单片机的超声波测距系统的毕业设计方案 .docx

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1、精品名师归纳总结学 科 类：工科学 号： 100703050115学校代码： 12795密 级：公开2021 届本科生毕业论文超声波测距系统的设计院 系：电子与信息学院专 业：通 信 工程姓 名：刘 军指导老师：尹建平答辩日期： 二一四年五月可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结毕业论文诚信声明本人正式声明：所呈交的毕业论文超声波测距系统的设计是本人在指导老师的指导下，独立争论、写作的成果。论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、争论成果，均在论文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人独自承担。作者 签 名：指导老师签名：年月日可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结

2、摘要超声波是指频率在 20kHz 以上的声波，它属于机械波。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸取而发生衰减等。正是由于具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括发射电路、接收电路、单片机电路、电源电路和显示电路，另外仍有LCD 掌握电路和复位电路等。我采纳以 AT89S51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。整个电路采纳模块化设计，由信号发射和接收、供

3、电、温度测量、显示等模块组成。发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计时器开头计时，超声波被发射后按原路返回，在经过放大带通滤波整形等环节,然后被单片机接收，计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机，通过程序对速度进行校正，结合两者实现超声波测距的功能。软件程序由主程序、发射子程序、接收子程序、预置子程序、显示子程序等模块组成。它掌握单片机进行数据发送与接收，在肯定温度下对超声波速度的校正，仍有实现数据正确显示在LCD 上。另外程序掌握单片机排除各探头对发射和接收超声波的影响。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等，

4、空气的温度对超声波的速度影响也很大。此外供电电源也会使测量差生很大的误差。在设计的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。【关键词】： AT89S51 超声波测距可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结AbstractIs the frequency at 20kHz ultrasonic sound waves above , it is a mechanical wave . Also follow the general mechanical ultrasonic wave propagation in elastic media , such as reflection a

5、nd refraction at the interface media into the media after the decay occurs , such as dielectric absorption . It is because of these properties , so that ultrasound can be used to measure the distance .With increasing levels of technology , ultrasonic ranging technology is widely used amongpeoples da

6、ily work and life.Design of the system consists of two parts , namely hardware and software programs. The hardware circuit includes a transmitter circuit, a receiver circuit, the microcontroller circuit, a power supply circuit and a display circuit ,in addition to the LCD controlcircuitand a reset c

7、ircuit.Iused toAT89S51 core, low-cost, high-precision, miniaturized ultrasonic rangefinder digital display hardware circuits. The entire circuit is modular in design , the signal transmission and reception , power , temperature measurement and display module. Signal amplification and detection probe

8、 launch after launch out MCU timer is started , the original way back after the ultrasound was launched , after amplification bandpassfiltering plastic and other sectors, then the microcontroller receives the counter to stop working and get the time . After the temperature measurement to the microco

9、ntroller, the speed through the process of correcting a combination of both to achieve Ultrasonic Ranging function. Software program from the main program , launch subroutine receives subroutine , preset routines, subroutines and other display modules . It controls the microcontroller for data trans

10、mission and reception , at a certain temperature correction of ultrasonic velocity , as well as data on the LCD display correctly .Another procedure controls the microcontroller to eliminate the influence ofthe probe fortransmittingand receiving ultrasonic waves .Accompanied by the relevant part of

11、the hardware schematics, program flow .The actual environment of great influence on the ultrasonic wave , such as an external electromagnetic interference power interference channel interference , etc., the temperature of the air is also a great influence on the speed of the ultrasonic wave . Beside

12、s measuring the power supply also make great error of poor students . Redesign process to consider these factors , and gives some solutions.【Key words】： AT89S51Ultrasonic waveRanging目录一、绪论 1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1.1 课题争论的背景及意义11.2 超声检测在国内进展综述 11.3 本文主要争论内容 2二、超声波测距原理与方法 42.1 超声波简介 42.1.1 超声波的三种形式

