大学生51单片机超声波测距离.docx

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大学生51单片机超声波测距离

毕业设计（论文）

题目

班级：

学号：

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指导老师：

二零**年*月*日

基于单片机的超声波测距系统实现

【摘要】：

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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

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，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。

【关键词】：

超声波测距，单片机，DS18B20温度补偿，LCD显示，软件设计，误差分析。

Abstract:

Strongpointasaresultofultrasonicenergyconsumptionslow,inthemediumdistancetransmission,whichareoftenusedforultrasonicdistancemeasurement,suchasrangefindersandalllevelmeasurementcanbeachievedthroughultrasound.Theuseofultrasonictestingarerelativelyrapid,convenient,simple,easytodoreal-timecontrolandmeasurementaccuracycanmeetthepracticalrequirements,sointhemobilerobothasbeendevelopedonawiderangeofapplications.

Keywords:

ultrasonicranging,single-chip,DS18B20thetemperaturecompensation,LCDdisplay,softwaredesign,erroranalysis.

目录

第一章概述…………………………….……………………................6

1.1本设计任务主要内容…………….………………….................6

1.2单片机应用系统概述…………….…………………..........…...7

1.3超声波测距系统概述…………….…………………..........…...7

第二章超声波测距的原理…………………….……………........…....8

2.1超声波的基本理论…………………….…………….........…....8

2.2超声波测距系统原理………………………………….............11

第三章系统主要硬件设计……………………………………......…..12

3.1方案论证与比较……………………………………….............12

3.2单片机主机系统电路………………………………….............15

3.2.1单片机电路……………………………………..................15

3.2.2复位电路………………………………..............………....16

3.2.3时钟电路…………………………………..............……....16

3.2.4按键电路…………………………………..............……....17

3.2.5蜂鸣器电路…………………………………..............…....17

3.3超声波发送电路…………………………………..........……...18

3.4超声波接收电路……………………………………..........…...18

3.5温度采集DS18B20电路…………………………..........…......20

3.6LCD显示电路……………………………………...........…....20

3.7电源电路……………………………………..…..........…….....22

第四章系统软件设计………………………………....………………22

4.1系统程序结构…………………………………....…………….22

4.2系统主程序……………………………………....…………….23

4.340KHz超声波发送程序………………………..…………….25

4.4超声波的接收和处理………………………………….....……26

4.5DS18B20温度采集程序………………...................................26

4.6距离计算程序……………………………………….....………27

4.7数据转换程序………………………………………….....……28

4.8LCD显示程序…………………………………………...……29

4.9基于Proteus的软件仿真……………………………..……...32第五章PCB设计…………………………………………........……..34

5.1元件选择……………………………………………….....……34

5.2Altiumdesigner原理图的绘制…………………..…………...35

5.3元件封装制作…………………………………….....…………35

5.4PCB的电磁兼容性设计……………………………..………36

5.5布局布线………………………………………………......…...38

5.6制造文件输出……………………………………….…......…41第六章元件采购……………………………………………......……..42

6.1BOM文件导出……………………………………....………..42

6.2元件采购……………………………………………......…...…43

第七章样机制作实验分……………………………………......……..44

7.1装配图……………………………………………….....………44

7.2焊接和检查……………………………………………......…….45

7.3样机图…………………………………………………......…….46

7.4单片机学习板的使用................................................................46

7.5实验测试………………………………………………...........…47

7.6实验数据………………………………………………........…...48

7.7误差分析………………………………………………........…...48

7.8改进……………………………………………………........…...49

总结..…………………………………………………………………..51

致谢……………………………………………………………………52参考文献………………………………………………………..………53

第一章概述

1.1论文主要内容

1系统硬件电路原理设计

（5）根据超声波的基本理论，进行硬件电路方案整体分析与研究。

（6）根据超声波测距整体系统划分各模块电路。

（7）针对超声波发送电路进行论证和设计，产生用于测量的超声波。

（8）针对超声波接收电路进行论证和设计，用于接收发射的超声波。

（9）对基于单片机的数据采集和计算电路的设计。

（10）LCD显示电路的设计。

（11）其他辅助电路设计。

2系统软件的设计

（3）系统主程序的设计。

（4）超声波发射和接收程序的设计。

（5）DS18B20温度采集程序的设计。

（6）LCD显示程序的设计。

（7）距离计算和转换程序的设计。

（8）基于Proteus的仿真。

3印制电路板的设计

1）基于Altiumdesinger的原理图的设计。

2）元件的选择。

3）确定PCB的封装和电路板的形状大小等参数。

4）PCB电磁兼容性分析。

5）PCB布局布线。

6）PCB制造输出和后期处理。

4元件采购

1）元件查询

2）采购

5样机的制作和检查。

（1）手动焊接样机。

（2）单片机开发板的使用。

6实验测试分析误差。

（1）实验测试数据。

（2）误差分析和软件补偿。

7文件整理总结。

1.2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、最具有发展前天的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，主要可以归纳为一下几个方面。

