有关单片机的论文.docx
《有关单片机的论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有关单片机的论文.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
有关单片机的论文
毕业设计（论文）
题目：
基于单片机的超声波测距系统的设计
指导教师：
刘旭飞
姓名：
范孟沁
学号：
1102742
专业：
通信技术
班级：
11通信1班
起止日期：
2013年11月5日至2014年4月30日
教务处制
毕业设计指导任务书
毕业设计题目基于单片机的超声波测距系统的设计
学生姓名范孟沁专业通信技术
指导教师刘旭飞职称教授
毕业设计的内容及要求：
设计的任务:
先根据题目进行调研，然后自己提出一个方案并进行设计完成。
：
。
要求：
1:
国内外现状，根据现状提出自己的观点；
2:
提出一个方案，该方案设计的芯片等都需要详细叙述；
3:
该方案的优点缺点，理论精度等等。
毕业设计进度计划：
1、期限：
自2013年11月5日起至2014年4月30日
2、具体进度安排：
时间
完成内容
2013.11.5至2013.11.30
查阅资料
2013.12.1至2014.12.31
弄懂超声波测距的工作原理和工作过程并简要摸索出它的论证方案，作出其方案图
2014.3.1至2014.3.30
在经过详细研究下选择出超声波测距的电路元件，通过计算制作出它的电路图并实际操作安装和调试
2014.4.1至2014.4.30
完成毕业论文
毕业设计教师指导记录表
班级通信技术1班指导教师刘旭飞
学生姓名
陈娅
学号
0700232
专业
通信技术
第一次指导
指导时间：
2013.11.5
指导内容：
先选择本次设计的题目，在老师的指导下查阅电子资料的方法。
第二次指导
指导时间：
2013.12.15
指导内容：
检查查找资料的情况，指导弄懂超声波的工作原理和工作过程。
第三次指导
指导时间：
2014.1.25
指导内容：
指导对超声波测距的方案进行论证，作出其方案
第四次指导
指导时间：
2014.2.5
指导内容：
指导选择出超声波测距所需的电路元件，通过计算制作出发生器电路图。
第五次指导
指导时间：
2014.3.15
指导内容：
指导毕业论文的写作，分为几个部分来写。
第六次指导
指导时间：
2014.4.10
指导内容：
指导毕业论文的书写规范。
摘要
本文属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
故采用以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、预置子程序、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。
关键词：
超声波，AT89C51单片机，测距系统
第1章绪论
1.1课题背景目的及重要意义
随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。
在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在[M]。
传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。
但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。
超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。
因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点。
超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波。
它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，可解决超长度的测量。
超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，反射，折射，干涉，衍射，散射。
与物理紧密联系，应用灵活。
并且更适合与高温，高粉尘，高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。
超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。
而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关[J]。
超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。
在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用课程设计目的是单片机原理与接口技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。
通过单片机原理与接口技术的课程设计,使学生初步掌握设计的基本方法。
培养学生分析问题和解决问题的能力；培养学生应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。
1.2国内外研究现状
目前国内的超声波测距仪技术落后产品功能低端，专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
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，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度测距仪超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
国外超声波测距仪技术领先，产品齐全，性能比较稳定，市场需求量大，测量精度高，测量误差小。
第2章课题的方案设计与任务
2.1超声波测距仪的原理
单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。
主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。
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s=vt/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，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。
其系统框图如图2-1所示:
图2-1超声波测距系统框图
2.2课题设计的任务和要求
采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。
可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。
设计任务：
1.了解超声波测距仪的原理。
2.根据超声波测距原理，设计超声波测距仪的硬件结构电路。
设计要求：
1.掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。
2.独立设计原理图及相应的硬件电路。
3.设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。
并附上详细的原理图。
4．LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：
cm）。
5．测量方式可通过硬件开关预置。
测量范围：
20cm～1000cm，误差5cm。
第3章系统的硬件结构设计
3.1系统的硬件设计
本次设计主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。
单片机部分采用AT89C51作为主控制器；显示电路采用的是动态驱动形式的LED数码显示器；超声波的发射电路用的是由压电式超声波转换器，发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射；超声波检波接收电路采用的是由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。
3.2单片机的功能特点
3.2.1AT89C51单片机
单片机AT89C51采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由一个8位的80C51微处理器，4KB的程序存储器FlashROM，256字节的RAM，2个16字节的定时/计数器TO和T1，4个8位的I/O端口：
P0，P1，P2，P3，一个全双工UART串行通信口等组成。
特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），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。
单片机AT89C51提供以下功能：
4KB存储器；256字节RAM；32条I/O线；2个16字节定时/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。
单片机AT89C51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系统。
AT89C51单片机封装图如下：
图3-1AT89C51单片机封装图
3.2.2AT89C51主要特性
与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器（寿命100写/擦循环，数据保留10年）；全静态工作：
0~24KHz；三级程序存储器锁定；128×8位内部RAM；32位可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的限制和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。
3.2.3管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据储存器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接受输出4TTL门电路流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲区可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当由于外部程序储存器或16位地址外部数据存储器进行存取时了，P2口输出地值的高八位。
再给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输入口）
P3.2（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程娇艳接受一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入变成脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可以用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如果禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序储存器的选通信号。
