基于单片机的超声波测距仪设计.doc
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1、存档日期: 存档编号: 本科生毕业设计论文 论 文 题 目: 基于单片机的超声波测距仪 姓 名: 学 号: 108321015 系 别: 机电工程系 班 级: 机制 专 业 : 机械设计制造及其自动化 指 导 教 师: 江苏师范大学科文学院教务处印制江苏师范大学科文学院毕业设计论文任务书专业 机械设计制造及其自动化 班级 12机制Z 一、 设计题目:基于单片机的超声波测距仪二、 设计任务要求及主要原始资料:1、 设计制作超声波测距仪模型;2、 编写调试程序;3、 完成实物及程序的调试并使其正确的运行;4、 编写毕业设计说明书;5、 修改毕业设计说明书;6、 准备答辩。三、设计时间:2014年
2、3月14日 至 2014年 6月3日指导教师: 签名教学院长: 签名学习文档 仅供参考摘 要随着科技的发展、自动化程度的提高以及电子产品的普及,电子测距产品也走进了人们的视野。相对于普通的测量工具,它具有数字式显示、测距精准以及可智能化控制等优点。本系统是利用STC89C52单片机和超声波测距模块进行设计制作的智能化测距仪,主要实现距离的检测、数字式显示,以及超限报警等功能。基于单片机的超声波测距仪是以单片机为控制核心,通过超声波测距模块对被测物体发射超声波,利用超声波在空气中的传播速度和发射到接收到超声波所用时间计算得到距离。测距原理简单、容易实现,并且在生产生活中可以得到广泛使用和推广,具
3、有实际性意义。关键词:单片机STC89C52,超声波传感器,基于单片机的超声波测距仪。Ultrasonic ranging Abstract: With the development of science and technology, the improvement of automation and the popularity of electronic products, electronic product range also went into peoples horizons. Compared with the common measuring tool, it has a
4、 digital display, ranging precision and intelligent control, etc.This system is using STC89C52 MCU and ultrasonic ranging module to design the intelligent range finder, mainly realize the distance detection, digital display, and transfinite alarm and other functions. Based on single chip ultrasonic
5、range finder based on single chip microcomputer as control core, the object to be measured by the ultrasonic ranging module of launch ultrasonic wave, using the ultrasonic velocity in air and launch time to calculate the distance used to receive the ultrasonic. Ranging principle is simple, easy to i
6、mplement, and can be widely used in production and life and the promotion, has practical significance.Key words: microcontroller STC89C52, ultrasonic sensors, ultrasonic range finder based on singlechip. 学习文档 仅供参考目 录摘 要IUltrasonic rangingII第一章 绪论11.1 需求分析12第二章 单片机的概述33445第三章 基于单片机的超声波测距仪总体设计方案6663.3
7、 显示电路73.4 超声波测距模块83.4.1 HC-SR04超声波测距模块的特性83.4.2 HC-SR04超声波测距模块的引脚83.4.3 HC-SR04超声波测距模块的工作原理93.4.4 超声波时序图103.4.5 HC-SR04超声波测距模块的电路设计10第四章 基于单片机的超声波测距仪的硬件设计12124.2 单片机主板电路1212131314学习文档 仅供参考1516第五章 基于单片机的超声波测距仪的软件设计17171821225.5 超限报警子程序25总结27致谢27展望27附录A28附录B29参考文献36学习文档 仅供参考学习文档 仅供参考第一章 绪论本文主要讲解的是基于单片
