基于单片机的超声波测距系统实现应用电子技术本科论文.docx
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基于单片机的超声波测距系统实现应用电子技术本科论文
毕业设计（论文）
论文题目：
基于单片机的超声波测距系统实现
系部：
电子通信工程系
专业：
应用电子技术
班级：
应电134
学生姓名：
xxx
学号：
xxx
指导教师：
xxx
2016年4月
河南机电高等专科学校
摘要
基于传统的方法在很多特殊场合：
如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷，超声波测距能很好的解决此类的问题。
本论文主要对单片机超声波测距系统的原理，单片机的应用等进行了分析；对超声波的发生电路和接收电路，DS18B20温度采集电路，LCD显示电路，硬件制作和软件设计；对系统进行误差分析。
单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。
它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。
在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。
[关键词]：
超声波测距；单片机；LCD显示；软件设计；误差分析
Abstract
Inmanyspecialoccasions,traditionalmethodsbasedontheexistenceofinsurmountabledistancemeasuringdefects,suchasthemeasurementofcorrosionintheliquidwithstrongelectromagneticinterference,toxicandotheradverseconditions,theultrasonicrangecanbeaverygoodsolutiontotheproblemofsuch.Inthispaper,focusedonsingle-chipmicrocomputer-basedultrasonicrangingsystem,namelytheprincipleofultrasonicdistancemeasurement,theoccurrenceofultrasoniccircuit,echoreceiver,dataacquisition,LCDdatashowtheprincipleofsingle-chipapplications,systemhardware,DS18B20thetemperaturecompensation，softwaredesignandproductionwerediscussed.
Keywords:
Ultrasonicranging;single-chip;LCDdisplay;softwaredesign;erroranalysis.
目录
摘要.........................................................................................................................................................Ⅰ
第1章绪论…………………………….……………………............................................................1
1.1单片机应用系统概述…………….…………………......................................................................1
1.2超声波测距系统概述…………….…………………..........…........................................................2
1.3本设计任务主要内容…………….…………………..........….......................................................2
第2章超声波测距的原理…………………….……………........…...............................................4
2.1超声波测距系统原理…………………………………..................................................................4
第3章系统主要硬件设计……………………………………......………......................................6
3.1方案论证与比较………………………………………..................................................................6
3.2单片机主机系统电路………………………………….................................................................10
3.2.1单片机电路……………………………………........................................................................10
3.2.2复位电路………………………………..............……………..................................................11
3.2.3时钟电路…………………………………..............…………..................................................12
3.2.4按键电路…………………………………..............…………..................................................12
3.2.5蜂鸣器电路…………………………………..............……......................................................13
3.3超声波发送电路…………………………………..........……...…...............................................13
3.4超声波接收电路……………………………………..........………..............................................14
3.5温度采集DS18B20电路…………………………..........………..................................................16
3.6LCD显示电路……………………………………...........…….......................................................17
3.7电源电路……………………………………..…..........…………................................................18
第4章系统软件设计………………………………....………………...…...................................21
4.1系统程序结构…………………………………....……………...….............................................21
4.2系统主程序……………………………………....……………...….............................................22
