基于单片机的超声波测距仪本科生毕业论文(23页).doc
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1、-基于单片机的超声波测距仪本科生毕业论文-第 17 页XXXXXXXXXXX学院本科生毕业论文(设计) 题 目: 基于单片机的超声波测距仪 专业代码: XXXXXX 作者姓名: XXXXXXX 学 号: XXXXXXXX 单 位: XXXXXXX学院 指导教师: XXXXXXXXX XX年XX 月XX 日原创性声明 本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师指导下,独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人承担本
2、声明的相应责任。 学位论文作者签名: 日期 指 导 教 师 签 名: 日期 目 录前言11.国内外研究现状11.1国内外研究现状:12.总体方案设计及可行性22.1总体方案设计:22.2总体方案可行性:32.2.1理论基础32.2.2现实基础33.硬件及单元电路设计33.1主控模板及电路设计33.2电源设计53.3 HC-SR04超声波测距模块53.4超声波传感器的工作原理53.5测距原理73.6 时钟电路的设计83.7 复位电路的设计93.8 声音报警电路的设计93.9 显示模块104.软件设计104.1主程序工作流程图105.实物制作135.1 单片机引脚135.2 焊接和检查135.3
3、实物图14结 论16参考文献17致 谢 18附 录19附件1:原理图19附件2:程序20摘 要由于超声波的指向性、抗干扰性较强,在介质中传播的距离较远,以及能量的衰减缓慢,而且超声波测距是一种非接触性检测技术,因而超声波常用于工业现场、车辆导航、水声工程等领域。目前,超声波测距技术已在机器人自主导航、倒车雷达、军事探测等领域得到广泛应用。本课题是对基于单片机的超声波测距技术的探究。在此采用的单片机为STC89C52。STC89C52单片机是STC公司生产的一种低耗高性能的微控制器,其易用性和多用途性受到了广大电子DIY设计者的信赖。本次设计包含硬件系统和软件系统,软件系统为各种程序的总称;硬件
4、系统主要包括STC89C52单片机、输入/输出设备、外围应用电路等。其中以STC89C52为主控芯片,利用HC-SR04 超声波发射模块产生超声波,利用超声波接收模块接收超声波,同时根据记录的时间,将探测的物体距离探测出来,然后利用单片机进行处理运算,再与设定的报警距离值相比较,当检测距离小于设定值时,单片机发出指令控制蜂鸣器报警。关键词:超声波;单片机;超声波模块AbstractBecause of ultrasonic directivity, strong anti-jamming, spread in the medium distance, and the energy attenu
5、ation is slow, and ultrasonic ranging is a non-contact detection technology, which is commonly used in the industrial field, ultrasonic vehicle navigation, underwater acoustic engineering. At present, ultrasonic technique has been widely used in robot navigation, reversing radar, military detection
6、etc. This paper is to explore the ultrasonic ranging technology based on SCM. This uses the STC89C52 microcontroller. STC89C52 microcontroller is the microcontroller STC produced by a low cost high performance, the usability and the versatility of the majority of electronic DIY designers trust. The
7、design of the main hardware system, and the hardware system is mainly composed of STC89C52 single chip computer, ultrasonic sensors, to make distance measurement and alarm system, using STC89C52 as the main control chip, using HC-SR04 ultrasonic module of ultrasonic transmitting, receiving ultrasoni
