52单片机超声波测距系统毕业设计论文设计开题报告材料.docx

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52单片机超声波测距系统毕业设计论文设计开题报告材料

本科毕业设计（论文）

开题报告〔含论文综述〕

学院：

机械与控制工程学院

所属教研室：

自动化教研室

课题名称：

超声波测距系统

专业（方向）：

〕

班级：

学号：

30

学生：

指导教师：

职称：

开题日期：

2013年3月11日

一、毕业设计〔论文〕选题的目的和意义。

[⑴课题名称；⑵有关的研究方向的历史、现状和开展情况分析；⑶前人在本选题研究领域中的工作成果简述]

课题名称：

超声波测距系统的设计

在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进展非接触测距。

而超声波是指频率大于20kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点，因此常被用于非接触测距。

由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力，此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。

开展方向：

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拟迅速、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。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，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、磁致伸缩型和电动型等；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一样，因而用途也各不一样。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器原理：

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构如下列图，它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了[1]。

超声波测距原理：

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。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，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=340t/2。

这就是所谓的时间差测距法。

　　超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

　　测距的公式表示为：

L=C×T

　　式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

　　超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

　　由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精细的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

前人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，以与用LM92温度传感器进展声波传播速度的补偿后，设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

　　超声波测距误差分析如下：

　　根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

　　时间误差

　　当要求测距误差小于1mm时，假设超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<（0.001/344）≈μs。

　　在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量X围内。

　　超声波传播速度误差

　　超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高如此超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系等。

　　超声波速度与温度的关系如下：

　　式中：

r—气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

　　R—·mol-1·K-1，

　　M—×10-3kg·mol-1，

　　T—绝对温度，273K+T℃。

×T℃

　　式中：

C0为零度时的声波速度332m/s；

　　T为实际温度（℃）。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

假如超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm[2]。

二、设计或研究主要内容和重点，预期达到的目标与拟解决的主要问题和技术关键，有何创新之处。

〔此局部为重点阐述内容〕

图1系统原理

本系统设计方向基于传统的测量距离必须要碰触到物体这个不便。

整个硬件系统由超声波发射、回波信号接收、显示和报警、电源〔使用电池供电，也适应安装在车上〕等硬件电路局部以与相应的软件局部构成。

系统原理框图，如图1所示。

整个系统由单片机STC89C52控制，超声波传感器采用收发分体式，分别是一支超声波发射换能器TCT40－16T和一支超声波接收换能器TCT40－16R。

超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。

进展相关处理后，输入单片机的INT0脚产生中断，计算中间经历的时间，根据L=C×T就可得出相应的距离用来显示。

考虑到汽车倒车要求的精度不高，设计要求准确到cm〔厘米〕，实际距离和测量距离误差少于±5cm，汽车在倒车场合也可根据需要，自己也可以设置警告距离等于50cm为报警值，软件实现容易修改报警距离，去处温度补偿繁琐电路等优点[3]。

三、研究方案：

[⑴技术方案〔有关方法、技术路线、技术措施〕；⑵实施方案所需的条件〔技术条件、试验条件等〕]

硬件设计选择方案：

超声波发射局部是为了让超声波发射换能器TCT40－16T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。

40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：

采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。

编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进展功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40－16T以声波形式发射到空气中。

发射局部的电路，如图2所示。

图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

图2超声波发射局部

上述TCT40－16T发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收局部是为了将反射波（回波）顺利接收到超声波接收换能器TCT40－16R进展转换变成电信号，并对此电信号进展放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2（INT0）引脚，以产生一个中断。

接收局部的电路，如图3所示。

图3超声波接收局部

　　可以看到，集成芯片CX20106在接收局部电路中起了很大的作用。

CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、本钱低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz比拟接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，X围为30～60kHz。

故本次设计用它来做接收电路。

CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器与整形电路构成。

工作过程如下：

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到适宜幅值的矩形脉冲，由滤波器进展频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。

当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到．AT89S52的INT0引脚上，以触发中断。

假如频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R42，将滤波器的中心频率设置在40kHz，就可达到理想的效果。

集成芯片CX20106优点：

简单易用，电路简单，减少了生产调试的麻烦。

缺点：

必须保证接收到的信号为40KHz，否如此无法解调出。

软件设计方案选择程序使用C语言编程实现：

设计思想是利用单片机的某个引脚编程使得它产生上下电平的信号，大约38.5kHz方波信号.如果取方波的周期为1/40ms的，即25µµs。

意味着控制引脚在每隔半周期时间，让输出的引脚上电平信号取反〔高电平变低电平，低电平变高电平〕，便能输出大约40kHz方波信号。

但实际制作实物是使用12M晶振连接的单片机的时钟电路，因此时间分辨率是1µs，所以最后只能产生半周期即为12µs或13µs的方波信号，频率大约分别为41.67kHz和38.46kHz。

