超声波测距

信息工程学院课程设计（论文）信息工程学院课程设计报告书题目:超声波测距装置专业：电子信息科学与技术班级：0310412班学号：031041002学生姓名：李范佩指导教师：高林2013年5月10日信息工程学院课程设计（论文）信息工程学院课程设计任务书学号031041202学生姓名李范佩专业（班级）0310412设计题目超声波测距器的设计设计技术参数1.测量范围为0.10~4.00m；2.测量精度为1cm；3.测量时与被测物体无直接接触，能够清晰、稳定地显示测量结果。设计要求超声波测距器可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度、物体厚度等的测量。其测最范围为0.10~4.00m，测量精度为1cm。测量时与被测物体无直接接触，能够清晰、稳定地显示测量结果。工作量既要独立完成硬件设计及制作，并且还要独立完成软件部分；硬件软件能有机的结合起来也存在一定难度。对动手能力较差的同学来说，做实物还是比较有挑战性。工作计划用一周的时间收集并学习超声波测距原理相关的资料，用一周的时间来制作硬件，用半周时间来完成软件，用半周的时间调试，本次任务三周时间来完成。参考资料新概念51单片机C语言教程；电子技术基础；51单片机开发与应用；单片机C程序教程。指导教师签字教研室主任签字年月日信息工程学院课程设计（论文）信息工程学院课程设计成绩评定表学生姓名：学号：专业（班级）：课程设计题目：指导教师评语：成绩：指导教师：年月日信息工程学院课程设计（论文）1摘要本章从系统方案等一些方面来进行论证。本设计主要是进行距离的测量，设计中涉及到的内容较多，主要是将单片机控制模块、超声波测距模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来。而本设计的核心是超声波测距模块，其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是利用超声波传感器。超声波测距器可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度、物体厚度等的测量。关键词：超声波测距数码管显示精度信息工程学院课程设计（论文）2目录1任务提出与方案论证................................................31.1测距传感器......................................................31.2系统方案........................................................41.3硬件电路设计....................................................52总体设计..........................................................62.1硬件设计........................................................62.2软件设计........................................................73详细设计..........................................................83.1单片机系统设计..................................................83.2数码管显示模块设计.............................................133.3软件设计.......................................................144总结.............................................................22参考文献...........................................................23信息工程学院课程设计（论文）31任务提出与方案论证本章从系统方案等一些方面来进行论证。本设计主要是进行距离的测量和报警，设计中涉及到的内容较多，主要是将单片机控制模块、超声波测距模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来。而本设计的核心是超声波测距模块，其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是利用超声波传感器，之后选择合适单片机芯片，以下就是从相关方面来论述的。1.1测距传感器（1）激光测距传感器激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高[3]。（2）红外线测距传感器红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近[3]。（3）超声波传感器超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距[4]。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。从安信息工程学院课程设计（论文）4全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。1.2系统方案此方案选择51单片机作为控制核心，所测得的距离数值由4位共阳极数码管显示，超声波发射信号由51单片机的P0.1口送出到超声波发射电路，将超声波发送出去，超声波接收电路由CX20106A芯片和超声波接收探头组成的电路构成，报警系统由蜂鸣器电路构成。本设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠，从而能避免干扰，可以很好的提高系统的可靠性。本设计由Keil编程软件对51单片机进行编程，51单片机在执行程序后由P0.1端口产生40kHz的脉冲信号通过74LS04电路进行放大并送到到超声波发射探头，产生超声波。在超声波发射电路启动的同时单片机启动中断定时器，利用其计数的功能记录超声波发射超声波到接收到超声波回波的时间。当接收回射的超声波时，接收电路的输出端产生负跳变输出到单片机产生中断申请，执行外部中断子程序计算距离。结合各方面的因素考虑，依据设计的要求，查阅相关数据资料，选择了超声波测距传感器TR40-16Q（其中T表示超声波发射探头，R表示超声波接收探头），综合考虑设计的要求出于简便角度，选用了HC-SR04超声波集成模块。此超声波模块的最大探测距离为5m，精度可以达到0.3cm，盲区为2cm，而且发射扩散角不大于15°，更有利于测距的准确性。而且，此模块的工作频率范围为39kHz～41kHz左右，完全能在40kHz工作频率工作。由于超声波的发射和接收是分开发送和接收的，所以发射探头和接收探头必须在同一条水平行直线上，这样才能准确地接收反射的回波。而由于测量的距离不同和发射扩散角所引起的误差以及超声波信号在空气中传播的过程中的超声波衰减问题，发射探头和接收探头距离不可以太远，而且还要避免发射探头对接收探头在接收信号时产生的干扰，所以二者又不能靠得太近。根据对相关资料查阅，将两探头之间的距离定在5cm～8cm最为合适。本设计所用的HC-SR04模块的超声波探头之间的距离大约在6cm左右。信息工程学院课程设计（论文）51.3硬件电路设计本设计的汽车防撞装置由51单片机、超声波发射探头、超声波接收探头、4位共阳极数码管、蜂鸣器组成。汽车防撞系统的测距是利用超声波测距的原理，在单片机内部程序的控制下，由超声波发射探头发射超声波，在超声波遇到障碍物时反射到超声波接收探头，由此回应到单片机，由单片机进行中断处理和数据的处理，计算出距离，由数码管显示距离。本设计的硬件电路分为四部分：单片机最小系统、超声波发射和接收电路和数码管显示电路信息工程学院课程设计（论文）62总体设计2.1硬件设计本设计的硬件电路分为四部分：单片机最小系统、超声波发射和接收电路和数码管显示电路：单片机控制系统超声波发送模块数码管显示模块超声波接收模块信息工程学院课程设计（论文）72.2软件设计图4.1系统主程序流程图开始单片机初始化超声波模块复位发射超声波并启动T0开中断接收到回波的同时中断停止计算测量距离显示距离同时蜂鸣器报警延时信息工程学院课程设计（论文）83详细设计3.1单片机系统设计3.1.1单片机的选择一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有[5]：（1）单片机最基本性能参数指标。例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。（2）单片机的某些增强的功能。（3）单片机的存储介质。例如：对于程序存储器来说，最好选用的是Flash的存储器。（4）单片机的封装形式。封装的形式多种多样，例如：双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。（5）单片机对工作的温度范围的要求。例如：在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。（6）单片机的功耗。例如，如果信号线取电只能提供几mA的电流，所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用STC的单片机是最合适的。（7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。（8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。（9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。51系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源等方面与标准的52系列的单片机可以完全的兼容。51系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程,不占用用户的资源[5]。根据本系统设计信息工程学院课程设计（论文）9的实际要求，选择AT89S51单片机做为本设计的单片机使用，它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS8位单片机。89S51单片机具有以下几个性能特点：4k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式[5]。单片机的引脚功能图如图3.1所示。图3.151单片机的引脚功能图3.1.2单片机引脚功能（1）电源引脚Vcc（40脚）：正电源的引脚，工作电压是5V。GND（20脚）：接地端。（2）时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2为了产生时钟信号，在89S51单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端[5]。单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTA信息工程学院课程设计（论文）10L2外接的是12MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。时钟信号电路如图3.2所示。图3