8、c receiver, at the same time, according to the records of the time, the detected object detected distance, then the use of single-chip processing operation, and the distance values compared to set the alarm, when the detecting distance is less than the set value, control buzzer alarm instructions of
9、 SCM.Key words:Ultrasonic; SCM; Ultrasonic Module 基于单片机的超声波测距仪前言由于超声波测距技术是一种非接触性的检测技术,且不易受光、被测对象色彩等的干扰。与其它仪器相比更清洁,更耐潮湿、高温、粉尘、腐蚀性气体等恶劣环境,且具备维护少、环保、可靠性高、寿命长等优点【1】,因而常被广泛用于造纸业、采矿业、发电厂、化工厂、污水处理厂、农牧业、环境监测、食品、防汛、水文观测、空间定位、交通等行业。可进行不同环境条件下的距离准确度在线标定,可用在水位、酒、糖、饮料等液位的精准控制,还可以差值设定,可直观显示各种工业液罐的液位、料位。因此,超声波在特殊环
10、境条件下的测距方面,有较广的应用。此外,超声波检测技术比较迅捷、简便、计算量小、易于控制等,且所测精度能达到工业实际要求,因而在移动式机器人中装备超声波测距系统,使其时时获取距障碍物的位置信息(方向和距离),达到躲避障碍物的目的。因此超声波测距技术在机器人的研究中得到广泛的应用。鉴于超声波的以上特点,本论文将探讨超声波的测距原理,以及基于单片机的超声波测距仪的制作过程,实现原理。1.国内外研究现状1.1国内外研究现状:近几年来,国内研究人员在新型超声波换能器研发、超声波回波信号处理以及超声波脉冲发射的选取等方面做了大量分析、研究工作,并依据研究中遇到的问题提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节
11、等解决方案。目前,国内超声波测距技术与国外同类技术相比差距很大,且产品功能不完善,集成电路的测量精度只能达到厘米级。但通过提高测量时间差的级别,并使用温度传感器进行温度补偿,测量精度有了很大提高,以可达到毫米级。国内主要的研究成果为:超声波回波处理,最小均方自适应时延估计算法【2】;一体化换能器;专用脉冲发生器。通过采用新技术使得超声波测距的精度和距离有了很大提高。目前,古大、飞鹰、百特等品牌在国内超声波测量方面比较出名,技术较为领先,但低端产品还是很多。国外对超声波探测技术的研究比较早,技术领先,产品较为齐全,性能相对稳定,测量精度较高,测量误差较小。其中国外品牌中以西门子、E+H、HAWK
12、的产品较为齐全,而且质量比较稳定,深受业界欢迎。2.总体方案设计及可行性2.1总体方案设计:本次设计包含硬件系统和软件系统,软件系统包括各种程序;硬件系统主要包括STC89C52单片机、输入/输出设备、外围应用电路等。模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块(如图1所示)。电路结构可划分为:HC-SR04超声波控制电路、蜂鸣器、STC89C52控制电路。对于本次设计,其核心设计为单片机的设计,故此本次设计也是对单片机的一种应用。单片机系统的设计,包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。其中STC89C52为核心控制单元,是本次设计的重点。其次,本设计的另一个设计重点是对超
13、声波模块的设计,利用HC-SR04 超声波发射模块产生超声波,利用超声波接收模块接收超声波,通过检测HC-SR04的IO接口ECHO输出的高电平信号持续时间,利用公式(所测距离=高电平信号持续时间*当地声速/2)将探测的物体距离计算出来,然后利用单片机进行处理运算,再与设定值相比较,当检测距离小于设定值时,单片机发出指令控制蜂鸣器报警。系统总体设计方框图如图1所示。电源STC89C52主控制器模块超声波传感器模块按键控制4位数码管显示模块蜂鸣器报警模块图1 系统方框图2.2总体方案可行性:2.2.1理论基础在物理学中,我们已知振动频率高于20khz或低于20hz时,这样的声波不易被我们察觉。物
14、理学中规定,频率大于20khz的声波称之为超声波。这种特殊的声波,同样具有声波应有的物理特性,如折射、反射、干涉、衍射和散射。故此,在理论上,我们对于超声波有一定的了解,对于总体方案实现奠定了理论基础。2.2.2现实基础近几年来,随着导航系统、移动式机器人、机械加工制造自动化等方面的需求,自动测距系统日渐被人们所重视。超声波测距系统与其他测距系统相比有以下几点优势:(1)与声波相比,超声波的定向性比较好,且能量比较集中,传输过程中较不宜衰减,所以有较强的反射能力,易于被探测到回波。(2)与光学测距相比,其波速较小,易于测试近距离目标,且纵向分辨率较好。不易受色彩、光线、电磁场等的影响,抗干扰能