4.340KHz超声波发送程序………………………..……………..….................................................22
4.4超声波的接收和处理………………………………….....……...…............................................22
4.5DS18B20温度采集程序………………........................................................................................22
4.6距离计算程序……………………………………….....………..….............................................23
4.7数据转换程序………………………………………….....……...…............................................23
4.8LCD显示程序…………………………………………...…….…..................................................23
4.9基于Proteus的软件仿真…………………………………………........………...................24
第5章PCB设计…………………………………………........………..........................................25
5.1元件选择……………………………………………….....………..............................................25
5.2Altiumdesigner原理图的绘制…………………..………….…..............................................26
5.3元件封装制作…………………………………….....…………...…...........................................26
5.4PCB的电磁兼容性设计……………………………..……………...............................................26
5.5布局布线………………………………………………......……….............................................29
5.6制造文件输出……………………………………….…......……................................................32
第6章元件采购……………………………………………......……...........................................33
6.1BOM文件导出……………………………………....……….…....................................................33
6.2元件采购……………………………………………......…...……..............................................34
总结……………………………………………………………............................................................35
致谢………………………………………………………………………...........................................42
参考文献………………………………………………………..…………........................................43
第1章绪论
1.1单片机应用系统概述
单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。
它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。
从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。
嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的IT应用之一。
嵌入式系统的应用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命”的现代化智能系统。
嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的设备中，单片机作为嵌入式系统的核心部件，其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果，常常无需对硬件资源做任何改动，只需更新系统软件就能使系统功能升级。
现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域，主要可以归纳为以下几个方面。
（1）军事装备：
各种武器控制（火炮控制、弹道控制、炮弹引信等），坦克、舰船、轰炸等各种电子装备，雷达、电子对抗、军事通讯装备等。
（2）家用电器：
各种家电产品，如数字电视、机顶盒、数码相机、VCD、DVD、可视电话、洗衣机、电冰箱、手机、智能玩具等。
（3）工业控制：
各种智能仪器仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统、工业机器人、机电一体化设备、汽车电子设备等。
（4）商用设备：
各种收款机、POS系统、电子秤、条形码阅读器、商务终端、IC卡输入设备、自动柜员机、防盗系统等。
（5）办公用品：
复印机、打印机、传真机、扫描仪、手机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控变换机、网络设备等。
（6）医疗电子设备：
各种医疗电子仪器，如X光机、超声诊断仪、心脏起搏器、监护仪器等，以及辅助诊断系统、专家系统等。
单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。
通常开发一个单片机系统的步骤如下：
图1-1设计步骤
1.2超声波测距系统概述
在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。
例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。
由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。
超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。
通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。
1.3本设计任务的主要内容
1超声波测距仪设计要求如下：
1）测量距离<6m；
2）精度优于1%；
3）进行温度补偿；
4）显示方式采样LCD；
5）具有抗干扰能量；
6）体积小、功耗低、便于嵌入到其他系统。
2硬件电路的设计
1）方案的论证;
2）元件的选择;
3）用Altiumdesigner绘制原理图。
3系统的PCB制作
1）PCB布局布线；
2）PCB实验板的焊接。
4系统软件的编写
1）软件的编写和编译检查；
2）基于Proteus的软件仿真。
5样机实验测试
1）实验检查；
2）测试数据。
6误差分析
1）误差的分析；
2）改进。
第2章超声波测距的原理
2.1超声波测距系统原理
在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。
超声测距大致有以下方法：
