超声波测距设计毕业设计.docx

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超声波测距设计毕业设计

超声波测距仪

前言

超声波传感技术可以方便的应用在工业测、控系统，机器人感觉系统、行走系统中。

人类的耳朵只能分辨频率为20至2万赫兹的声音，频率比人的听频范围高的声波就叫做超声波。

不同的动物可听到的声波频率范围不尽相同。

超声波对于蝙蝠更为重要，这种动物是靠超声波来“看”世界!

蝙蝠先会发出一连串超声的尖叫声，声波遇到障碍物便会反射，就像我们向山谷拍手会听到回声一样。

由于超声波的频率高，相对较少出现绕射现象，所以回声十分清晰。

蝙蝠分析回声的方向和回传时间，便可以知道环境的精确图像。

同样的道理，可以更改频率获得能在空气中传播的超声波，这样的声波遇到障碍物的时候返回，因此，通过分析时间间隔的大小可以获得本体与障碍物间的距离，这样的检测称为无接触测量技术，有广泛的运用场合。

因此超声波装置尤其适用于存在/非存在监测、精确距离监测，或其它类型传感技术不能很好的发挥作用的应用领域，如监测透明或发光物体、充满雾气或尘埃的空气，或是喷射状液体，而且随着性能的提升，可以进一步取代其他的检测方式，以其便捷性和精度高等优势成为一种理想和被推荐的检测，有更广的应用前景。

目前，人们已经制成了许多超声波发生器。

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。

它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。

1实现方案

1.1设计方案：

采用单片机来控制的超声波测距仪

采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

原理框图如1-1所示：

图1-1采用单片机来控制的超声波测距仪

2工作原理

我们做的是基于单片机的超声波测距仪。

用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再用液晶显示屏进行数据的显示。

因为声音的速度会随着温度的变化而改变，所以，我们增加了温控装置，即通过温度传感器（18B20），把当前的温度信息传给单片机，再通过一定的算法，得到当前的声音速度。

操作者可以通过几个简单的按键完成测量方式的选择（实时监测、手动测量）。

由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，在由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

其中，D为换能器与障碍物之间的距离，C为波声传播速度，T为超声波发射到返回的时间间距。

本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用AT89C52单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路和数字电路构成超声波发射、接收模块。

由键盘，LED显示构成人机对话通道，以及温度传感器来构成由单片机最小系统来控制的超声波测距仪，其结构框图如下：

图2-1总结构框图

3部分芯片介绍

3.1AT89S52的简介

AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89S52芯片的管脚、引线与功能AT89S52芯片图如图3-1：

3.1.1引脚信号介绍：

P00～P07：

P0口8位双向口线

P10～P17：

P1口8位双向口线

P20～P27：

P2口8位双向口线

P30～P37：

P3口8位双向口线

访问程序存储器控制信号：

当

信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当

信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

ALE地址锁存控制信号：

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。

外部程序存储器读选取通信号：

在读外部ROM时

有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。

XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：

当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号。

RST复位信号：

当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

VSS：

地线

VCC：

+5V电源

3.1.2P3口的第二功能如表3-1

口线

第二功能

替代的专用功能

P3.0

RXD

串行输入口

P3.1

TXD

串行输出口

P3.2

外部中断0

P3.3

外部中断1

P3.4

定时器0的外部输入

P3.5

定时器1的外部输入

P3.6

外部数据存储器写选通

表3-1P3口的第二功能

3.1.3AT89S52的总线结构

AT89S52的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口部分P3外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。

这些管脚构成了三总线形式，即：

（1）地址总线（AB）：

地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接地址外围为64K字节。

16位地址总线由P0经地址锁存器提供低8位地址（A0～A7）；P2口直接提供高8位地址（A8～A15）。

（2）数据总线（DB）：

数据总线宽度为8位，由P0口提供。

（3）控制总线（CB）：

由部分P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、

、ALE、

组成。

AT89C52结构框图如图3-2所示：

3.2温度传感器DS18B20

经过综合考虑，我们采用美国达拉斯（Dallas）公司的单线数字温度计传感器芯片DS18B20作为温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同，DS18B20可直接将被测温度转化成数字信号，以供单片机处理，它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。

DS18B20具有以下特点。

1采用单线技术，与单片机通信只须一个引脚；

2通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，简化了分布式温度检测的应用。

3实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

4可通过数据线供电，电压范围为3~5.5V；

5不需备份电源；

6测量范围为-55~+125度，在-10~+82度范围内的误差为±0.5度

7数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择，可配置实现9~12V的温度读数；

8将12位的温度值转换为数字量所需时间不超过750ms;

