基于单片机的超声波测距系统的研究与设计

石家庄铁道大学四方学院毕业设计1第1章绪论1.1课题背景目的及重要意义随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在[M]。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，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。超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点。超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波。它在介质中传播的距离较远。因而超声波经常用于距离的测量，可解决超长度的测量。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，反射，折射，干涉，衍射，散射。与物理紧密联系，应用灵活。并且更适合与高温，高粉尘，高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关[J]。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用课程设计目的是单片机原理与接口技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。通过单片机原理与接口技术的课程设计,使学生初步掌握设计的基本方法。培养学生分析问题和解决问题的能力；培养学生应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。1.2国内外研究现状石家庄铁道大学四方学院毕业设计2目前国内的超声波测距仪技术落后产品功能低端，专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度测距仪超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。国外超声波测距仪技术领先，产品齐全，性能比较稳定，市场需求量大，测量精度高，测量误差小。1.3论文研究思路及创新点1.3.1主要思路利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力里的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20KHz以上的机械波)，借助媒质传播由被捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性，电子计数，光电开关相结合来实现非接触式距离的测量方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量，过程检测，机器人检测和定位，以及流体液面高度测量等。超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的工作方式利用超声波测距的工作,就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔,从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法:(1)相位检测法,相位检测法虽然精度高,但检测范围有限;(2)声波幅值检测法,声波幅值检测法易受反射波的影响;(3)渡越时间检测法,渡越时间检测法的工作方式简单,直观,在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为:发射传感器发射超声波,经气体介质传播到接收传感器的时间,这个时间就是渡越时间。本设计的超声波测距就是使用了渡越时间TOF(timeofflight)检测法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源于障碍物之间的距离。石家庄铁道大学四方学院毕业设计3测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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334.5米/秒(由于超声波速度受温度影响比较大，必须采用DS1820测量环境温度，再对超声波速度进行修正，进而计算出测量距离)，由单片机AT89C51负责计时，单片机使用12.0MHz晶振，所以此系统的测量精度在理论上可以达到毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因此超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波发生器可以分为两大类：一类是电气方式产生超声波，一类使用机械方式产生超声波。本文属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。1.3.2主要创新点本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。1.4本章小结本章主要介绍了超声波测距仪的国内外研究现状，研究该课题的意义及作用。第2章主要介绍了该课题的研究方法和课题的任务。第3章主要介绍了该课题的设计方案硬件的设计和硬件电路图。第4章主要介绍了软件的设计和软件程序。第5章主要介绍了误差分析和计算。石家庄铁道大学四方学院毕业设计4第2章课题的方案设计与任务2.1超声波测距仪的原理单片机(AT89C51)发出短暂的40KHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。其系统框图如图2-1所示:定时器控制显示器调制器计时器振荡器接收检超声波发生器超声波接收器障碍物图2-1超声波测距系统框图2.2课题设计的任务和要求采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。设计任务：1.了解超声波测距仪的原理。2.根据超声波测距原理，设计超声波测距仪的硬件结构电路。设计要求：1.掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。石家庄铁道大学四方学院毕业设计52.独立设计原理图及相应的硬件电路。3.设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。4．LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位(单位：cm)。5．测量方式可通过硬件开关预置。测量范围：20cm～1000cm，误差5cm。2.3本章小结超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。石家庄铁道大学四方学院毕业设计6第3章系统的硬件结构设计3.1系统的硬件设计本次设计主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。单片机部分采用AT89C51作为主控制器；显示电路采用的是动态驱动形式的LED数码显示器；超声波的发射电路用的是由压电式超声波转换器，发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射；超声波检波接收电路采用的是由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。3.2单片机的功能特点3.2.1AT89C51单片机单片机AT89C51采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由一个8位的80C51微处理器，4KB的程序存储器FlashROM，256字节的RAM，2个16字节的定时/计数器TO和T1，4个8位的I/O端口：P0，P1，P2，P3，一个全双工UART串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。单片机AT89C51提供以下功能：4KB存储器；256字节RAM；32条I/O线；2个16字节定时/计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。单片机AT89C51为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。AT89C51单片机封装图如下：石家庄铁道大学四方学院毕业设计7图3-1AT89C51单片机封装图3.2.2AT89C51主要特性与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器（寿命100写/擦循环，数据保留10年）；全静态工作：0~24KHz；三级程序存储器锁定；128×8位内部RAM；32位可编程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；低功耗的限制和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。3.2.3管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据储存器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接受输出4TTL门电路流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被石家庄铁道大学四方学院毕业设计8外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲区可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当由于外部程序储存器或16位地址外部数据存储器进行存取时了，P2口输出地值的高八位。再