8、机的超声波测距仪,它是以STC89C52为核心,以超声波测距模块为距离传感器的测距产品,其应用范围广泛,融入到各行各业。1.1 需求分析超声波测距仪广泛被用在建筑、工业生产、日常生活、军事、灾难搜救、水文液位测量、现场的位置监控、车辆倒车避障、移动机器人探测定位等领域,是智能化产业中的杰出产品。传统的测距仪器是普通的尺子,虽然它的价格十分廉价,但它的局限性很多,使用不方便,并且很多地方无法测量。超声波测距仪是以单片机为核心,以超声波测距模块为基础,具有使用方便、操作简单、局限性少、精度高、测量范围大,并且可以数字显示出测量距离等特点,给人们的生产生活,以及灾难搜救,军事等带来了巨大的方便。需求
9、报告:l 名称:超声波测距仪l 功能:测量并显示距离,也可以作为距离控制器,距离报警器。l 性能:3mm距离偏差。l 输入:一个是设定键, 一个加键,一个减键,用来调节报警距离。l 输出:距离显示,超限报警。基于单片机的超声波测距仪的未来21世纪,单片机已经普遍应用与生产生活各个方面。超声波测距仪作为其中产品已经受到广阔社会的认可和欢送。超声波测距仪是一种非接触式测距仪,防止了很多测量上的局限,而且受到外界影响很小,在粉尘污染、潮湿、高温、有腐蚀气体等恶劣的环境中也可以正常使用,同时其系统具有高稳定性,高可靠性,以及使用寿命长等优点。在科技前沿,不少研究人员利用超声波测距自动化控制使机器人避障
10、行走,这在灾害救援上起着重要的作用;在汽车倒车距离报警上的作用也是举足轻重的。基于单片机的超声波测距仪作为自动化控制的产品跟的上科技的步伐,走的进人们的生产生活,称得上是科技发展的必需品。并且可以不断完善、不断的突破,可以应用于更广、更前卫的事业中去。 可行性分析可行性分析包括元器件的使用和购买是否方便、产品的开发是否存在技术难题和市场需求等。1基于单片机的超声波测距仪,由STC89C52单片机、超声波测距模块、LED数码管等部件组成,元器件价格廉价且通用性强,STC89C52是MCS-51系列中的一种较为普遍的一款单片机,它具备了51单片机的优点,又在性能上做了完善和提高。超声波测距模块也已
11、经模块化、标准化,使用起来非常方便。LED数码管以及其它附件市场上供货畅通。2软件使用C语言编写,本设计采用为单片机专门开发了Keil C软件进行编程,程序书写方便便、可行性强。研究不存在技术难题。3较大市场需求量,效益方面相当可观。超声波测距仪除了测量距离以外,还可以应用于各种距离控制电路和限距报警电路。应用前景广阔。4基于单片机的超声波测距仪的特点: 1价格低廉、灵动性好; 2使用、操作简单,可以数字显示; 3自动化控制方便; 4完善很多测量的局限性; 5体积小,重量轻,能耗低; 6可塑性好,可以作为很多大型产品的附件。第二章 单片机的概述单片机是单片微型电脑的简称,它是将中央处理器、存储
12、器、定时器/计数器、中断系统、输入/输出端口等工作部件集成在一块集成电路芯片上的微型电脑单片机。单片机在是一种智能化控制器,现代人类生活中处处都能看到单片机的产品,智能控制、MP3、交通灯、计算器、家用电器、电脑以及 等都含有单片机。它具有质量轻、使用灵活、体积小、可靠性高、价格廉价等特点。它起初应用在工业控制领域。现代机电类专业人员必须熟练掌握单片机知识,灵活运用单片机技术。含义及组成单片机是一个集成化的电脑,是一个小型的控制设备。通常我们把中央处理器CPU,Central Processing Unit、ROM/RAM、定时器/计数器等电脑的主要部件集成在一块电路芯片上,这就形成了单片机,
13、如图2-1所示。图2-1 单片机逻辑结构从图1-1中可以看出,整个单片机的核心部件是中央处理器CPU,Central Processing Unit。它通过总线和其它部件连接并进行数据交换,时钟电路给它提供系统工作的时间,以使各个部件统一协调工作。它内部的工作部件有运算器和控制器两大部分,主要功能是完成算数和逻辑的运算与控制。存储器是单片机系统中具有记忆功能的电子部件,它是由数据存储器和程序存储器组成。数据存储器主要用于储存程序运行期间所用到的数据信息。程序存储器主要用于保存常数、应用程序和表格,同时还可以用于保存程序执行时用到的数据。单片机内部的程序寄存器可以扩展的地址空间为64KB。因为内