①取输出脉冲的平均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离；②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=1／2vt。
本测量电路采用第二种方案。
由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。
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。
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331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
超声波测距的算法设计:
超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。
X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。
由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：
图2-1测距原理
超声波测距器的系统框图如下图所示：
图2-2系统框图
第3章系统主要硬件设计
3.1方案论证与比较
单片机采用Atmel公司的AT89S52，而超声波发射和接收电路有多种，常用的电路如下：
1超声波发射电路:
（1）分立元件构成的发射电路
图3-1分立元件构成的超声波发射电路
图3.1.1是由两只普通低频小功率三极管C9013构成的振荡、驱动电路，三极管T1、T2构成两级放大器，但是由于超声波发射头的正反馈作用，这个原本是放大器的电路变成了振荡器。
超声波发射器的压电晶片可等效于一个串联LC谐振电路，具有选频作用，因此该振荡器只能振荡在超声波发射头的固有谐振频率
。
第二个图中用电感L替代
这样可以增大激励电压，使其具有较大的功率输出。
（2）由集成电路构成的发射电路
图3.1.2为由555集成芯片构成的振荡、调制、激励电路。
该电路应使用双极型555（内部电路由普通三极管构成），不宜使用单极型7555（内部电路由CMOS电路构成，外部引脚与555相同），其原因是7555带负载能力小。
图3-2555构成的超声波发射电路
图3.1.3是由非门构成的一个振荡器发送电路，用非门构成的电路简单，调试容易。
很容易通过软件控制。
图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。
图3-3由非门构成的超声波发射电路
2超声波接收电路：
（1）由分立元件构成的接收电路
图3.14为由三极管T1,T2和若干电阻电容组成的两级阻容耦合交流放大电路。
第一级中
为集电极负载电阻；
为偏流电阻，同时引入了交直流并联电压负反馈，可以较有效的稳定静态工作点，改善非线性失真以及增益的稳定性；
是发射极负反馈电阻，引入直、交流串联电流负反馈，具有稳定工作点、增益、改善失真、提高输入阻抗等作用。
图3-4分立元件构成的超声波接收电路
（2）由运算放大器构成的接收电路
图3.15是由运放构成的超声波放大电路，该电路的形式在其他应用中经常遇到，特点如下：
1）一般式用运放组成的放大电路都要求对称的正负电源供电，这里以单电源供电，输出端的静态电位必须设置在1/2的电源电压，这由同相输入端的点位来确定，
和
分压取得1/2的电源电压加到运放的同相输入端，使其电位1/2电源电压。
2）采用同相端输入方式其输入阻抗高，超声波接收传感器的输出信号接到放大器的同相端，有利于超声波传感器充分发挥接收灵敏度和自生的选频作用。
3）反相端对地不提供直流通路，因此通过隔直电容
提供直流通路。
图3-5运放构成的超声波接收电路
（3）LM1812收发集成电路构成
LM1812是一种专用于超声波接收和发送的集成电路，它即可做发送电路，又可以做接收电路使用。
如下图所示：
图3-6由LM1812构成的接收电路
（4）CX20106构成的接收电路
图3-7CX20106构成的接收电路
以上为常用的发射和接收电路，分立元件构成的收发电路容易受到外界的干扰，体积、功耗也比较大。
而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以首先考虑采用集成电路来
组成收发电路。
在由集成电路构成的收发电路中，发射电路我们选用由非门构成，接收电路采用由红外接收检波芯片CX20106构成，主要是考虑到系统的调试简单、成本低、可靠性好。
3.2单片机主机系统电路
本次我们采用了Atmel公司的AT89S52,该单片机主要特点如下：
（1）AT89S52系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机。
（2）AT89S52系列单片机内、内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写。
（3）AT89S52采用静态时钟方式，可以节省电能。
（4）AT89S52支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序。
（5）AT89S52晶振频率高达24M，运行速度更快。
（6）AT89S52价格也比较便宜6元/片
（7）增加了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。
3.2.1单片机电路
图3-8单片机主电路
引脚功能：
P0口用来送显示信号给LCD的数据为，P20~P22送命令到LCD控制LCD的显示方式。
P3.7为DS18B20温度数据采集端。
P1.0接测量按键。
3.2.2复位电路
单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如下：
图3-9复位电路
在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。
只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即
ms。
一般取R
1
，C
22uF。
当人按下按钮S1时，使电容C1通过R1迅速放电，待S1弹起后，C再次充电，实现手动复位。
R1一般取200
。
3.2.3时钟电路
当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XATL1和XATL2用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择3M~24M，电容选择30pF左右。
我们选择晶振为12MHz,电容33pF。
图3-10时钟电路
3.2.4按键电路
我们通过P1.0来启动测量，程序中通过查询P1.0的电平来检测是否按键被按下，电路原理如下：
图3-11按键电路
当按下按键时P1.0为低电平，单片机通过查询到低电平开始测量距离，当松开按键，P1.0即为高电平。
在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。
3.2.5蜂鸣器电路
本次设计通过一只蜂鸣器来提示用户按键按下了，现在单片机开始了测距。
蜂鸣器时一块压电晶片，在其两端加上3~5V的直流电压，就能产生3KHz的蜂鸣声。
图3-12蜂鸣器电路
通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管9.13的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。
3.3超声波发送电路
超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（“也称为超声波换能器”）的型号选用CSB40T（其中心频率为40KHz
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