13、42.1.2 超声波的物理性质 42.1.3 超声波对声场产生的作用 42.2 超声波传感器介绍 52.2.1 超声波的测距原理及结构 52.2.2 超声波传感器挑选 72.2.3 超声波测距的原理 72.2.4 发射脉冲波形 82.3 本章小结 9三、系统硬件设计 103.1 发射电路设计 103.1.1 发射电路设计方案 113.1.2 发射电路方案 113.1.3 超声波发射器的留意事项 123.2 接收电路设计 133.3 单片机显示电路设计 143.3.1 LCD 显示部分 183.3.2 报警部分 193.4 本章小结 19四、软件设计和测量结果分析 204.1 系统软件设计 20

14、4.2 外部中断子程序 234.3 定时器中断子程序 25可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4.4 实现重要功能的程序分析 264.4.1 实现温度读取功能 264.4.2 实现依据温度转化声速 264.4.3 实现距离运算 274.5 本章小结 27五、结论 28致谢 29参考文献 30可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结一、绪论1.1 课题争论的背景及意义近年来，随着电子测量技术的进展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济进展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳固就备受青睐。超声波指的是20kHz 以上的声波。超声波同样遵循一般机械

15、波在介质中的传播规律，比如在介质的分界面处发生折射及反射现象，进入介质后而被介质吸取而发生衰减等。正是由于具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少爱护、不污染、高 牢靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水 处理厂、农业用水、环保检测、食品酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶

16、制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、大路限高等行业中。可在不同环境中进行距离精确度在线 标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位掌握，可进行差值设定，直接显示各种液位 罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超 声波检测往往比较快速、便利、运算简洁、易于实现实时掌握，并且在测量精度方面能 达到工业有用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动逃避障碍物行走，就必需装 备测距系统，以使其准时猎取距障碍物的位置信息 超声波的反射和折射当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射。 另一部分透射过界面，在相邻介质内部连续传播。这样的两种情形称之

17、为超声波的反射和折射。2 超声波的衰减超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。3 超声波的干涉假如在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。由于超声波的干涉，在辐射器的四周形成一个包括最大最小的扬声场。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.1.3 超声波对声场产生的作用1 机械作用超声波传播过程中，一般会引起介质质点交替的伸张与压缩，造成了压力的变化， 引起机械效应。超声波引起质点的运动，尽管位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大，有时足以破坏介质。2 空化作用流体动力学指出，在声场作用下振动的液体中的微气泡在达到肯定声压值的

18、时候， 气泡会快速膨胀，之后就突然闭合，而在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程就叫做为空化 4 。3 热学作用假如超声波作用于介质时被介质所吸取，实际上也就是有能量吸取，同时，由于超声波的振动，使介质产生剧烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度上升。2.2 超声波传感器介绍总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是利用机械方式产生出超声波，一类是利用电气方式产生出超声波。机械方式有液哨、气流旋笛和加尔统笛等。电气方式就包括电动型、磁致伸缩型和压电型等。他们产生出的超声波频率、功率和声波特性都各自不相同，因此用途也不尽相同，压电式超声波发生器是目前比较

19、常用的发生器。实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片、一个共振板。当压电式超声波发生器的两极外加脉冲信号，频率等于压电晶片的固有振荡频率的时候，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波。相反，未在两极间加电压时，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动来转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波传感器结构如下图所示：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2-1 传感器的外部结构 图 2-2 传感器的内部结构2.2.1 超声波的测距原理及结构通过超声波发射装置发出超声波，依据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距 离了，这与雷达测距原理相像。比如超声

20、波发射器朝一方向发射出了超声波，同时在发射时刻的计时，途中遇到障碍物就立刻返回来，超声波接收器收到反射波就立刻停止 计时。 ，即： s=340t/2 ）在精度要求较高的情形下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式2-1 对超声波传播速度加以修正，以减小误差。V=331 .4+0.607T 2-1式中， V 为超声波在介质中的传播速度单位为 m s， T 为实际温度单位为。超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射才能越强，因此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。目前常用的超声传感器有两大类，即流体动力型与电声型。流体动力型中包括有气体、液

21、体两种类型的哨笛。电声型主要有压电传感器、静电传感器和磁致伸缩传感器。压电传感器的探头由楔块、压电晶片和接头等组成。压电材料可分为压电陶瓷和晶体两类。属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等，属于晶体的如石英，铌酸锂等，其具有以下的特性 :把这种材料置于电场之中，它就产生肯定的变化。相反，假如对它施以外力，由于产生了应变就会在其内部产生肯定方向的电场。超声波传感器通常由双压电陶瓷片制成的。这种超声波传感器需要较少的压电材料，价格低廉，特别适合于气体和液体介质。当压电陶瓷转变沟通电压的大小和方向， 依据压电效应，压电陶瓷片将产生气械变形，机械变形是与在肯定范畴内所施加的电压大小和方向成比例的。即在压电

