单片机的超声测距系统的设计方案.docx

1、单片机的超声测距系统的设计方案编号淮安信息职业技术学院毕业论文题 目基于单片机的超声测距系统的设计学生姓名韩露学 号15011315院 系电子工程学院专 业应用电子系班 级150113指导教师丁向荣顾问教师俞学刚二一四年六月摘要随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用成为研究热点，但就目前的水平来说，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。本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由AT89S52控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，用四位LC

2、D数码管切换显示距离和温度。通过硬件和软件实现了个各个功能模块，此系统模块具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。实现后可应用于需要测量的测距参数的各种应用场合。关键词：AT89S52；超声波；测距；AbstractWith the rapid development of science and technology, the application of ultrasonic wave in the range finder has become a hot topic, but the current level of technology, people can

3、use the specific location is very limited. Therefore, it is a booming and technology and industry have unlimited prospects.The design introduces the principle of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMC-controlled: AT89S52controls timers to produce the ultrasonic wave pulse and t

4、ime,count the time of ultrasonic wave spontaneous emission to receive round-trip,thus obtains the measured distance.Andthe temperature compensation adjustment is usedin the data processing, with four LCD nixie tubes display distance or temperature by switching.It has given the system constitution, t

5、he circuitry and the programming. The instrument system has features: ease of control, stability of operation, highness of precision and distinctness of programme process ,etc. After the realization of the works can be used for needs of the various parameters measured distance applications.Keywords:

6、AT89S52。 Ultrasonic wave。 Measure distance。 摘要IAbstractIII目 录V第一章 绪论11.1 单片机应用系统概述11.2 超声波测距系统概述21.3本设计任务的主要内容21.3.1 超声波测距仪设计21.3.2 硬件电路的设计21.3.3 样机实验测试31.3.4 误差分析3第二章 超声波测距的原理52.1 超声波的基本理论52.1.1超声波的传播速度52.1.2超声波的物理性质52.1.3超声波对声场产生的作用62.1.4 超声波传感器62.2 超声波测距系统原理7第三章 系统主要硬件设计93.1 方案论证与比较93.1.1超声波发射电路9

7、3.1.2超声波接收电路103.2单片机主机系统电路123.2.1单片机电路133.2.2 复位电路143.2.3 时钟电路143.2.4 按键电路143.2.5 蜂鸣器电路143.3超声波发送电路153.4超声波接收电路163.5 温度采集DS18B20电路173.6 LCD显示电路173.7 电源电路18第四章 软件流程图21第五章 实验分析235.1 误差分析235.2 改进23第六章 总结与展望256.1总结256.2展望25致谢27参考文献29第一章 绪论1.1 单片机应用系统概述单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领

8、域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的IT应用之一。嵌入式系统的应用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命”的现代化智能系统。嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的设备中，单片机作为嵌入式系统的核心部件，其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果，常常无需对硬件资源做任何改动，只需更新系统软件就能使系统功能升级。现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域，主要可以归纳为以下几个

9、方面。1）军事装备：各种武器控制火炮控制、弹道控制、炮弹引信等），坦克、舰船、轰炸等各种电子装备，雷达、电子对抗、军事通讯装备等。2）家用电器：各种家电产品，如数字电视、机顶盒、数码相机、VCD、DVD、可视电话、洗衣机、电冰箱、手机、智能玩具等。3）工业控制：各种智能仪器仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统、工业机器人、机电一体化设备、汽车电子设备等。4）商用设备：各种收款机、POS系统、电子秤、条形码阅读器、商务终端、IC卡输入设备、自动柜员机、防盗系统等。5）办公用品：复印机、打印机、传真机、扫描仪、手机、个人数字助理PDA）、变频空调设备、通信终端、程控变换机、网络设备等。6）

10、医疗电子设备：各种医疗电子仪器，如X光机、超声诊断仪、心脏起搏器、监护仪器等，以及辅助诊断系统、专家系统等。单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如下：图 1-1设计步骤1.2 超声波测距系统概述在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，因此超声波测量距离技

11、术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。1.3本设计任务的主要内容1.3.1 超声波测距仪设计1） 测量距离 方案的论证； 2 元件的选择； 3 用Protel 99SE绘制原理图。1.3.3 样机实验测试1 实验检查； 2 测试数据。1.

12、3.4 误差分析1）误差的分析； 2）改进。第二章 超声波测距的原理2.1 超声波的基本理论超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。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。超声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。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。2.1.1超声波的传播速度超声波在介质中可以产生三种形式的振

13、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。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。超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。2.1.2超声波的物理性质当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射；另一部分透射过界面，在相邻的介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。(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

14、样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图2-1所示。图 2-1 声波反射(2超声波的衰减当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。在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下：(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。若以两个频率相同，振幅和波程不等，波程差为d的两个波干涉为例。从上式看出，当d=0或d= 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。

15、(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。2.1.4 超声波传感器超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种

16、机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。超声波传感器结构如下：图 2-2 元件内部结构 图 2-3 超声波外部结构2.2 超声波测距系统原理在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=12vt

17、。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45M/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫M级。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340M 分立元件构成的发射电路图 3-1 分立元件构成的超声波发射电路图3-1是由两只普通低频小功率三极管C9013构成的振荡、驱动电路，三极管T1、T2构成两级放大器，但是由于超声波发射头的正反馈作用，这个原本是