本设计在编程时选择了大约38.5kHz。

选定了让单片机的P2.1引脚产生大约38.5kHz的方波信号输出，同时开始利用内部定时器0的第二功能定义的计时功能，计时直到接收到回波信号后，接收电路输出端产生的负跳变信号送给单片机的外部中断0输入端口产生一个外部中断请求的信号，响应中断请求，执行外部中断服务子程序，就要停止计时，读取来回的时间差，计算出距离，然后通过软件译码，将数据输出液晶显示屏显示[5]。

为了凋试方便，合理模块化程序分为几个局部：

DS18B20温度传感器检测，分为初始化、写入命令以与读取子程序等局部；

液晶显示器LCD1602的显示模块，分为初始化、写入子程序以与显示子程序；

温度补偿模块与距离公式计算模块，分为超声波发送控制程序、接收处理程序、温度补偿子程序等[5]；

本次设计使用C语言编写程序，C语言相比汇编有许多的优势，但是大约38.5kHz信号我使用汇编程序编写，因为经过尝试，发现C语言编写发送信号的误差较大；编译器使用NEWKELL进展程序编译，Keil功能强大使用方便。

主程序包括〔系统的初始化、按键处理以与各个子程序的调度管理等局部〕，还有定时服务子程序和外部中断服务子程序。

程序流程图4所示，描述了各个模块的关系：

主程序流程图定时中断服务子程序外部中断服务子程序

四、主要参考文献目录

[1]曾光宇.杨湖等.现代传感器技术与应用根底[M]：

理工大学，2006.

[2]X洪润,X亚凡，邓洪敏等.传感器原理与应用[M]：

清华大学，2008.

[3]王煜东.传感器原理应用电路400例[M]：

中国电力，2008.

[4]余永权.汪明慧等.单片机在控制系统中的应用[M]：

电子工业，2004.

[5]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M]：

电子工业，2009.

[6]李丽霞.单片机在超声波测距中的应用[J]电子技术,2002.〔6〕：

52-73．

[7]姜道连.用AT89C2051设计超声波测距仪[J]国外电子元器件,2000.〔7〕：

63-93．

[8]X鹏.一种新型超生测距系统[J]某某:

某某大学学报,2003.〔4〕：

52-83．

[9]李学海.PIC单片机实用教程－根底篇〔第1版〕[M]：

航天航空大学,2002.

[10]贾伯年.传感器技术[M]某某:

东南大学,2000.

[11]阎石.数字电子技术根底[M]:

高等教育,1998.

[12]楼然苗.51系列单片机设计实例[M]:

航空航天大学,1999.

[13]谭浩强.C程序设计〔第三版〕[M]：

清华大学，2005.

[14]朱伟芳.一种便携式长度测量系统的硬件设计[J]某某：

某某电器,2005.〔5〕：

167-173．

五、毕业设计〔论文〕工作进度计划。

〔必须包含一定工作量的计算机知识综合应用环节〕

1）第一阶段:

开题论证阶段，认真学习《自动化毕业实习大纲和指导书》，详细了解本次毕业设计的目的、任务要求、时间安排与有关辩论的问题。

查找资料，了解课题的设计要求，确定根本方案。

（2周，2013年2月——2013年3月10日）

2）第二阶段:

实物硬件制作流程。

（3周，2013年3月11日——2013年3月31日）

3）第三阶段:

软件设计与仿真调试，主要完成系统的软件设计与主程序、各子程序的仿真调试。

（5周，2013年4月1——2013年5月4日）

4）第四阶段:

按照要求撰写毕业设计（论文）。

（2周，2013年5月5日——2013年5月18日）

5）第五阶段:

论文审核修改阶段，指导教师审阅论文，提出修改意见，学生编辑修改论文，学生论文打印稿经指导教师评定之后交给评阅教师评阅。

（2周，2013年5月19日——2013年5月29日）

6）第六阶段:

毕业辩论阶段。

（1周，2013年5月30日——2013年6月7日）

六、指导教师审核意见

指导教师签字：

年月日

七、开题辩论结论和审核意见

教研室主任签字：

年月日