度寄存器的温度值才会停止变化。3.2.6.2DS18B20的封装形式与引脚功能DS18B20有8引脚SO封装、8引脚µSOP封装以与3引脚T0-92封装三种形式。其各封装与引脚如图3.17所示：三引脚TO-92DS18B20引脚和引脚功能如表3.5所示。表3.5DS18B20对ROM的操作命令引脚号（T0-92）引脚名称引脚功能1GND接地2DQ数据输入输出引脚3VDD可选VDD引脚，当工作在寄生电源时，该引脚接地3.2.6.3DS18B20的供电方式DS18B20可以采用两种供电方式，即外部供电方式和寄生电源供电方式。当采用外部供电方式时，如图3.18所示。此时DS18B20可以接5V或3.3V的电源，但GND必须接地。如图3.19所示为DS18B20的寄生电源时供电方式。此时，DS18B20的VDD引脚必须接地。同时，为了使DS18B20得到足够的工作电流，应给1-Wire提供一个强上拉，一般可以用一个场效应管将I/O线直接拉到电源上。DS18B20从1-Wire单总线上汲取能量，当信号线DQ处于高电平时把能量存储在部电容里，当信号线DQ处于低电平时消耗电容存储的能量，直到高电平到来，再给DS18B20部的寄生电源充电。值得注意的是，当温度超过100℃时，则不推荐使用寄生电源供电方式，应采用外部电源供电方式。图3.18DS18B20外部供电方式图3.19DS18B20寄生电源供电方式图3.20温度补偿电路原理图本设计采用外部供电方式，其测温原理图如图3.20所示。其编写程序步骤如下：DS18B20初始化；操作指令读；操作指令写；温度转换；读取温度值。3.2.7+5V电源模块本设计的电源时通过一个变压器将220V交流电转变为12V交流电，然后通过制成的+5V电源电源电路，经过整流、滤波、稳压，最后输出所需的+5V电压。此电源电路原理图如图3.21所示。图3.21+5V电源电路软件设计在单片机的开发与应用中，除了汇编语言外，还可以用C语言。单片机C语言既有汇编语言操作底层硬件的能力，又有高级语言的许多优点。因此，本设计主要采用C语言编写。本章节主要讲述本设计的软件设计以与系统各模块程序的编写。4.1软件整体设计众所周知，汇编语言是一种面向机器的程序语言，指令执行速度快，执行时间固定，故其效率很高，但其语言格式比较晦涩、可读性差、难以编写和调试，也不便于移植。而单片机C语言在结构上更易于理解，可读性强，开发速度快、可靠性好、便于移植。虽然本设计的温度传感器对时间精度要求高，但经过仔细计算得出的C语言已被广泛应用，故直接用已有的程序也能做到对温度的精确读取，所以本设计全部使用C语言编程。系统开发环境主要包括Windows7的PC机、KeiluVision4和STC_ISP_V480下载器。流程为先在PC机平台上用KeilUV4编写好程序，然后通过STC_ISP_V480下载器将程序烧到单片机上反复调试和修改，达到要求，完成设计。图4.1为主程序路程图：图4.1系统主程序流程图本系统上电后，首先将系统初始化，DS18B20初始化，然后不断扫描按键K1是否按下，如果K1按下，则开始测量当前环境温度，给 P1.0一个10µS以上的高电平，使HC-SR04模块发射出8个40KHZ的超声波，同时定时器T0开始计时。CPU循环检测P3.2引脚，当P3.2为低电平时，外部中断0开始中断，同时绿灯亮，表明接收到回波，立即停止定时器0计时，保存定时器的计数值。之后根据温度传感器测量温度，进行温度补偿，由速度与时间的关系计算出障碍物与传感器之间的距离并通过数码管显示出来。4.2系统主要模块程序设计4.2.1超声波发射程序与接收中断子程序超声波发射程序是通过P1.0端口发送8个40KHZ的超声波脉冲信号，在发射超声波的同时把定时器0打开进行计时，定时器0工作在方式1。超声波测距主程序是利用外部中断0检测超声波回波信号，P3.2口一旦接收到回波信号，则外部中断0立即执行中断，将定时器0关闭使其停止计时，并将测距成功标志位置1，以此同时绿灯亮，表示成功接收回波信号。