基于单片机的低频超声测距系统设计与实现文档格式.docx
《基于单片机的低频超声测距系统设计与实现文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的低频超声测距系统设计与实现文档格式.docx（50页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
s
standardofliving,speedingupthedevelopmentandconstructionofthecity,peoplefor
lifeandproductionrequirementsofsynchronousrise.inordertoadapttothemodern
people'
slifeandproductionrequirements,anon-contactproductionrangingwayis
invented。
Itisasilentwavemeasuringdistance.Asilentwavemeasuredistanceisa
goodperformancerangefinderway,itmainlyusedinboxculvertssewagedredge,
backingupradar,siteandsomeindustrialfield.
ThispaperintroducesadesignAT89S51asthecorewithlowcostandhighprecision,
miniaturizationleddisplayultrasonicrangefinder。
Thewholedesignusesahardware
circuitdesignmethodwithsoftwaredesign,hardwarearemainlybyAT89S51,
ultrasoundcircuit,ultrasonicreceivingcircuit,andleddisplaycircuitconstitutes,the
softwarearemainlybymainprogram,partlaunchsubroutines,receivingsubroutines,
displaysubroutinesetcmodule.ByAT89S51controlultrasonictransmittingand
receiving,andmeasuringthetransmissiontime,aftertheanalysisbychip,tobe
measureddistance,realizeultrasonicranging.
Provingbytheexperiment,ultrasonichasgooddirectionanddeeppenetrability,it
makesthissystemischaracterizedbysimpleoperation,highsafety,stronganti-jamming
capability,workingreliably,theadvantagesofhighaccuracy.itcaneffectivelysolvethe
urbanboxculvertssewagedredge,automobilebackingup,andconstruction,havevery
goodprospectsfordevelopment.
Keywords:
AT89S51,Silentwave,MeasureDistance
本页完第3页共40页目录1引言..............................................................11.1开发温度控制系统的意义..........................................11.2电热锅炉的发展..................................................11.3本文设计的内容与安排............................................22总体设计方案......................................................42.1系统方框图......................................................42.2工作过程........................................................42.3AT89S51单片机简介...............................................52.3.1AT89S51的特点与功能...........................................52.3.2AT89S51的管脚图及其功能.......................................62.4温度传感器DS18B20简介..........................................82.4.1DS18B20的特点.................................................82.4.2DS18B20芯片工作原理...........................................92.4.4DS18B20暂存寄存器分布........................................102.4.5DS18B20的操作................................................122.4.6DS18B20封装图及其硬件连接方式................................142.5LCD1602液晶屏..................................................152.5.1接口信号说明.................................................152.5.2RAM地址映射图................................................152.5.3基本操作时序及指令说明.......................................153水温控制系统的硬件设计...........................................183.1核心电路设计...................................................183.1.1单片机电源...................................................183.1.2单片机的复位电路.............................................183.1.389S51的时钟电路..............