专业课程设计超声波测距.doc
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1、 基于51单片机超声波测距仪设计摘要: 本方案以stc89c52为核心,通过编程(C语言)来实现该单片机对外围电路适时控制,并提供应外围电路各种所需信号和接受超声波反射回来微小信号,涉及频率振荡信号,时钟信号,数据解决信号和显示信号等等。其核心功能是对距离检测并实时进行距离显示,在检测距离方面通过发射端与接受端时间差来计算,理论上所测距离与其时间差成线性关系,因此可以通过线性回归记录办法求出实际距离与所求距离关系。该电路简化了某些外围电路,任能做到较为精准测量工作,由于是采用程控操作,因此其移植性和可扩展性还是较好。在设计时分,分模块进行设计来实现各某些功能,简化了在设计过程中调试难度。核心词
2、: 超声波测距、单片机控制、液晶显示、距离报警、线性回归Abstract:This program stc89c52 programming (C language) to achieve the timely control of the single-chip peripheral circuits,and made available to the peripheral circuits of the desired signal and receiving the ultrasonic reflected the small signal,including frequency osc
3、illation signal,the clock signal,data signal processing and display signals,and so on. The its core function is to to the detection of pairs the distance and real-time of the carried out the distance the display of goes as follows. In the to calculate the,in the the detection distance aspects of thr
4、ough the launch of the-side with the the time of the the receiving end is poor,in theory,the measured distance with its time difference into a linear the relationship between,,so can through the the linear regression statistical methods calculate the actual distance of the seek distance relationship
5、. The circuit simplifies the peripheral circuit,any more accurate measurements can be done,because it is programmed operation,its portability and scalability better. Hours of the design,the sub-module design to achieve the function of each,and simplifies the debugging difficulty in the design proces
6、s.Keywords:Ultrasonic Ranging,MCU control,LCD,alarm of distance ,linear regression 目录1前言31.1 课题研究背景和意义31.2 课题国内外研究现状32 总体方案设计42.1超声波测距原理42.2超声波传感器工作原理及构造图43单元模块设计53.1各单元模块功能简介及电路设计53.2 AT89S52型单片机简介63.3各单元模块联接84 软件设计154.1软件设计分析154.2软件设计思路154.2.1主程序154.2.2 超声波测距子程序164.2.3 超声波延时子程序175系统调试185.1硬件调试185.
7、2硬软件联调195.3测试成果分析205.3.1测试波形205.3.2测试中仪器仪表215.3.3 数据分析215.4超声波测距误差分析225.4.1温度误差225.4.2串扰问题226 结论236.1总结与体会236.2 对设计进一步完善提出意见或建议23附录一、有关设计程序26附录二、设计图和35附录三、实物图36 1前言1.1 课题研究背景和意义超声波是指频率高于20KHz声波,属于机械波范畴,遵循普通机械波在弹性介质中传播规律,如在介质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,正是由于有这些性质,使得超声波可以用于距离测量,随着经济发展,科技水平不断提高,电子测量
8、技术应用越来越广泛,超声波测量精度高,成本低,性能稳定则备受青睐,超声波测距技术被广泛应用于人们生活和工作中。由于超声波测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色影响,比其她仪器更卫生,具备不污染、高可靠、长寿命等特点,被广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、污水解决厂、食品、水文、等行业中,可在不同环境中进行距离精确度在线标定,可直接用于水酒精、糖等液位控制,能达到工业实用指标规定。还可以用于移动机器人视觉系统中,这样可使机器人自动躲避障碍物行走,及时获得障碍物位置信息,同步超声波测距系统具备以上这些特点,在汽车倒车雷达研制方面也得到了广泛应用1。1.2 课题国内外研究现状当前国际国内,
9、在超声波测距方面研究方向和水平不同,重要体当前对测距原理、超声波信号解决办法和超声波测距解决器选用上。常用超声波测距原理分为渡越时间法和相位差法两种。信号解决办法大体分为阈值检查法、互有关延时预计法、伪随机码扩频测距法和最小均办法四种。在解决器方面大多以单片机为主,其中以51系列应用最为广泛,采用运算速度更快,效率更高dsp芯片作为解决器,也正成为一种非常活跃研究方向。当前已研制超声波测距仪中,量程普通为3-12m,美国AIRMAR公司生产airducer AR30超声波传感器作用距离可达30m,但价格昂贵,精确度方面已控制在测量误差0.4%左右,与真值差距在厘米级范畴内,若采用互有关或伪随机
10、法,最高可控制在0.05m内,在提高精准度方面,超声波测距尚有很大发展潜力和上升空间2。2 总体方案设计2.1超声波测距原理 谐振频率高于20 kHz 声波称为超声波。超声波为直线传播方式,频率越高,反射能力越强,而绕射能力越弱。运用超声波这种特性,常惯用渡越时间检测法进行距离测量。其工作原理是:换能器向介质发射超声波,声波遇到目的后必然有反射回波作用在换能器上。若已知介质中声速为c,回波到达时刻与发射波时刻时间差为t,就可以计算出发射点与反射点距离s:s= c.t/2 (1)2.2超声波传感器工作原理及构造图为了研究和运用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可
