毕业设计(论文)基于单片机的超声波测距系统的设计.doc
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1、淮北师范大学 2012届学士学位论文 超声波测距系统的设计学院 、专业 物理与电子信息学院 电子信息工程 研 究 方 向 学 生 姓 名 学 号 指导教师姓名 指导教师职称 2012年4月26日超声波测距系统的设计淮北师范大学物理与电子信息学院 235000摘要 超声波测距法迅速,方便,计算简单,易于做到实时控制,提过基于单片机的超声测距系统的设计能更加深入地了解单片机的实际应用。本课题完成整个超声波测距系统设计,包括单片机控制电路,超声波模块,1602显示数据。本课题硬件部分设计采用51单片机开发板和所需的超声波收发电路。程序由计算机仿真并烧入单片机实际调试,最终实物是一个能在2至400cm
2、范围内准确测量距离的系统,经实际测量误差控制在5%以内。基于单片机的超声波测距系统易实现,成本低,精确度高,并且容易做到实时控制,具备较强的实用性,该系统的设计过程加深了对单片机的理解。本设计的产品也能在实际生活中有很广泛的应用。关键词 单片机;超声波模块;测距;1602Design Of Ultrasonic Ranging Based On SinglechipYang LeiSchool of Physics and Electronic Information, Huai Bei Normal University, Anhui Huaibei, 235000Abstract Ultr
3、asonic ranging is so quick and useful,it can be easy to translationed and be controled on time. The ultrasonic ranging system based on single chip design can to understand the practical application of single chip microcomputer This distance measurement include Single-chip microcomputer,Ultrasonic mo
4、dule and data presentation by 1602.The system is made up by singlechip part,send and receive part,LCD part and temperature detective part.With the helping of smallest system and computer,the product which can detective the distance from 2cm to 400cm comes out.The error is only 0.5%. Based on SCM ult
5、rasonic ranging system easy to realize, low cost, high precision, and easy to do real-time control, has strong practicability, the design of the system process deepened to the understanding of the single chip microcomputer this design products can also in real life have a wide range of applications
6、. Keywords Single-chip microcomputer; Ultrasonic module; 1602目 次I绪论1I.1 课程设计目的及意义1I.2 课题设计的任务、要求及思路21 系统的硬件结构设计41.1 系统整体方案的设计41.2 系统整体方案的论证42系统的硬件结构设计52.1 单片机的功能特点及测距原理52.2 超声波模块的原理62.3 超声波测距系统的硬件设计73系统的设计93.1 超声波测距的程序设计93.2 系统软硬件调试103.3 系统测试实物图10结论14参考文献15附录A 程序附录A程序16致谢21绪论利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生
7、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),借助空气媒质传播由被待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术利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。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。I.1 课程设计目的及意义I.1.1 课程设计目的随着科技的
8、迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。本课题就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性来为我们服务。由于超声波指向性强,因而常于距离的测量。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1。超声波在空气中的传播速度为v,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:s=vt/2 。这就是所谓的时间差测距法。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人,汽车安全,海
9、洋测量等上得到了广泛的应用。I.1.2课程设计研究的意义通过本课题可以帮助学习理解单片机和超声波这两种时下发展最快的技术。制作基于单片机的超声波测距系统,需要以超声波技术为基础的外围超声波收发电路,以及以单片机技术为核心的主控制器。是学习电子产品设计的很好途径。利用超声波测距,在许多方面有很多优势。因此,本课题的研究是非常有实用和商业价值。I.2 课题设计的任务、要求及思路I.2.1课题设计任务本设计选用HC-SR04超声波模块。在了解超声波测距原理的基础上,完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统的硬件设计,其中为了进一步提高系统测量精度和系统稳定性,采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法
10、对声速进行修正,降低了温度变化对测距精度的影响。有利于提高超声波测距系统的测量精度。具体设计一个基于单片机的超声波测距器,包括单片机控制电路,发射电路,接收电路,LED1602显示,要求范围在2-400m,测量误差5%以内,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。I.2.2课题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控制监控,也可用于如液位、井深、管道长度、物体厚度等的测量。其测量范围为0.204.00m,测量精度为0.3cm。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。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间
11、的计时。单片机选用8051,经济易用且片内有4K的ROM,便于编程。单片机通过计时并按一定的算法运算后将所测物体的距离在八段数码管上显示出来。此外,对于超声波传感器还需设计相应的辅助电路,将超声波调制脉冲变为电压信号,再经运算放大等一系列行为,最终作为中断请求信号,送至单片机处理。设计一超声波测距仪,要求: (1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。(2).对设计的电路进行分析能够产生超声波,实现超声波的发送与接收,从而 实现利用超声波方法测量物体间的距离。(3).对设计的电路进行分析。 (4).以数字的形式显示测量距离。I.2.3课题设计思路因为超声波指向性强,采用51单片机作为主控制器,用
12、动态扫描法实现LED数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器完成。图一 超声波测距器系统设计框图发射器发出的超声波以速度在空气中传播,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 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/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,下表列出了几种不同温度下的声速。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。 表1-1 超声波波速与温度的关系表温度()-30-20-100102030100声速(m s)31331932532333834
13、4349386在本次设计超声波测距系统中因考虑气温因素对测量数据的影响。1 课题方案设计与论证1.1 系统整体方案的设计系统整体方案的设计 由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,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。利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单, 并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。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、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。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波
14、换能器。根据设计要求并综合各方面因素,本文采用AT89C51 单片机作为控制器,用动态扫描法实现LED 数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器。1.2 系统整体方案的论证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
15、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。LCD1602应用很普遍,市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的,控制原理是完全相同的,因此HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。2 系统的硬件结构设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波模块三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。单片机用P1.2端口输出超声波换能器所需的40kHz 的方波信号,利用外中断P1.0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用
16、的LCD1602显示。2.1 单片机的功能特点及测距原理从制造工艺来看,MCS-51系列中的器件基本上可分为HMOS和CMOS两类。CMOS器件的特点电流小和功耗低(掉点方式下消耗10A电流),但对电平要求高(高电平大于4.5V,低电平小于0.45V),HMOS对电平要求低(高电平大于2.0V,低电平小于0.45V),但功耗大。5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式,内部由CPU,4kB的ROM,256 B的RAM,2个16b的定时计数器TO和T1,4个8 b的IO端,一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储
17、器(EPROM),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,该系列单片机引脚与封装如图2-1所示。图二 51系列单片机封装图5l系列单片机提供以下功能:4 kB存储器;256b RAM;32条工O线;2个16b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。5l系列单片机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
18、系统。在本课题中单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回 波,从而测出发射和接收回波的时间差tr,然后求出距离SCt2,式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素:超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差,可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。由于超声波属于声波范围,其波速C与温度有关。2.2超声波模块的原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间
19、差tr,然后求出距离SCt2,式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素:超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差 ,可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。由于超声波属于声波范围,其波速C与温度有关。控制口发一个10US 以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到移动测量的值。超声波模块工作原理:(
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- 毕业设计 论文 基于 单片机 超声波 测距 系统 设计
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