超声波测距系统 论文Word格式文档下载.docx
《超声波测距系统 论文Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波测距系统 论文Word格式文档下载.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
（1）研究超声波测距原理。
（2）准确选择单片机、超声波测距模块等元件。
（3）制作超声波测距仪。
（4）测距距离达到1.5m，精确度在0-1cm范围内。
主要参考文献：
[1]田华等.可编程单总线数字式温度传感器DS18B2的原理与应用.电子质
量，2004.7
[2]杨姣秀.基于单片机的超声波测距仪的设计.2008
[3]深圳市捷深科技有限公司.HC-SR04超声波测距模块说明书
[4]TomR.Watt.Coolingourtomorrowseconomically，ASHRAEJournal.
[5]ArmyKayla.Improvingefficiencyinexistingchillerswith
阶段规划：
2014年02月17日——2014年02月28日审题，查阅相关资料完成开题报告
2014年03月01日——2014年03月15日依据相关的资料进行毕业设计
2014年03月16日——2014年03月31日写毕业设计报告
2014年04月01日——2014年04月23日论文格式审查
2014年04月23日——2014年05月17日准备答辩
开题时间
2月17日
完成论文时间
5月17日
专家审定意见：
系主任签字：
年月日
注：
1．任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。
2．此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据之。
摘要
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、复位子程序、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。
经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。
关键词：
AT89C51超声波测距
ABSTRACT
AtthecoreofthedesignusingAT89C51low-cost,highaccuracy,Microfiguresshowthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.Theresearchhasledtothediscoverythatthesoftwareandhardwaredesigningisjustified,theanti-disturbancecompetenceispowerfulandthereal-timecapabilityissatisfactoryandbyextensionandupgrade,thissystemcanresolvetheproblemofthecaravailably,buildingconstructionthepositionoftheworkplaceandsomeindustriesspotsupervision.
Keywords：
AT89C51UltrasonicwaveMeasureDistance
目录
摘要I
ABSTRACTII
前言V
1绪论1
1.1课题设计目的及意义1
1.2超声波测距仪的设计思路2
1.3课题设计的基本内容和主要问题2
2主要元件介绍4
2.1单片机4
2.2HC-SR04超声波测距模块9
2.3J12864点阵型液晶显示屏13
3课程的方案论证与设计17
3.1系统整体方案的论证17
3.2系统结构的设计18
3.3系统的主程序19
4电子元件焊接（做实物）21
4.1焊接工具21
4.2焊前处理与焊接技术21
结论23
参考文献24
致谢26
附录27
前言
随着科学技术的迅速发展，超声波测距系统在生活中的应用越来越广。
但就目前技术水平来说，人们可以利用的测距技术还十分的有限，因此，这是一个正在蓬勃发展的而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来，超声波测距系统作为一种新型的非常有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益迅速发展的社会需求。
超声测距指的是利用超声波的反射特性进行距离测量，在车辆自动导航、机器入的定位和对象识别、海洋水声以及工业距离的测量方面具有重要意义。
常见的测距原理和方法主要有脉冲回波法和相位差法两种。
相位差法与脉冲回波法的不同体现在对回波的处理方式上，由超声波换能器接收端获得调制声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。
由于采用的是相位比较，使得测距精确度大大提高，但这种方法本身存在明显的缺陷。
由于相位测量存在以2n为周期的多值解，从而容易造成解的不确定性。
为了消除多解，常常需要引入包络检测和采用发射多种不同频率波的方式减小不确定度，这就使得该方法的实现复杂化。
1绪论
1.1课题设计目的及意义
超声波测距系统在人们生活中有很多应用。
本课题设计目的是开发出一种精度高测距效果实用，成本低廉的超声波测距系统。
1.1.1设计的实用价值
展望未来，超声波测距系统作为一种新型的非常有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益迅速发展的社会需求，例如声纳的发展趋势基本为：
研制具有更高定位更高精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；
继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；
研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；
大大降低潜艇自噪声，改善潜艇的声纳工作环境。
无庸置疑，未来的超声波测距系统将会逐渐与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多功能测距仪。
随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯测距功能发展到具有自主学习功能，最终发展到具有强大的创造力。
在新的世纪里，面貌一新的测距仪将在生活中发挥更大的作用。
1.1.2设计的理论意义
随着科技的迅速发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市的排水系统也有较大的发展，其排水状况不断得到改善。
但是，由于历史原因和许多不可预见的因素，有一些城市的排水系统，特别是排水系统落后于其他方面建设的城市，经常出现挖开已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。
城市污水给人们带来了困扰，因此，城市的箱涵排污疏通对大城市的排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。
而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中能自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人设计研制的核心部分。
控制距离系统核心部分就是超声波测距系统的研制。
因此，能把超声波测距系统设计好就显得非常重要了。
这就是设计超声波测距系统的意义。
1.2超声波测距仪的设计思路
在设计超声波测距系统之前，应该先知道什么是超声波？
超声波的原理是什么？
1.2.1超声波简介
众所周知，当物体振动时会发出声音。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是Hz。
人类耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。
当声波的振动频率大于20000Hz或小于20Hz时，人类便听不见了。
因此，通常把频率高于20000Hz的声波称为“超声波”。
用于医学诊断的超声波频率为1～5MHz。
超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。
可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。
在医学，军事，工业，农业上有明显的作用。
理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度。
这就是超声波加湿器的原理。
对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位。
利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。
利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。
1.2.2超声波测距原理
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
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，表1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超声波传播速度与温度关系表
项目
数值
温度
-30
-20
-10
10
20
30
40
50
60
100
声速/（m•s）
313
319
325
332
338
344
350
356
361
367
388
1.3课题设计的基本内容和主要问题
设计超声波的基本内容是：
首先要查找超声波相关文献，搜集筛选制作超声波测距仪的材料。
然后使用ProtelDXP设计超声波测距仪的硬件结构电路图，这样能够有一个清晰的设计思路。
左后根据电路图和实际情况制作出超声波测距仪的实物。
在制作超声波测距仪时，遇到了很多问题。
在元器件的选择上哪些元器件能够做到即实用又能降低成本是一个很重要的问题。
例如：
选择什么样的超声波测距模块？
什么样的单片机比较实用，能够在快速计算的情况下保证运算的准确性？
选择显示器时哪一中能更加直观而且美观？
还有就是DXP的使用问题，在使用DXP时遇到了很多不能解决的问题，我在老师和同学的帮助下，把问题很好的解决了。
最后就是在焊接元器件的时候各种焊接工具的使用问题，例如要在不影响元器件功能的情况下把元器件焊的尽量美观；
要注意焊接工具的安全使用，不用时及时把电源关掉，避免发生火灾。
2主要元件介绍