................................183.1.4单片机最小硬件电路组成.......................................203.2电热炉控制电路及报警电路的设计.................................203.3键盘控制电路的设计.............................................21本页完第4页共40页3.4显示电路的设计.................................................224水温控制系统的软件设计...........................................244.1主程序设计.....................................................244.2测温子系统软件设计.............................................264.3整体仿真效果图.................................................295总结与展望.......................................................33附录................................................................34参考文献.........................................................35
致
谢
本页完第5页共40页1绪论1.1设计的目的和意义
1.1.1设计的目的
随着科学技术的快速发展超声波将在测距仪中的应用越来越广。
但就目前技
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加高定位高精度
的方向发展以满足日益发展的社会需求如声纳的发展趋势基本为研制具有更
高定位精度的被动测距声纳以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要继续发展采
用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳实现超远程的被动探测和识别研制更适
合于浅海工作的潜艇声纳特别是解决浅海水中目标识别问题大力降低潜艇自噪
声改善潜艇声纳的工作环境。
无庸置疑未来的超声波测距仪将与自动化智能化
接轨与其他的测距仪集成和融合形成多测距仪。
随着测距仪的技术进步测距
仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能最终发展到具有创造力。
在新的世
纪里面貌一新的测距仪将发挥更大的作用【1】。
1.1.2设计的意义
随着科技的发展人们生活水平的提高城市发展建设加快城市给排水系统
也有较大发展其状况不断改善。
但是由于历史原因和城市建筑的许多不可预见
因素城市给排水系统特别是排水系统往往落后于城市建设。
因此经常出现开
挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。
城市污水给人们带来了困扰因
此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理人们生活舒适显得非常重要。
而
设计研制箱涵排污疏通移动机器人的自动控制系统保证机器人在箱涵中自由排污
疏通是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核心部分就是超声
波测距仪的研制。
箱涵排污疏通机器人它是一种水上操作机器人箱涵水下是淤泥
箱涵机器人在水上行走在机器人上安装淤泥抽取浑浊搅拌装置和浑水过滤装置
最后达到箱涵淤泥排污疏通系统一体化。
因箱涵内有瘴气、且环境复杂机器人上
的自动控制系统显得尤为重要【2】。
此控制系统实时给机器人提供机器人在箱涵中的
位置信息分析该信息应变各种可能的因素指导机器人避障、指导机器人控制本页完第6页共40页动力部分动作等如前进、后退、左转、右转等以顺利的完成作业。
无需人工协
作。
该机器人原理类似于清洗机器人。
因此也在此课题中分出这个子课题即超声
它既是控制系统的航标灯。
1.2超声波测距仪的发展现状
1.2.1国外超声波测距仪的现状
国外测距仪表早期大多采用机械原理但近年来随着电子技术的应用逐步向
机电一体化发展并且总结了许多新的测量原理。
在传统原理中也渗透了电子技术
及微机技术结构有了很大的改善功能有了很大的提高。
从国外测距仪表发展的
技术动向看当前国外测距仪新技术普遍应用。
普遍采用电子设计自动化（EDA）、
计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术
等。
呈现出
（1）智能化测距仪
（2）非接触测量方式的测距仪（3）新原理的小型测距【3】。
（1）人工检尺
利用皮尺测量距离这是至今仍然在全世界广泛使用的最简单方法人工测量
的精度一般存在人为因素误差。
（2）雷达测距仪
连续式微波测距仪[旧]这几年逐步推向市场。
它通常采用调频雷达原理利用同步
调频脉冲技术微波发射和接收器安装在发射点向需要被测物面发射频率调制的
微波信号。
当接收到回波信号时由于来回传播时间延迟发射频率已经改变了。
将两者信号混合处理所得信号的差频正比于发射点到被测物面之间的距离。
（3）激光测距仪
激光测距仪的测量原理是用光波代替超声波。
即传感器发射激光照射被测物
面接收反射光将从发射至接收的时间换算成距离。
激光光束是很窄在测距仪
中通过光学系统转换成约20mm宽光束这样即使被测物面很粗糙漫反射光也能
被传感器接收。
（4）y射线测距仪
该技术是基于射线对不同物质产生不同衰减的理论将放射源钻60或艳
137置于一个防护容器内放在被测介质的侧（此被测介质对y射线有一定的衰减
作用）在介质的另一面装有一个检测器当y射线穿透这个有一定厚度距离时
它被衰减其衰减率取决于被测介质的密度、吸收系数和厚度。
介质厚度越大衰本页完第7页共40页减越大接收器将y射线量变为光脉冲信号再由光电倍增管转换为电脉冲信号。
由于介质与y射线衰减量是非线性关系所以必须通过统计标定。
y射线测距特别
适用于传统测量仪表不能解决的测量问题因为测量件没有任何部件与被测介质相
接触。
E十H公司提出了一个“点放射棒探头接收”的概念这样放射源被降到
最小而且容易安装目前该公司研制的FMG671（用于液位测量）已经用于过程控
制。
（5）超声波测距仪
超声波测距仪是非接触测距仪中发展最快的一种。
该技术基于超声波在空气中
的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。
智能化的超声波测距仪带有一个
功能很强的智能回波分析软件包。
它可以将各种干扰过滤出来识别多重回波分
析信号强度和环境温度等有关信息这样即便在有扰动条件下读数也基本精确的。
1.2.2国内超声波测距仪的现状