14、部程序不需要改动,要求稳定性、可靠性要高,通常选用只读存储器作为单片机内部的程序寄存器的扩充。定时器/计数器是单片机中重要的部件,主要用于实现定时/计数,并通过定时或计数结果对所要操作的对象进行控制。串行端口的主要作用是实现了单片机与外设进行数据的交换。时钟电路主要用于产生单片机工作所需要的时钟信号,它由两个部分组成,分别是振荡器ALE信号和时钟发生器。中断控制系统是单片机为了满足各种实时控制需要而设置的,是重要的输入输出方式。比方定时器/计数器的溢出、外部接收到中断信号、单片机内部一些突发的事件以及单片机掉电、故障等单片机中断系统进入中断进行处理。在51单片机中设有5个中断源,我们可以通过对
15、TCON、SCON、IE和IP的编程实现对中断的控制管理。系统总线BUS是电脑各个工作部件之间传送信息的公共通道。1970年微处理器研制成功后,随后出现了单片机。早期的单片机都是4位或8位的。4位单片机广泛应用于生活用品中,比方智能控制电子玩具、家用电器、计算器等领域。8位单片机功能性强,价格适中,软硬件资源丰富,被广泛应用在仪器仪表、工业控制、智能接口等领域。如今在生活中也随处可以看到51单片机系列的身影。20世纪80年代以后,技术水平大力提升,集成电路的集成度有了很大提高,16位单片机开始问世,在当时高速复杂的控制系统中,通常使用的都是16位单片机,但因为价位过高没有得到很广泛的应用。90
16、年代后由于IT技术发展的推动,单片机技术得到了巨大提高。ARM处理器进入主流市场,并且得到广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机受到了人们的亲赖。如今大家所使用的智能 很多都是使用的ARM单片机。1系统内部结构简单,实现模块化;2体积小、成本低、环境适应能力强;3抗干扰能力强;4控制能力强,速度快;5低功耗,低电压;6外部扩展能力强;7具有高的可靠性;8生产产品易于携带。单片机应用在我们生产生活中的各个领域,主要应用的领域有:1仪器仪表;2商业营销领域;3家用电器领域;4办公自动化领域;5航空航天领域;6网络和通信领域;7专用设备的智能化管理及过程控制。第三章 基于单片机的超声波测距仪总体
17、设计方案基于单片机的超声波测距仪用STC89C52的单片机,作为整个电路的控制主要控制部件,超声波测距模块为测距传感器,LED数码管显示,蜂鸣器报警,系统设计图框图如图3-1所示。 图3-1 系统设计方框图工作过程:通过超声波测距模块获得的从基点到被测物体的距离,并将其传给STC89C52单片机进行处理,经过SCT98C52处理后,再把距离传给LED数码管显示,并根据距离设定值控制距离,必要时还可以控制蜂鸣器报警。STC89C52单片机片内含有 8KB 的可编程Flash存储器,是一种8位控制器,它具有读写速度快、低功耗的优点,并且可直接使用串口下载,下载速度一般在几秒到几十秒之间。STC89
18、C52采用的是经典的MCS-51内核,在原有的基础上增加、改良了很多51单片机不具备的功能。同时该芯片性价比高,故本设计选用的主控制器是STC89C52单片机。STC89C52的引脚如图3-2所示。 图3-2 STC89C52的引脚图3.3 显示电路LED数码管是由8个发光二极管组成的。数码管可以分为共阴极和共阳极两种,共阳极数码管的公共端口接在高电平上,一般情况下需要通过开关三极管接在+5V电源上,当接通电源时数码管被点亮,共阴极数码管的公共端口接地方能点亮数码管。同时因为数码管的字段是由发光二极管组成,所以在数码管的段选端接上限流电阻。 LED数码管性价比高,使用方便,是应用非常广泛的显示
19、器。本设计采用4位共阳极LED数码管,从并口输出段码,LED显示原理图如图3-3所示。图3-3 LED数码管原理图3.4 超声波测距模块市场上超声波测距模块有很多不同的种类,本系统采用HC-SR04超声波测距模块,此模块由超声波发射器,超声波接收器以及超声波控制电路三部分组成。模块的非接触式距离测量范围为10mm-3000mm ,测量的精度可达高到 3mm。超声波模块实物如图3-4。 图3-4 超声波模块实物图3.4.1 HC-SR04超声波测距模块的特性1工作电流:2mA以下;2工作电压:4.5V5.5V,但绝对不允许超过5.5V,以免烧坏元器件 ;3测量距离范围:测量最小距离为4mm,最大
20、距离为3000mm,误差:4%,数据连续输出,不需要任何设置; 4功耗电流:功耗电流的范围是1mA20mA ;5高精度:精度可达3mm;6工作温度:0100 ;7存放温度:-40120 ;8外形尺寸:45*20*15mm。3.4.2 HC-SR04超声波测距模块的引脚HC-SR04超声波测距模块有4个引脚,如图3-5所示。 图3-5 HC-SR04超声波测距模块的引脚如图3-5所示,其中端口Vcc提供+5V电压,GND 为地线,TRIG 是触发控制信号输入端,ECHO 是回响信号输出端。3.4.3 HC-SR04超声波测距模块的工作原理单片机首先发出触发信号触发超声波测距模块工作,触发后,模块
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