这章主要介绍制作超声波测距系统的主要元器件。
2.1单片机
单片机作为超声波测距系统的核心运算模块在选择上是非常重要的，要考虑它的各种功能和价格，以下介绍单片机的选择和单片机的功能及原理。
2.1.1单片机的选择
一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。
如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。
目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。
在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有：
（1）单片机最基本性能参数指标。
执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。
（2）单片机的某些增强的功能。
（3）单片机的存储介质。
对于程序存储器来说，最好选用的是Flash的存储器。
（4）单片机的封装形式。
封装的形式多种多样，例如：
双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。
（5）单片机对工作的温度范围的要求。
在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。
（6）单片机的功耗。
（7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。
（8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。
（9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。
2.1.251系列单片机的功能特点及测距原理
单片机即单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）。
它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：
串行口、并行输出口等）、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯片上，所以又称为微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。
相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicrocontrollerUnit）。
本设计的MCU采用的是DIP（DualIn-linePackage塑料双列直插式）封装的AT89C51高性能8位单片机。
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本,其引脚图如图1。
图151单片机的引脚功能图
2.1.3AT89C51的引脚功能有：
（1）电源引脚
VCC（40脚）：
正电源的引脚，工作电压是5V。
GND（20脚）：
接地端。
（2）时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2
为了产生时钟信号，在89C51单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端。
单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接的是11.0592MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。
时钟信号电路如图2所示。
图2时钟信号电路
（3）复位RST（9脚）
当振荡器运行时，只要有有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么51单片机芯片就会循环不断地进行复位。
复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零。
本课题设计的单片机复位电路如图3所示。
图3单片机复位电路图
（4）输入输出口（I/O口）引脚
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址／数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻（5-10K）。
P1口：
Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
由于P3端口具有第二功能，为广大电子发烧友提供了更加广阔的开发空间。
其第二端口功能如下；
a.P3.0RXD（串行输入口）
b.P3.1TXD（串行输出口）
c.P3.2INT0（外中断0）
d.P3.3INT1（外中断1）
e.P3.4T0（定时／计数器0外部输入）
f.P3.5T1（定时／计数器1外部输入）
g.P3.6WR（外部数据存储器写选通）
h.P3.7RD（外部数据存储器读选通）
（5）ALE／PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
（6）PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。
（7）EA／VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
2.1.4单片机最小系统
单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础，单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统即单片机能工作的系统。
对于80S51单片机，由于片内已经自带有了程序存储器，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就可以组成了单片机的最小系统了。
单片机的最小系统如图4所示。
图4单片机最小系统原理图
2.2HC-SR04超声波测距模块
超声波测距模块是超声波测距系统的核心模块，它的量度和精度都会影响仪器的使用情况，本设计选择的是HC-SR04超声波测距模块。
2.2.1HC-SR04超声波测距模块特点
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；
模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
基本工作原理：
（1）采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈。
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2;
2.2.2HC-SRO4超声波测距模块实物和电气参数
（1）图5为超声波测距模块的实物图，具体接线方式为VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四个接口端。
图5HC-SR04测距模块的实物图
（2）HC-SR04主要技术参数：
1）使用电压：
DC5V；
2）静态电流：
小于2mA；
3）电平输出：
高5V；
4）电平输出：
底0V；
5）感应角度：
不大于15度；
6）探测距离：
2cm-450cm7:
高精度可达0.2cm；
7）接线方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND。
2.2.3HC-SR04模块的超声波时序图
时序图表明只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。
一旦检测到有回波信号则输出回响信号。
回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。
由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。
公式：
uS/58=厘米或者uS/148=英寸；
或是：
距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；
建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响，如图6所示。
图6超声波发射器的时序图
2.2.4超声波发射和接收电路设计
超声波是一种振动频率超过20kHz的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。
由于超声波的以上几个特点，所以超声波被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面。
而且，超声波的测量是一种比较理想的的非接触式的测距方法。
超声波的发射电路设计
超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。
超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用MAX232芯片进行信号放大，超声波发射电路如图7所示。
图7超声波发射电路
工作时，由单片机产生40kHz的脉冲从P0.1口向超声波的发射电路部分发出信号，再经MAX232放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。
超声波的接收电路设计
由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。
超声波接收电路主要是由集成电路LM234芯片电路构成的，LM234芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。
LM234芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；
而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。
LM234芯片的4脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。
LM234芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。
超声波接收电路如图8所示。
图8超声波接收电路
2.3J12864点阵型液晶显示屏
J12864液晶显示器在使用用上比LED数字显示器更加直观、美观。
2.3.1点阵LCD的显示原理
在数字电路中，所有的数据都是以0和1保存的，对LCD控制器进行不同的数据操作，可以得到不同的结果。
对于显示英文操作，由于
升级会员 