22、陶瓷晶片上加有频率为沟通电压，它就会产生相同频率可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的机械振动，以促进这种介质，例如空气，可发射超声波。假如在压电陶瓷片上，这将使得机械变形时，压电陶瓷片的机械变形，产生与机械超声波相同频率的电信号。AB图 2-3 双压电晶片示意图图 2-4 双压电晶片的等效电路图双压电晶片的等效电路如图2-4 所示， R 是电损耗， C0 为静电电容， R 是损耗串联电阻，联电阻 Cm、Lm 是机械共振回路的电容和电感。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率.0，发射超声波时，加在它两端的交变电压的频率必需和它的固有谐振频率保持一样。在这种情形下，超声波传感器具有很高的

23、灵敏度。当转变压电材料常数和转变压电陶瓷片，由超声波换能器的频率特性很简洁转变使用的固有谐振频率的几何外形5 。2.2.2 超声波传感器挑选在超声波测量系统中，频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短， 辨论力也变高。频率取得太低，外界的杂音干扰会相应的变多。文中所采纳的探头是40KHz的收发分体式超声传感器，由发射传感器UCM-T40KI和接收传感器UCM- R4OKI 组成，其特性参数如表2-1 所示。表2-1 传感器特性参数表型号UCM-T40K1UCM-R40KQ结构开放式开放式使用方式发射接收中心频率可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结频带宽灵敏度声压 指向角容

24、量2.2.3 超声波测距的原理超声波测距方法主要有三种：1）相位检测法：精度高，但检测范畴有限。2）声波幅值检测法：易受反射波的影响。3 ）渡越时间法：工作方式简洁，直观，在硬件掌握和软件设计上都简洁实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间 t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。设 l 为测量距离， t 为来回时间差，超声波的传播速度为c，就有 l=ct/2 。综合以上分析，本设计将采纳渡越时间法6。图 2-6测距原理由于超声波也是一种声波，其声速c 与空气温度有关，一般来说，温度每上升1 摄氏度，声速就增加 0.6M 秒。表 2-2 列出了几种温度下的

25、声速：表 2-2声速与温度的关系表温度摄氏度）-30 -20 -100102030 100声速声速确定后，只要测得超声波来回的时间，即可求得距离：L=1/2331.4+0.6Tt 。系统中应用该式进行温度补偿）2.2.4 发射脉冲波形超声测距常用的发射脉冲波形如图2.7 所示有衰减振荡脉冲、单个尖脉冲、宽等幅波列脉冲和窄等幅波列脉冲。单个尖脉冲 衰减振荡脉冲窄等幅波脉冲宽等幅波脉冲图 2.7 超声波测距常用发射脉冲波形2.3 本章小结本章介绍了超声波的形成、超声波在传播过程中的反射折射规律以及如何衰减。通过具体分析超声传感器的内部结构以及影响超声传感器的几个重要参数给出本系统设计可编辑资料 -

26、 - - 欢迎下载精品名师归纳总结中所用超声传感器的特性参数。析了超声波测距的基本原理，并在此基础上给出了测距的几种常用方法以及传感器指向角、环境温度、工作频率、发射脉冲波形。三、 系统硬件设计系统硬件主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成。随着超声波测量技术的不断提高，用超声波测量任何目标物体，都存在着超声波的发射和接收问题。不论超声波传感器的大小、外形、灵敏度有何不同，其工作原理都是一样的 ，即为： s=340t/2 ，这就是所谓的时间差测距法。存在 4 个因素限制了该系统的最大可测距离：超声波的幅度、反射的质的、反射回波和入射声波之间的夹角