15、力比较强。对于水文观测有较为独特的优势。(3)超声波传感器与其他传感器相比,结构较为简单,且费用比较低,信息易于处理,容易实现集成化和小型化。(4)单片机STC89C52是STC系列中应用较广的一款,集成化较高,易于实现测距系统的小型化。HC-SR04超声波测距模块灵敏度、定位精度较高。鉴于以上优势,对于总体方案的实现奠定了现实基础。3.硬件及单元电路设计3.1主控模板及电路设计主控模板的最小系统电路如图2所示。 图2 最小系统电路硬件电路总设计如图3,本设计所用元器件如下: STC89C52、HC-SR04超声波测距模块、四位数码管显示器、按键、蜂鸣器等。其中D1是电源工作指示灯。本电路将用
16、到3个按键:其一是设定键; 其二是加键;其三是减键。图3 硬件电路总设计图3.2 电源设计电源部分采用3节5号干电池,提供4.5V直流电。3.3 HC-SR04超声波测距模块超声波测距模块【7】,该模块具有非接触式距离感测功能,测距范围为2cm-400cm ,测距精度可高达到 3mm。该模块包含超声波发生器、接收器以及控制电路。其工作原理【8】:采用 IO 口 TRIG 触发测距,给大于 10us 的高电平信号;该模块将自动发送 8 个 40000hz 的方波,并自动检测信号有无折返;若有信号折返,记录HC-SR04的IO口ECHO输出的高电平信号持续时间,利用公式(所测距离=高电平信号持续时
17、间*当地声速/2)即可将探测的物体距离计算出来。从定时器0进行定时测量,8分频,TCNTT0预设值为0XCE,若timer0发生2500次溢出中断,则计时为125ms,计算公式(时间单位:ms):T = 定时器0的溢出次数 * (0XFF - 0XCE)/ 1000 其定时器0依据分频不同而使得初值计算有所差异。该模块实物如图4所示。图4 超声波模块实物图3.4超声波传感器的工作原理超声波探头的核心部件是塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。晶片可以采用多种材料构成。晶片的尺寸,可根据实际需要有不同的规格,所以每个探头的性能也是有所不同,在使用前首先看说明书,了解性能。超声波传感器的性能指标主
18、要包括: (1)工作频率【9】:工作频率是指压电晶片的共振频率。即若所加两端的交流电压的频率与晶片的共振频率相同,此时输出的能量最大,灵敏度也最高。(2)工作温度:在使用中,一般压电材料的居里点比较高,尤其是在诊断用的超声波探头中,因为使用功率较小,所以工作温度也比较低,从而可以长时间地工作而不会失效。而在医疗用的超声探头,其温度则比较高,所以需要单独的制冷设备。(3)灵敏度:主要受晶片本身的影响。机电耦合系数越大,则灵敏度比较高;反之,灵敏度将会越低。如果有电压作用在压电陶瓷上,压电陶瓷将随电压和频率的变化而发生机械变形。另一方面,若压电陶瓷发生震动,则将产生一个电荷。根据这一原理,如果给两
19、片压电陶瓷或 一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器,即所谓的双压电晶片元件,施加一个电信脉冲号时,就会引起弯曲振动而发射出超声波。反之,若给双压电晶片元件施加超声振动 时,将会产生一个电信脉冲号。根据以上原理,即可将压电陶瓷用作超声波传感器。根据常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动,在频率高于70kHz的情况下,是不能够实现此目的。因此,在高频率探测中,必须使用垂直厚度振动模式的 压电陶瓷。在此种情况下,压电陶瓷的声阻抗和空气的匹配就显得非常重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6107kg/m2s,而空气的声阻抗为 4.3102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。采用一种
20、特殊材料粘附在压电陶瓷上,作为声匹配层,可实现与空气的声阻 抗相匹配。这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下,仍然可以正常工作。市场上开放型超声波传感器较为常见,它的内部结构如图5所示,复合式振动器被固定在底座。该复合式振动器由谐振器和双压电晶片元件振动器组成,而双压电晶片元件振动器由一个金属片和一个压电陶瓷片组成。如图,呈喇叭形的为谐振器,其作用是可以有效地将振动产生的超声波辐射出,并使超声波聚集于振动器的中央位置。压电陶瓷上有电压作用时,其将随电压和频率的变化而发生机械变形。此外,当压电陶瓷受振动时,将产生一个电荷。根据此原理,若给压电陶瓷和双压电晶片元件一个电信号时,由于
21、弯曲振动而将发射出超声波。反则,若给双压电晶片元件施加超声波振动时,其将产生一个电信号。根据以上原理,超声波传感器可用压电陶瓷制作。图5 超声波内部结构3.5测距原理计时器与超声波发射器射出超声波同时开始计时,发射的超声波在空气中传播,若遇到障碍物就会立刻折返,当被超声波接收器收到,计时器立即停止。已知超声波在空气中的传播速度为当地声速(约为340m/s),根据计时器显示的时间(t),即可近似计算出发射点与障碍物的距离(s),用公式表示为:s=340t/2已知超声波是一种声波,其速度V与温度有关。工作中,若传播介质的温度近似不变,则可认为传播速度基本不变。若测距精度要求较高,可通过温度补偿来校
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