（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1.1.1设计步骤

1.3超声波测距系统概述

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。

第二章超声波测距的原理

2.1超声波的基本理论

超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。

该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。

因此，我国对超声波的研究特别活跃。

超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。

超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。

按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：

用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。

超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在10

——10

Hz，其中通常的频率大约在10

——3

之间。

超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。

于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用：

1超声波的传播速度

超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：

横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；表面波——质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。

横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。

为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。

超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。

超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。

超声波在气体和液体中，其传播速度C

=（

）

式中

——介质的密度；

——绝对压缩系数。

可以推导出超声波在空气种传播速度

。

（T为环境温度）。

超声波在固体中的传播速度分两种情况：

（1）纵波在固体介质中的传播速度

其传播与介质的形状有关。

（细棒）

（薄板）

（无限介质）

式中E——杨氏模具；

——泊松系数；

K——体积弹性模具；

G——剪片弹性模。

（2）横波声速公式为

（无限介质）

在固体中，

介于0——5之间，因此一般可视为横波声速为纵波的一半。

2.2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2.1.4

为了精确计算：

需要考虑多种因素。

勾股定理可知

整理有

  超声波测距器的系统框图如下图所示：

图2.1.5

第三章系统主要硬件设计

硬件系统：

系统原理图：

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：

（3）AT89S52系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机。

（4）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。

（5）AT89S52采用静态时钟方式，可以节省电能。

（6）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。

（7）AT89S52晶振频率高达24M，运行速度更快。

（8）AT89S52价格也比较便宜6元/片

（9）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3.2.1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：

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

。

图3.2.2复位电路

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3.2.3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：

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。

图3.2.4

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。

电路如图3.2.5

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。

图3.2.5

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）。

可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头产生超声波。

这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。

第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。

这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。

本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74LS04，具体电路如图：

图3.3.1超声波发送电路

从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平，下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动CSB40T，只要控制信号接近40KHz，就能产生超声波。

3.4超声波接收电路

超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。

由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。

本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。

CX20106是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理，该芯片内部如下图所示:

图3.4.1CX20106内部结构

CX20106构成本次设计接收电路如下图：

图3.4.2

使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。

其总放大增益80db。

以下是CX20106A的引脚注释。

1脚：

超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚：

该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R4或减小C4,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C4的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R4=4.7Ω，C4=1μF。

3脚：

该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。

4脚：

接地端。

5脚：

该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6脚：

该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：

遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8脚：

电源正极，4.5～5V。

3.5温度采集DS18B20电路

物理学告诉我们，超声波在空气中的传播速度为：

，由此可见，超声波的速度和温度由密切关系，即温度每增加1°C，超声波速度约增加0.61m/s，本次我们考虑温度补偿，以使我们的设计更加精确，温度的采集通常使用DS18B20一线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路图如下图所示。

DS18B20是美国DALLS公司推出的DS1820的替代产品，具有9、10、

11、12位的转换精度，未编程时默认的精度是12位，测量精度一般为0.5°C，软件处理后可以达到0.1°C，温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以0.0625°C/LSB形式表达。

其中高五位为扩展符号位。

转换周期与转换精度有关，9位转换精度时，最大转换时间为93.75

图3.5.1

ms，12位转换精度时，最大转换时间为750ms。

DS18B20引脚判断方法是：

字面朝人，从左到右依次是1（GND）、2（输入/输出）、3（VDD）。

图中的R13为上拉电阻，阻值选5K左右。

3.6LCD显示电路

本设计采用LCD液晶显示屏显示。

其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用YB1602液晶屏，1602显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2行16个字符。

它具有16个引脚，其正面左起为第一脚，如下图所示：

第一脚GND：

接地。

第二脚VCC：

+5V电源。

第三脚VO：

对比度调整端。

使用时通过接一个10K的电阻来调节。

第四脚RS:

寄存器选择信号线。

第五脚RW:

读写信号线。

第六脚E：

使能端，当E由高电平跳变为低电平时执行命令。

第7~14脚：

8位数据线D0~D7。

第十五脚BLA:

背光电源正极输入端。

第十六脚BLK:

背光电源负极输入端。

图3.6.1

操作控制表

操作

读状态

写指令

读数据

写数据

输入

RS=0，RW=1，E=1

RS=0，RW=0，

　　D0~7=指令码，E=H脉冲

RS=1，RW