9用户定义的、非易失性的温度告警设置，用户可自行设定告警的上下限温度；

10告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出设计预设告警界限的器件。

3.2.1温度传感器（DS18B20）的引脚分布图及其功能

单片机选用Atmel公司常用的单片机芯片AT89S52，它完全可以满足采集、控制、数据处理的需要。

芯片引脚如图3-3

图3-3温度传感器引脚图

引脚功能说明：

NC（1、2、6、7、8脚）：

空引脚，悬空不使用；

VDD（3脚）：

可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

DQ（4脚）：

数据输入/输出脚。

漏极开路，常态下高电平。

3.2.2单线（1-wire）技术

目前常用的微机和外设之间数据输出的串行总线有I2C总线，SPI总线等，其中，I2C总线采用同步串行两线（一根时钟线，一根数据线）方式，而SPI总线采用同步串行三线（一根时钟线，一根输入线，一根数据输出线）方式。

这两种总线需要至少两根或两根以上的信号线。

美国达拉斯半导体公司推出了一项特有的单线（1-wire）技术，该技术与上述总线不同，它采用单根信号线，即可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单线技术具有线路简单、硬件开销小、成本低、便于扩展的优点。

单线技术适用于单主机系统，单主机能控制一个或多个从机设备。

主机可以是微控制器，从机可以是单线器件，它们之间的数据交换、控制都由这根线完成。

主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放该线，而让其他设备使用。

单线通常要求外接一个约5K的上拉电阻，这样，当该线闲置时，其状态为高电平。

主机和从机之间的通信主要分为3个步骤：

初始化单线器件、识别单线器件和单线数据传输。

由于只有一根线通信，所以它们必须是严格的主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能答应，主机访问每个单线器件都必须严格遵循单线命令序列。

所有的单线器件都要遵循严格的协议，以保证数据的完整性。

1-wire协议由复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1这几种信号类型组成。

这些信号中，除了应符答脉冲，其他均由主机发起，并且所有命令和数据都是字节的低位在前。

3.2.3DS18B20有两种供电方式：

寄生电源和外部电源。

寄生电源简单说起来就是器件从单线数据线中“窃取”电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量储存在内部的电容器中，在单信号线为低电平时的时间期内断开些电源，直到信号线变为高电平，重新接上寄生（电容）电源为止。