18、放大器的电路变成了振荡器。超声波发射器的压电晶片可等效于一个串联LC谐振电路，具有选频作用，因此该振荡器只能振荡在超声波发射头的固有谐振频率 。第二个图中用电感L替代 这样可以增大激励电压，使其具有较大的功率输出。图3-2为由555集成芯片构成的振荡、调制、激励电路。该电路应使用双极型555内部电路由普通三极管构成），不宜使用单极型7555由分立元件构成的接收电路图3-4 为由三极管T1,T2和若干电阻电容组成的两级阻容耦合交流放大电路。第一级中 为集电极负载电阻； 为偏流电阻，同时引入了交直流并联电压负反馈，可以较有效的稳定静态工作点，改善非线性失真以及增益的稳定性； 是发射极负反馈电阻，引

19、入直、交流串联电流负反馈，具有稳定工作点、增益、改善失真、提高输入阻抗等作用。图 3-4 分立元件构成的超声波接收电路(2由运算放大器构成的接收电路1）一般式用运放组成的放大电路都要求对称的正负电源供电，这里以单电源供电，输出端的静态电位必须设置在1/2的电源电压，这由同相输入端的点位来确定， 和 分压取得1/2的电源电压加到运放的同相输入端，使其电位1/2电源电压。2）采用同相端输入方式其输入阻抗高，超声波接收传感器的输出信号接到放大器的同相端，有利于超声波传感器充分发挥接收灵敏度和自生的选频作用。3）反相端对地不提供直流通路，因此通过隔直电容提供直流通路。图 3-5 运放构成的超声波接收电

20、路(3 CX20186构成的接收电路图 3-6 CX20186构成的接收电路以上为常用的发射和接收电路，分立元件构成的收发电路容易受到外界的干扰，体积、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，所以首先考虑采用集成电路来组成收发电路。在由集成电路构成的收发电路中，发射电路我们选用由非门构成，接收电路采用由红外接收检波芯片CX20186构成，主要是考虑到系统的调试简单、成本低、可靠性好。3.2单片机主机系统电路本次我们采用了Atmel 公司的AT89S52,该单片机主要特点如下：(1 AT89S52系列单片机以8051为内核，兼容MC

21、S-51系列单片机。(2 AT89S52系列单片机内、内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写。(3 AT89S52采用静态时钟方式，可以节省电能。(4 AT89S52支持ISP AT89S52晶振频率高达24M，运行速度更快。(6 AT89S52价格也比较便宜 6元/片(7 增加了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。3.2.1单片机电路 图3-7 单片机主电路引脚功能：P0口用来送显示信号给LCD的数据为，P20P22送命令到LCD控制LCD的显示方式。P3.7为DS18B20温度数据采集端。P1.0接测量按键。3.2.2 复位电路单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲

22、即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如下：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S1时，使电容C1通过R1迅速放电，待S1弹起后，C1再次充电，实现手动复位。3.2.3 时钟电路当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XATL1和XATL2用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择3M24M，电容选择30pF左右。我们选择晶振为12MHz,电容33pF。图3-8时钟电路3.2.4 按键电路我们通过P1.0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，

23、电路原理如下：当按下按键时P1.0为低电平，单片机通过查询到低电平开始测量距离，当松开按键，P1.0即为高电平。在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。3.2.5 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。蜂鸣器时一块压电晶片，在其两端加上35V的直流电压，就能产生3KHz的蜂鸣声。电路如图3-9所示：3-9蜂鸣器电路3.3超声波发送电路超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头“也称为超声波换能器”）的型号选用CSB40T其中心频率为40KHz）。可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推

24、动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74LS04，具体电路如图：图 3-10超声波发送电路从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平，下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动CSB40T，只要控制信号接近40KHz，就能产生超声波。3.4超声波接收电路超声波接

25、收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20186，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。CX20186是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封装。图3-11 CX20186内部结构使用CX20186A集成电路对接收探头受到的信号进行放大

26、、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20186A的引脚注释。1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R4或减小C4,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C4的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R4=4.7，C4=1F。3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4脚：接地端。5脚：

27、该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8脚：电源正极，4.55V。3.5 温度采集DS18B20电路物理学告诉我们，超声波在空气中的传播速度为：。由此可见，超声波的速度和温度密切关系，即温度每增加1C，超声波速度约增加0

28、.61m/s，本次我们考虑温度补偿，以使我们的设计更加精确，温度的采集通常使用DS18B20一线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路图如下图所示。DS18B20是美国DALLS公司推出的DS1820的替代产品，具有9、10、11、12位的转换精度，未编程时默认的精度是12位，测量精度一般为0.5C，软件处理后可以达到0.1C，温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以0.0625C/LSB形式表达。其中高五位为扩展符号位。转换周期与转换精度有关，9位转换精度时，最大转换时间为93.7 ms，12位转换精度时，最大转换时间为750ms。DS18B20引脚判断方法是：字面朝人，从

29、左到右依次是1 GND）、2输入/输出）、3VDD）。3.6 LCD显示电路本设计采用LCD液晶显示屏显示。其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用YB1602液晶屏，1602显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2行16个字符。它具有16个引脚，其正面左起为第一脚:第一脚GND：接地。第二脚VCC：+5V电源。第三脚VO：对比度调整端。使用时通过接一个10K的电阻来调节。第四脚RS:寄存器选择信号线。第五脚RW:读写信号线。第六脚E：使能端，当E由高电平跳变为低电平时执行命令。第714脚：8位数据线D0D7。第十五脚BLA:背光电源正极输入端。第十六脚BLK:背光电源负极输入端。图3-12 LCD显示电路3.7 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，LM7805引脚排列和典型应用如下图：图 3-13 LM7805引脚和典型应用表3.1 LM7085电气参数：本设计电源电路如下：图 3-14