超声波发射程序如下：Trig=1；delay_20us()；Trig=0；超声波成功接收（外部中断0）程序如下：INT0_()interrupt0//外部中断是0号{outcomeH=TH0;//取出定时器的值outcomeL=TL0;//取出定时器的值flag=1;//至成功测量的标志}超声波发射接收流程图如图4.2所示：4.2.2DS18B20访问程序通过1-wire总线端口访问DS18B20的流程图如图4.3所示，DS18B20需要严格的时序协议才能实现1-Wire总线通信。图4.2超声波发射接收程序流程图图4.3通过单总线访问DS18B20流程图调试与检测第3、4章介绍了本设计的硬件设计与软件设计，因此本章节主要讲述本系统设计后的成品检测与调试，包括软硬件测试、误差分析、误差来源、解决方案等。5.1硬件测试调试时使用到的仪器设备和软件如表5.1所示：表5.1仪器设备与软件名称数量备注数字万用表1台用于检测电阻阻值、三极管的好坏以与线路的通断等示波器1台检测输出脉冲是否为方波、频率是否为40KHZ计算机1台做毕业设计的平台STC_ISP_V480下载器1把编好的程序写进单片机，以对系统进行调试KeiluVision41编译程序AltiumDesigner1画电路原理图与PCB图硬件测试主要是测试STC89C51的P1.0引脚能否发出40KHz方波、超声波的发射接收、数码管显示以与蜂鸣器、LED发光等模块电路的测试，硬件电路测试结果如表5.2所示：表5.2硬件电路测试结果测试单元测试结果超声波的发射接收电路能发射接收信号数码管显示电路4位数码管能正常显示距离蜂鸣器功能正常P1.0引脚功能正常DS18B20功能正常发光LED能正常亮灭通过以上结果可知，本设计系统可以正常工作。系统检测距离与实际距离对照表5.3所示：（当前测试时的环境温度为27℃）表5.3系统检测距离与实际距离对比数码管显示距离（cm）193039495769778897108118127138实际距离(cm)2031405060708090100110120130140误差(cm)1111313232232从表5.3可以看出，当检测距离小于70cm时，系统误差相对距离大于70cm的小。系统测试时，发现当测试距离超过90cm时，数码管显示的数字比较暗，可能是因为超声波发射越远，需要的能量就越大，所以在测量距离大时，数码管显示的数据有所变暗。其次，数码管显示的数据有点闪烁，经过延时调试仍未能得到解决。5.2软件测试软件测试主要是检测程序是否正确以能触发HC-SR04发出脉冲、DS18B20能否正常初始化、数据能否正常发送给P0口显示等。LED1绿灯正常亮，说明HC-SR04能接收到回波信号，触发程序正确；当所测距离小于10cm(预置值)时，LED2红灯亮、蜂鸣器发出声音实现声光报警提示，数码管显示程序正确；DS18B20能正常工作，正确显示当前环境温度。5.3结果分析通过对系统硬件与软件的不断测试，系统现已可以实时显示测试的距离，并可以根据温度对超声波的速度进行温度补偿，从而进一步提高测量距离的精确度。当量程小于10cm有声光报警，距离大于200cm时数码管显示CCC，温度大于90℃时蜂鸣器报警。本设计系统功能虽然不是非常完善，部分问题尚未能解决，但是基本达到选题要求。产品可以方便使用，而且成本低廉，在矿井探测和倒车测距等方面本系统具有很高的应用价值。5.4误差来源晶振和两个电容离单片机过远，影响系统误差。实际中应该要使晶振离单片机越近越好，两个电容离晶振越近越好，这样可以使系统误差尽可能减小。但由于做好板子后，上网查到相关信息才发现自己在布板方面存在的问题，由于经费和避免资源浪费，发现后就不重新再做板子了；温度是影响测量误差的关键。超声波在不同温度下的传播速度不同，因此测量时候进行温度补偿是解决此问题的好方法，但温度补偿仍然存在一定的微小误差；湿度也是影响系统误差的一个重要因素，干燥空气的声速为：C=C0（2）其中，正常情况下，标准状况下干燥空气中的声速为C0=331.45m/s，而在室温t℃时，T0=273.15K。而实际空气并不完全是干燥的，总会含有一些水蒸气，经过对空气平均摩尔质量和比热比此γ的修正。修正后的声速公式为：C=331.45（3）式中：为水蒸气的分压强，取=1.01325×105Pa；T0为273.15K；t为测量的空气温度；C为经补偿后的声速。由此可见，由于本设计未采取湿度补偿，由此由于湿度等因素，系统存在一些误差。5.5解决方案本设计中系统的误差有计数误差和系统误差。