寄生电源有两个优点。

·可实现远程温度检测而无须本地电源。

·没有正常电源条件下也可以读ROM。

为了使DS18B20能完成准确的温度变换，当温度变换发生时，DQ线上必须提供足够的功率。

因为DS18B20工作电流1。

5mA，4.7K的上拉电阻将使得DQ线没有足够的驱动能力。

如果多个DS18B20连接，而且同时变换时，这一问题将变得更为突出。

解决的方法是在发生温度变换时，在DQ线上提供强的上拉，比如用MOSFET管把DQ线直接拉到电源。

当面作用寄生电源时，VDD引脚必须接地。

DS18B20的另一种的供电方式是将VDD引脚接外部电源（3~5.5V）。

这种方法的优点是在DQ线上不要求强的上拉。

总线上的主机在温度变换期间不需要一直使DQ线保持高电平，这就允许在变换期间内其他数据在单线上传送。

而且，在单线上可以放置多个DS18B20。

如果它们都使用外部电源，那么通过发起“跳过ROM”命令，接着执行“温度变换”命令就可以同时完成各自的温度变换。

采用外部电源这种方式时，GND（地）引脚不可悬空。

DS18B20的单线协议和命令：

·初始化

单线总线上所有操作均从初始化开始。

初始化过程如下：

主机通过拉低单线480us以上，产生复位脉冲，然后释放该线，进入RX接收模式。

主机释放总线时，会产生一个上升沿。

单线器件DS18B20检测到该上升沿后，延时15~60us，通过拉低总线60~240us来产生应答脉冲。

主机接收到本机的应答脉冲后，说明有单线器件在线。

·ROM操作命令

一旦总线主机检测到应答脉冲，便可以发起ROM操作命令。

共有5位ROM操作命令，如下表所示

ROM操作命令

命令类型

命令字节

功能说明

ReadRom

（读ROM）

33H

此命令读到激光ROM中的64位，只能于总线上单个DS18B20器件的情况，多挂接则发生数据冲突。

MatchRom

（匹配ROM）

55H

此命令后跟64位ROM序列号，寻址多挂接总线上的对应DS18B20，只有序列号完全匹配的DS18B20才能响应后面的内存操作命令，其他不匹配的将等待复位脉冲。

此命令可用于单挂或者多挂接总线。

SkipRom

（跳过ROM）

CCH

些命令用于单挂接总线系统时，可以无须提供64位ROM序列号即可运行内存操作命令。

如果总线上挂接多个DS18B20，并且在此命令后执行读写命令，将会发生数据冲突。

SearchRom

（搜索ROM）

F0H

主机调用此命令，通过一个打排除法过程，可以识别出总线上所有器件的ROM序列号。

AlarmSearch

（告警搜索）

ECH

此命令流程和SearchRom命令相同，但是DS18B20只有在最近的一次温度测量时满足了告警触发条件，才会响应此命令。

·内存操作指令

在成功执行了ROM操作命令之后，才可以使用内存操作命令。

主机可提供6种内存操作命令。

命令类型

命令字节

功能说明

WriteScratchpad

（写暂存器）

4EH

此命令写暂存器地址2~地址4的3个字节在发起复位脉冲之前，3个字节都必须写。

ReadScratchpad

（读暂存器）

BEH

此命令读取暂存器内容，从字节0一直读取到字节8。

主机可以随时

发起复位脉冲以停止此操作。

CopyScratchpad

（复制暂存器）

48H

此命令将暂存器中内容复制进EERAM，以便将温度告警触发字节存入非易失内存。

如在

此命令后主机产生读时隙，那么只要器件在进行复制就会输出0，复制完成后再输出1。

ConvertT

（温度转换）

44H

此命令开始温度转换操作。

如果在引命令后主机产生读时隙，那么只要器件在进行温转

换就会输出0，转换完成后再输出1。

RecallE2

（重调E2存器）

B8H

将存储在EERAM中的温度告警触发值和配置寄存器重新拷贝到暂存器中。

此重调节操作在DS18B20加电时自动产生。

ReadPowerSupply

（读供电方式）

B4H

主机发起此命令后的第个读数据时隙内，DS18B20会发信号通知

它的供电方式：

0为寄生电源方式，1为外部供电方式。

·数据处理

首先来看写时隙。

当主机将数据线从高电平拉至低电平时，产生写时隙。

有2种类型的写时隙：

写“1”和写“0”。

所有写时隙必须在60us以上（即由高拉低后持续60us以上），各个写时隙之间必须保证最短1us的恢复时间。

DS18B20在DQ线变低后的15~60us的窗口对DQ线进行采样，如果为高电平，就为写“1”；如果为低电平就为写“0”。

对于主机产生写“1”时隙的情况，数据线必须先拉低，然后释放，在写时隙开始后的15us，允许DQ线拉至高电平。

对于主机产生写“0”时隙的情况，DQ线必须被拉至低电平且至少保持低电平60us。

再来看读时隙。

当主机从DS18B20读数据时，把数据线从高电平拉至低电平时，产生读时隙。

数据线DQ必须保持低电平至少1us，来自DS18B20的输出数据在读时隙下降沿之后15us内有效。

因此，在些15us内，主机必须停止将DQ引脚置低。

在读时隙结束时，DQ引脚将通过外部上拉电阻拉回至高电平。

所有的读时隙最短持续在60us，各个读时隙之间必须保证最短1us的恢复时间。

所有的读写时隙至少需要60us，且每两个独立的时隙之间至少需要1us的恢复时间。

在写时隙中，主机将在拉低总线15us内释放总线，并向DS18B20写“1”。

若主机拉低总线后能保持至少60us的低电平，则向单总线器件写“0”。

DS18B20仅在主机发出读时隙时才向主机传输数据，所以，当主机向DS18B20发出读数据命令扣，必须马上产生读时隙，以便DS18B20能传输数据。

3.3LCD显示器

LCD显示器是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向特性实现显示信息的。

液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低，显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。

液晶显示器按其功能可以分为三类：

笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。

前两种可以显示数字、字符和符号等。

而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。

字符形液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。

它是由若干个5*7或者是5*11等点阵符位组成的，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

点阵字符位之间，有一定点距间隔，这样就起到了字符间距和行距的作用。

要使用点阵型LCD液晶显示器，必须要有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD液晶显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的ROM和RAM来存储的写入的命令和显示字符的点阵。