在有外部程序存储器取值间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET：
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向震荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.3超声波发射和接收电路
超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。
由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。
医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。
主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
系统的特点是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的计时。
本超声波测距系统以AT89C51为中央处理器，系统上电工作后，由脉冲发生器发出脉冲信号。
该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超声波脉冲；另一方面触发AT89C51内部定时器T1开始定时，同时等待接受信号，关闭定时器。
3.3.1超声波发生器与超声波发射角
超声波发送脉冲信号由单片机产生,将脉冲信号放大用以驱动超声波换能器发送超声波。
并由单片机控制脉冲群的脉冲个数及脉冲群之间的时间间隔,其发送间隔取决于要求测量的最大距离。
若在有效测距范围内有被测物,则在后一路探测波束发出之前应当接收到前一路发出的反射波,否则认为前一路没有探测到物体。
按有效测距范围及最大测量距离可以算出最短的脉冲群间隔发送时间。
例如,最大测距距离为5m时,脉冲间隔时间t=2D/C=2×5/340≈30ms,实际应取t≥30ms。
超声波的发射是利用逆压电效应，在压电晶片上施加交变电压，使其产生电致伸缩振动而发射超声波。
根据共振原理，当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时就产生共振，此时发射的超声波最强。
图3-2超声波发生器内部结构
压电超声波转换器的功能：
利用压电晶体谐振工作。
超声波发生器内部结构如图3-2所示，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，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。
超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。
超声波发散角选用型号401型时超声波的发散角为45度（选用各种不同型号探头时，发散角有所变化）。
超声波传感器即可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一束超声波束，只有待发射结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在D时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。
因此，在余振未消失前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声波传感器具有一定的测量范围。
此超声波最近可测量20cm。
超声波发射电路原理图如图3-3所示。
发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。
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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。
超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
3.3.2超声波检测接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（图3-4）。
实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
图3-4超声波检测接收电路
3.3.3用于通用音调译码器
LM567为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。
用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。
LM567为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。
用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。
主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。
如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。
用外接电阻20比1频率范围
逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力。
可调带宽从0%至14%
宽信号输出与噪声的高抑制
对假信号抗干扰
高稳定的中心频率
中心频率调节从0.01Hz到500kHz
电源电压5V--15V，推荐使用5V。
3.4显示电路及显示器接口
一个单片机应用系统中，显示是人机通道的重要组成部分。
目前广泛使用的显示器件主要有LED（二极管显示器），LCD（液晶显示器）和VFD（真空荧光管）。
而LED显示器造价低廉，与单片机接口方便灵活，技术上易与实现，但只能形式阿拉伯数字和少数字符，通常用于对形式要求不高的场合。
本次设计采用LED。
LED显示器有静态和动态两种形式方式。
由于静态功耗大，占用CPU的I|O口线多，切成本高。
所以我选用动态显示。
所谓动态显示，实质上是多个LED显示器按照一定的顺序轮流显示。
它利用了人眼的“视觉暂留现象”，只要多个LED显示器的选通扫描速度足够快，人眼就观察不到数码管的闪烁现象。
动态扫描方式的所有LED段选线并联在一起，只由一个8位的I|O口控制，而各个LED的未选线则由另外一组I|O口控制。
动态LED显示方式的优点是功效较低，占用CPU的I|O口线少，外围接口简单，但程序编制较之静态显示方式略显复杂。
3.5超声波测距原理
超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。
由于共振法的应用要求复杂,在这里使用脉冲反射式。
超声波测距原理是通过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C,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差t,就可以计算出发射点距障碍物的距离S,即:
S=Ct/2。
这就是所谓的时间差测距法
3.6声波测距系统的硬件电路设计
超声波测距系统主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。
采用AT89C51来实现对超声波转换模块的控制。
单片机通过P3.5引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。
计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
设计的原理框图如图3-5。
设计的原理图见附录B。
图3-5超声波测距原理框图
第4章系统软件设计
软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块,在主程序中采用键控循环的方式,当按下控制键后,在一定周期内,依次执行各个模块,调用预置据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。
当测得距离小于预置距子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序,并把测量的结果进行分析处理,根离时,声报警程序被调用。
AT89C51单片机和其开发应用系统具有语言简单，可移植性好，表达能力强，表达方式灵活，可进行结构化设计，可直接控制计算机硬件，生成代码质量高，使用方便等诸多优点。
超声波测距软件设主计要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。
下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介绍。
超声波测距系统的软设计
图4-1（a）主程序流程图（b）定时中断服务子程序（c）外部服务中断子程序
软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图4-1（a）（b）（c）所示。
主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。
主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口。
P0和P2清零。
然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时0.1MS（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。
LED超声波发送电路输入端接单片机P3.7端口。
单片机执行程序时，在P3.5端口输出一个40KHZ的脉冲信号，通过超声波发射电路发射出去，同时启动单片机内部定时器T0，定时器开始计数。
延时2.0MS后，当障碍物将超声波发射回来，超声波接收电路就开始接受处理。
定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。
4.1超声波测距器的算法设计
下图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。
这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。
距离计算公式：
d=s/2=（c*t）/2d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间声速c与温度有关，如温度变化不大，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。
声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。
在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度被偿。
这里可以用DS1820测量环境温度，根据不同的环境温度确定一声速提高测距的稳定性。
为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。
表4-1不同温度下的超声波声速表
温度/oC-30-20-10010203
升级会员 