计数误差一般存在量化误差、时基误差和触发误差；而系统误差主要由温度和湿度引起的，这是因为距离S=V×T，超声波的在空气中的传播速度因温度和湿度的不同而不同。为了提高测量精度，解决的方案有中值滤波发，如文献[4]所示；采用温度、湿度双补偿方法可以进一步提高系统测量精度，如文献[5]所示，由于技术限制，本设计只采用温度补偿，但测量误差在允许围；采用延时技术可以解决超声波发射极和接收极距离太近所造成的串扰问题，如文献[6]所示；采用变阀值鉴幅固定补偿法，如文献[7]所示，可以减少误差，提高测距精度；同时，文献[8]-[11]中还提出了其它一些提高测量精度的方法。5.6本设计所做工作为完成本系统的设计，查阅了大量的网络资料和重要文献，较为全面地了解超声波发射与接收原理，进一步了解单片机的开发与应用。此外，还掌握了数码管、DS18B20和蜂鸣器的应用。硬件设计方面，详细了解各模块具体的设计方案。在熟悉各功能模块的基础上，自己绘电路原理图和PCB布线，做好了超声波发射和接收的硬件模块，虽然发射和接收模块是前期所做的失败品，后期改用HC-SR04模块，但在这一阶段我了解了CX20106A的工作原理与应用。在整个系统调试过程中多次用到示波器等仪器，现已较熟练地掌握了示波器等仪器的使用。软件设计方面，超声波发射程序最初是采用单片机部的定时器/计数器0定时中断产生40KHz的脉冲，但由于经示波器调试很久后，都未见有合适的脉冲输出，故后期改为用HC-SR04模块来发射接收超声波。同时，由于DS18B20对时间延时要求比较高，如果延时不够精确，则将会使DS18B20初始化失败。为此，我通过网上查找资料，学会了用软件精确延时的方法来确定延时的时间。软硬件调试方面，通过对每个模块和功能的不断测试和修改完善，最终得出成品。总结与展望本设计的超声波测距系统具有结构简单、操作灵活、功耗低、小成本的特点，它具有良好的人机界面，能方便实时显示测量的距离。在实际制作中添加了DS18B20温度补偿电路来减小测量误差。本系统能进行声光报警提示和实时显示测量距离，能很好应用于汽车行进或倒车中，对汽车前后方的障碍物进行检测，与时显示障碍物的距离与声光报警处理。该系统比较适合应用于倒车与夜间行驶等情况下。虽然系统最终得以完成，但仍存在部分缺陷，仍有一些功能需要提高：此系统测试距离比较近，如果能设计一个具有较强驱动能力的超声波发射电路与接收电路，系统测得距离会更远；单片机系统板的DS18B20跟蜂鸣器距离有点近，这也是本设计的一个缺陷，当蜂鸣器响导通时会发热，影响温度补偿的精度，布PCB图时应把DS18b20与发热器件隔开；本系统还欠缺语音实时播报功能以与湿度补偿功能。词通过本次毕业设计，我意识到要做好一个完整的作品不容易！要想做好一个产品，不仅仅只是考虑它的效果，能实现多少功能，我们还要认真考虑一个产品的成本、性能的好坏、适用围、精度等。在做毕设的过程中我学会了很多知识，如在硬件布置方面，晶振离单片机越近越好，其两个电容离晶振越近越好，这样就尽可能减小系统误差；画PCB上，避免在PCB边缘安排重要的信号线，如时钟和复位信号等，经过本次设计的PCB，我能熟练地使用AltiumDesigner这个软件来画原理图和PCB；在编程方面，我原来只是有汇编的基础，但由于本次设计，我经过到图书馆借阅相关书籍自学单片机C51语言编程，现在我的C语言水平有了很大的提高。其实，在本次毕设过程中我学会最重要的是一种心态，一种做任何事都要耐心、执着专研的精神。当我在程序编写过程中遇到问题时，如超声波发射接收模块的发射程序有所困难时，我认真上网查找资料，了解其工作原理，最后一步一步调试程序知道成功；最初使用AltiumDesigner软件画PCB图和原理图时，我对这个软件不是很熟悉，最后通过同学的指导，我掌握了使用这个软件的技巧，并学会画了元件封装库，自从学会了这个技能之后，我就再也不用担心画PCB时没有合适的封装库了，之后我还帮助了很多同学解决这方面的困难。在本次毕设中，最让我头痛的其实是DS18B20的程序编写，由于时序要求，其延时时间要求很高，尽管我专研了一个星期多还是没能把它的温度成功显示在数码管上。我非常荣幸能有这样的机会进行这样的设计，每一次的学习都是进步，通过困难，然后学会去解决困难，让我进步很快。无论是通过网上查阅资料还是在同学的帮助指导下，我的进步都是飞跃的。