现在往往将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器连接在一起，称为液晶显示模块LCM。

使用时只要向LCM送入相应的命令和数据就可以显示所需的信息。

目前市面上常用的有16字*1行、16字*2行、20字*2行和40字*2行等的字符液晶显示模块。

这些LCM虽然显示字数各个相同，但是都具有相同的输入输出界面。

3.3.1字符型液晶显示模块RT-1602C的引脚功能

RT-1602C采用标准的16脚接口，各引脚情况如下：

第1脚：

VSS，电源地；

第2脚：

VDD，+5V；

第3脚：

VL，液晶显示偏置电压；

第4脚：

RS，数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

读/写选择，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和

共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为低电平

为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平时

为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E，为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。

第7至14脚：

D0至D7，为8位双向数据线。

第15脚：

BLA，背光源正极

第16脚：

BLK，背光源负极

3.3.2字符型液晶显示模块RT-1602C的内部结构

液晶显示模块RT-1602C的内部结构可以分为三部分：

一、LCD控制器，二、为LCD驱动器，三、LCD显示装置。

如图3-4所示。

图3-4晶显示模块RT-1602C的内部结构

控制器采用HD44780，驱动器采用HD44100。

HD44100是集控制器、驱动器于一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。

HD44100是作扩展显示字符位的。

HD44780是字符型液晶显示控制器的代表电路。

HD44780集成电路的特点：

（1）可选择5*7或5*10点字符。

（2）HD44780不仅可以作为控制器，而且还具有驱动16*40点阵液晶像素能力，并且HD44780

的驱动能力可通过外接驱动器扩展360列驱动

HD44780可控制的字符高达每行80个字，也就是5*80=400点，HD44780内藏有16路行驱动器和40路列驱动器，所以HD44780本身就具有驱动16*40点阵LCD的能力（即单行16个字符或两行8个字符）。

如果在外部一HD44100外扩展多40路/列驱动，则可驱动16*2LCD。

（3）HD44780的显示缓冲区DDRAM、字符发生存储器（ROM）及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯处内。

HD447803有80个字节的显示缓冲区，分两行，地址分别为00H-27H，40H-67H，它们实际显示地址的顺序跟LCD的型号有关，液晶显示模块RT-1602C的显示地址与实际显示位置关系如图所示。

这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符教都有一个固定的代码。

如数字“1”的代码是00110001B（31H），又如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），可以看出英文字母的代码与ASCII编码相同。

要显示“1”时，只需将ASCII码31H存入DDRAM指定的位置，显示模块将在相应的位置把数字“1”的点阵字符图形显示出来，我们就能看到数字“1”了。

（4）HD44780具有8位数据和4位数据传输两种方式，可与人4/8位CPU相连。

（5）HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。

3.3.3指令格式与指令功能

LCD控制器HD44780内有多个寄存器，通过RS和

引脚共同决定选择哪一个寄存器选择情况见表

HD44780内部寄存器选择表

寄存器及操作

指令寄存器写出入

忙标志和地址计数器读出

数据寄存器写入

数据寄存器读出

总共有11条指令，它们的格式和功能如下：

（1）清屏命令

格式：

功能：

清除屏幕，将显示缓冲区DDRAM的内容全部写入空格（ASCII20H）。

光标复位，回到显示器的左上角。

地址计数器AC清零。

（2）光标复位命令

格式：

功能：

光标复位，回到显示器的左上角。

地址计数器AC清零。

显示缓冲区DDRAM的内容不变。

（3）输入方式设置命令

格式：

I/D

功能：

设定当写入一个字节后，光标的移动方向以及后面的内容是移动的。

当I/D=1时，光标从左向右移动，I/D=0时，光标从右向左移动。

当S=1时，内容移动，S=0时，内容不移动。

（4）显示开关控制命令

格式：

功能：

控制显示的开关，当D=1时显示，D=0时不显示。

控制光标开关，当C=1时光标显示，C=0时光标不显示。

控制字符是否闪烁，当B=1时字符闪烁，B=0时字符不闪烁。

（5）光标移位置命令

格式：

S/C

R/L

﹡

功能：

移动光标或整个显示字幕移位。

当S/C=1时整个显示字幕移位，当S/C=0时只光标移位。

当R/L=1时光标右移，R/L=0时光标左移。

（6）功能设置命令

格式：

﹡

功能：

设置数据位数，当DL=1时数据为8位，DL=0时数据位为4位。

设置显示行数，当N=1时双行显示，N=0时单行显示。

设置字形大小，当F=1时5*10点阵，F=0时为5*7点阵。

（7）设置字库CGRAM地址命令

格式：

CGRAM的地址

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