在我国超声学的研究开始于二十世纪五十年代1959年至1964年间我国建
立了分子声学实验室对悬浮体的声吸收等问题进行了深入的研究设计生产了固
体中超声衰减的测量设备对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减的研究取得了令人
兴奋的成果。
同时在超声波探伤、加工、种子处理、显示、医疗等应用领域取得了
可喜的成绩。
表面波换能器的研究我国开始于1965年于1970年开始了高频表面
波的研究1977年我国研制成表面脉冲压缩滤波器。
在80年代以后我国的超
声研究进入了一个全新的阶断取得了一系列标志性成果压电复合材料研制成功
窄脉冲短余振探头问世PVDF高分子压电薄膜材料赶上并超过国际水平高分子
压电PVDF型换能器和超声显微镜的研究获得了实用高频压电材料LiNb03研制
成功。
在应用方面B超和A超医疗探头开始投入生产和医疗应用。
超声显微镜投
入应用。
总的来说我国在超声方面的研究在某些方面己走在了世界的前列【4】。
近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向
1、由定性的判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行
定量判断并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像;
2、向在线自动检测和仪器的智能化发展其中非接触超声测试技术取得突破
进展;
3、超声测试技术和材料的物性评价相结合材料的设计、加工和工程应用迅本页完第8页共40页速发展【5】。
综合国内外超声波测距仪精度都不高国内分辨率是lcm存在盲区技术
保密。
本文设计的测程较之前面所述的超声波测距仪稍短但精确度高误差为
4-3era分辨率是lmm且没有盲区。
在测量原理中激光测距仪测程远但是在
箱涵中受光线影响不适宜采用激光原理测距。
人工检尺方式不可能雷达造价高
射线需事先定性定量因此在箱涵中只能用超声波测距原理来设计测距仪。
1.3超声波测距仪的优缺点
1.3.1超声波测距仪的优点
1、超声波传播速度比较稳定光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、
热导率等对检测几乎无影响因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的距离
测量
2、与介质不接触无可动部件电子元件只以声频振动振幅小仪器寿命
长
3、不仅可进行连续测量和定点测量还能方便地提供遥测或遥控信号【6】
1.3.2超声波测距仪的缺点
1、当超声波传播介质温度或密度发生变化声速也将发生变化对此超声波
测距仪应有相应的补偿措施否则严重影响测量精度
2、超声波仪器结构复杂价格相对昂贵
3、有些物质对超声波有强烈吸收作用选用测量方法和测量仪器时要充分考
虑位置测量的具体情况和条件【7】。
1.4本课题研究的主要内容
本文的主要内容是先阐述课题背景、任务目前国内外现状后对超声波测距
的可行性进行了理论分析的基础上利用计算机技术、电子技术、以及超声波在介
质中的传播特性等研制出了超声波测距仪的硬件部分编写了相应的软件程序
并进行了调试和试运行。
在硬件电路的设计中针对超声波在传播时呈指数衰减的
特性我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施扩大了测
量的范围。
在软件设计中我们采用模块化程序设计思想将软件分为超声波驱动
与数据处理模块每个模块又由若干小模块组成。
对软件的这种处理不但能使软件
的结构清晰而且有利于软件的调试和修改。
由于本设计对计算的精度要求较高本页完第9页共40页所以采用C51编程借助C语言的浮点计算能力提高计算精度。
另外为了保
证超声波测距仪工作的可靠性和稳定性在软、硬件两个方面都采取了相应的抗干
扰措施。
本设计主要是基于AT89S51芯片为核心的超声波测距仪74LS04组成的超声
波发射电路、并有超声波处理模块CX20106A、LED显示等器件组成包括单片机
系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED显示电路。
主
要实现超声波测距并指示功能。
依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路。
本系
统成本低廉功能实用。
本页完第10页共40页2系统方案设计与论证2.1超声波基本特性
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。
根据声波振动频率的范围
可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。
超声波检测中常用的工作频率在
0.25~20MHz范围内。
超声波的波形有三种形式质点振动方向与传播方向一致的波为纵波它能在
固体、液体或气体中传播。
质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波它只能在
固体中传播。
质点振动介于纵波和横波之间只能沿着固体表面传播称为表面波。
工业应用中主要采用纵波【8】。
2.2超声波测距原理
超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。
超声技
术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。
超声波具有聚束、定向及
反射、透射等特性。
人耳能够听到的声音频率大约为20Hz–20kHz低于20Hz和
高于20kHz的声音人耳一般都听不到人们把高于20kHz的声波称为超声波。
超声波是一种机械振动波可以在气体、液体和固体中传播在空气中的传播速
度为340m/s与光波、电磁波相比是非常缓慢的。
超声波具有方向性即传播的
能量比较集中这一点与可听见的声波不同。
另外超声波在传播途中若遇到不同
的媒介大部分能量会被反射。
超声测距的距离公式【9】1
2
svt
在设计时实时得出时间t和速度v即可计算出距离。
超声波传感器向空气
中发射超声波声脉冲超声波遇到被测物体反射回来若可以测出第一个回波达到
的时间与发射脉冲间的时间差t利用公式即可算得传感器与反射点间的距离s单
片机对其进行处理【10】。
如果测距精度要求很高则应该通过温度补偿的方法加以
校正。
表2.1波速与温度的关系
温度℃
-30-20-100102030100
声速m/s
313319325323338344349386这就是所谓的时间差测距法。
采用超声波测量大气中的地面距离是近代电子本页完第11页共40页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。
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。
由于是利用超声波测距要测量预期的距离所以产生的超声波要有一定的功
率和合理的频率才能达到预定的传播距离同时这是得到足够的回波功率的必要条
升级会员 