27、以及接收换能器的灵敏度。误差一般由以下几个方面引起的：1）探测目标的入射角会受超声波波束影响。2）待测距离的远近关系着超声波回波声强，就会导致实际测量时不肯定是第一个回波的过零点触发。3）传播速度的影响。超声波传播速度的稳固与精确度是保证测量精度的必要条件，而超声波的传播速度又受传播媒质特性的影响。传播媒质的压力、温度、密度都将对声速产生直接的影响，因此需对声速加以修正。实际的调试过程中，要特别留意发射和接收探头在电路板上的安装位置，这是由于每一种超声波发射、接收头都有一个有效测量夹角，这里用到的发射、接收头有效测量可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结夹角为 45 。接收换能器对超

28、声波脉冲的直接接收才能将打算该系统最小的可测距离。为了增加所测量的掩盖范畴、减小测量误差，可采纳多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法 8。3.2 接收电路设计接收部分主要由接收换能器和放大电路组成。里面的放大电路是一个三级运算放大器 A1 ，功能是将从目标处反射回来的柔弱信号进行放大整形后送入计数掌握电路部分。由于在距离较远的情形下，回波信号很小，转换为电信号的幅度也较小，此要求将信号放大 60 万倍左右。采纳三级放大：前两级放大100 倍，用高精密放大器LM318 ，带宽为 15MHz ，充分满意要求。第三级采纳LF353 运算放大器，宽为 4MHz 。放大后的沟通信号经光电

29、隔离送入比较器，比较器的作用是将沟通信号整形为一个方波信号，输出信号送入 555 单稳态触发器。前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利于后续电路的设计。图 3-3 前置放大电路图电路如图 3-3 所示，超声换能器的输出电阻比较大，因此前置放大器必需有足够大的输入阻抗 InputImpedance 。换能器的输出电压很大前置放大电路是由一个高精度、高输入阻抗放大器 TL082 及电阻 R2 、R3 和 Rp 构成，组成反向比例放大电路，这样可以减小的线噪声的影响。由电路可列出 :可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结I3-2I把放

30、大器抱负化后 :1. 集成运放两个输入端之间的净输入电压U 通常接近于零，即 U=U-UO，如把它抱负化，就有 U=0 ，但不是短路，故常称为虚短。2. 集成运放两输入端几乎不取用电流，即净输入电流I0 ，如把它抱负化，就有，但不是断开，故常称为虚断。故可知本电路中： U+=0， U-=U +=0 所以有3-4上式说明，输出电压与输入电压成比例运算关系，式中的负号表示与反相。电路的电压放大倍数为 :3-5依据本设计需要，接收传感器输出电压很小 数十毫伏 ，故分别取R2=1K. 。R3=200K . 。 RP=1K. ，即放大电路将输入信号放大 200 倍。3.3 单片机显示电路设计显示器是一个

31、其应用是极为广泛的设备，基本上全部的电子产品都要使用显示器，而其差别仅在于显示器的结构类型不同而己。最简洁的显示器可以使LED 发光二极管，给出一个简洁的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应当是CRT 监视器或者屏幕较大的 LCD 于显示的距离范畴在4M 之内，选用 3 位 LED 示，表示距离的 XXXcm 数值。液晶屏。综合课题的实际要求由数码管通过单片机编程实现显示，表示距离的 XXXcm 数值。LED 数码管显示与单片机接口通常涉及以下几个问题:1. 由数码转换为笔划信息借软件译码仍是硬件译码2. LED 数码管显示用共阴极管仍是共阳极管3. 显示扫描采纳动态扫描仍是静态扫描问题 1

32、软件译码是将各数码的笔划信息构成一个表格预储于内存，以后依据要显示可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的每一数码执行一段查表程序，查得相应笔划信息再送数码管显示。硬件译码就采纳CD4511 、74LS46 、74LS47 、74LS48 、74LS49 等 BCD 码七段锁存、译码、驱动芯片直接译出笔划信息。问题 2 采纳共阴极数码管仍是共阳极数码管没有太明显的优缺点。如图3-4a ）所示数码管，每个数码管内部，由8 个发光二极管组成，其中七个组成8 字形的七段笔划，分别编号为 a、b、c、d、e、f、g，仍有一个为小数点，标为DP 。当发光二极管导通时，相应的一段笔划或点就发亮，掌握不同二极管导通就能显示出不同符号。发光二极管的阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图3-4b ）所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳，如图3-4 ，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应给人的印象就是一组稳可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结VCC98X1107X2116X3125X4134X5143X6152X7161X8a KY1b Kc d e