最重要的是，在此次毕设中震老师对我的悉心教导，在他的指导下，我的理论知识和实践动手能力都有很大的提高，非常感老师对我的帮助，耐心指导我的论文的修改，在此我要向老师表示真诚的感。最后让我再次向在这次毕业设计中帮助过我的人，真诚的说声：！参考文献[1]建领，催昭霞.精通51单片机开发技术与应用实例..电子工业，2012：591~596．[2]王红云，志敏，王竹林等编著.超声波测距系统设计.仪表技术，2010，11：47~49．[3]项琦明.具有强代换功能的红外遥控接收电路CX20106A.电子世间，1994．（01）：7~8.[4]德虎.基于超声波的高精度测距系统的研究[J].科技大学学报,2007,25(04)：111~113.[5]林伟,梁家宁,才安.便携式多功能超声波测距仪的设计与实现[J].电子测量技术,2008,31(01)：91~93．[6]王安敏,凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器，2006，06：45~48．[7]戴曰章,吴志勇.基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计[J].计量与测试技术,2005，32(02)：17~19.[8]翠云,广耀,戎海龙.汽车倒车系统中超声波测距模块的设计[J].压电与声光,2008，32(02)：251~254．[9]邹晓娥,良仁.基于单片机的超声波测距系统设计[J].职业技术学院学报,2006,03：25~26.[10]柴政，凌云.基于单片机的超声波测距设计与研究.科技信息（科学·教研），2007，26:193~194.[11]邓方华,邹毅,高飞燕.基于超声波测距的交互电子白板系统设计[J].仪表技术,2010,2:46~48.[12]TsutomuTanzawa,NoriakiKiyohiro,ShinjiKotanietal："TheUltrasonicRangeFinderforOutdoorMobileRobots．"IntelligentRobotsandSystems95．'HumanRobotInteractionand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#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlong#define jump_ROM 0xCC#define start 0x44#define read_EEROM 0xBEsbitDQ=P1^1; //DS18B20数据端sbitTrig=P1^0;//产生脉冲引脚sbitEcho=P3^2;//回波引脚sbitled1=P1^2;sbitled2=P1^3;sbitfmq=P1^4;sbitk1=P3^5;sbitk2=P3^6;sbitk3=P3^7;uinttime=0;bitflag; //超声波接收成功标志位unsignedcharconstledcode[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xBF,0xff/*-*/}; //数码管显示0~9，“-”以与全灭ucharoutcomeH,outcomeL,i;uintge,shi,bai;ulongdistance;floatv;voiddelay_20us(){ucharbt;for(bt=0;bt<30;bt++);}voiddelay_1(intn){inti;for(i=0;i<n;i++);}INT0_()interrupt0//外部中断是0号{outcomeH=TH0;//取出定时器的值outcomeL=TL0;//取出定时器的值flag=1;//至成功测量的标志}//**************主程序*************************//voidmain(void){ unsignedinttemp_T;//实际温度 DS18B20_Init(); temp_T=Get_Temp(); //时间到，读取温度 v=331.5+0.607*temp_T; TMOD=0x11;//定时器0，定时器1，16位工作