11、以分为两大类:即用电气方式和机械方式产生超声波。前者涉及压电型、磁致伸缩型和电动型等;后者有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生超声波频率、功率和声波特性各不相似,因而用途也各不相似,当前较为惯用是压电式超声波发生器,压电式超声波换能器是运用压电晶体谐振来工作。内部构造如图1所示,它有两个压电晶片和一种共振板。当它两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片固有振荡频率时,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构造稍有不同4
12、。共 振 板电极压电晶片图 1 超声波传感器构造 如下为型号T/R40-10超声波传感器特性参数(T-发射,R-接受,40-中心频率单位kHZ,10-外壳直径单位mm)3单元模块设计3.1各单元模块功能简介及电路设计整体电路控制核心为单片机AT89S52,超声波发射和接受电路都对相应信号进行整形及放大,以保证测量成果尽量精准。超声波模块传感器实现超声波发射和接受。整体电路如图6:涉及超声波发射电路,超声波接受电路,显示电路等模块构成8。键盘键入估测范畴 发射电路 AT89C51 接受电路 LED显示电路 图2.1工作原理超声波测距器工作原理:打开电源,整个电路通电,单片机执行程序,对系统环境初
13、始化,设立定期器T0工作模式,启动T0, 调用超声波发生子程序,等待反射超声波,计算距离,显示距离;重复。工作过程中,有关子程序和中断程序被执行,相应硬件配合行动,显示测量成果。3.2 AT89S52型单片机简介AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具备 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash容许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有机灵8 位CPU 和在系统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效解决方案。
14、 AT89S52具备如下原则功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定期器,2 个数据指针,三个16 位 定期器/计数器,一种6向量2级中断构造,全双工串行口, 片内晶振及时钟电路。此外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选取节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,容许RAM、定期器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结, 单片机一切工作停止,直到下一种中断或硬件复位为止5。其引脚图如图3所示:P0 口:P0口是一种8位漏极开路双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写
15、“1”时,引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下, P0不具备内部上拉电阻。 在flash编程时,P0口也用来接受指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验 时,需要外部上拉电阻。P1 口:P1 口是一种具备内部上拉电阻8 位双向I/O 口,p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时,被外部拉低引脚由于内部电阻因素,将输出电流(IIL)。P2 口:P2 口是一种具备内部上拉电阻8 位双向I/O 口,P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL
16、 逻辑电平。对P2 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时,被外部拉低引脚由于内部电阻因素,将输出电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR) 时,P2 口送出高八位地址。在这种应用中,P2 口使用很强内部上拉发送1。在使用 8位地址(如MOVX RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器内容。 在flash编程和校验时,P2口也接受高8位地址字节和某些控制信号。P3 口:P3 口是一种具备内部上拉电阻8 位双向I/O 口,p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”
17、时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时,被外部拉低引脚由于内部电阻因素,将输出电流(IIL)。 P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用。 第二功能: P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 TO(定期/计数器0) P3.5 T1(定期/计数器1) 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) 图3.13.3各单元模块联接3.3.1 系统设计 该系统是以STC89C52型单片机为主体而搭建,连接了外部矩阵键盘,1602型液晶
18、,稳压电源系统。1、单片机单片机型号是STC89C52,其重要外部I/O连接如下: 表3.1P0.0-P0.71602显示端口P2.0-P2.21602读写控制P3.0-P3.1程序烧写P3.4口发波端P3.2接受端 图3.23.3.2、矩阵键盘键盘为44矩阵键盘,每个按键功能和与单片机连接端口如下: 图3.33.3.3、液晶 图3.4使用1602型液晶,在不同状态下显示不同内容: 初始化: 预设距离: 测量中: 测量失败: 图3.53.3.4、闪烁灯 图3.63.3.5、程序烧写模块 图3.73.3.6、蜂鸣器模块 图3.83.3.7、稳压电源采用7805稳压芯片,增长了电源稳定性,减少功耗
19、 图3.93.3.8、测距模块(1) 工作原理 图3.10a. 采用IO口TRIG触发测距,给至少10us高电平信号;b. 模块自动发送8个40KHZ方波,自动检测与否有信号返回;c. 有信号返回时,通过IO口ECHO输出一种高电平,高电平持续时间就是超声波从发射到返回时间。测试距离=(高电平时间*声速)/2。(2) 引脚定义VCC供5V电源,TRIG触发控制,信号输入,ECHO回响信号输出,OUT开关量输出(当报警模块使用),GND为地线。(3) 工作时序图 图3.11以上时序图表白,只要提供一种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。一旦检测到回波,信号
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