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1、个人收集整理 勿做商业用途毕业设计报告(论文) 题目: 基于单片机的超声波 测距系统研究与设计 所属系 专 业 学 号 姓名 指导教师 起讫日期 设计地点 毕业设计报告(论文)诚信承诺本人承诺所呈交的毕业设计报告(论文)及取得的成果是在导师指导下完成,引用他人成果的部分均已列出参考文献。如论文涉及任何知识产权纠纷,本人将承担一切责任.学生签名: 日期:基于单片机的超声波测距系统研究与设计摘 要由于超声波指向性强,能量消耗较小,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,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。它是一种
2、非接触式的检测方式,与其它方法相比,不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。首先介绍了超声波测距的原理和方法.设计了以STC89C52RC单片机作为主控制器,用动态扫描法实现LED数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器完成。在介绍超声测距系统功能的基础上,提出了基于单片机的超声波测距系统的总体结构.对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了研究与设计。关键词:超声波;测距;STC89C52RC单片机;定时器Ultrasonic distance measurement system based on single ch
3、ip research and designAbstractBecause the ultrasonic wave has the features,不通顺 such as strong point, small energy consumption and a long distance transmission in the medium, it always used for the distance measurement. Such as range finders and all level measurement can be achieved through the ultra
4、sonic wave. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient and simple terms, easy to achieve real-time control。 It is a noncontact detection methods. Compared with other methods, its not influenced by light, color and other effects of the tested object. When the measured object in the dar
5、k, dusty, smoggy, toxic and other adverse circumstances, ultrasonic wave has a certain degree of adaptability。文档为个人收集整理,来源于网络个人收集整理,勿做商业用途This text thesis has mainly described the principle and method of ultrasonic range-finder. The design uses STC89C52RC single-chip microcomputer as the main contro
6、ller, the dynamic scanning method to achieve LED digital display, and singlechip timer to complete ultrasonic driving signals. Basing on introducing the function of ultrasonic ranging system, Proposed ultrasonic ranging system based on single chip the overall structure and also researches the design
7、ed program including ranging system launch, receiving, testing, showed part。文档为个人收集整理,来源于网络本文为互联网收集,请勿用作商业用途Keywords: Ultrasonic Wave; Measuring Distance;STC89C52RC Singlechip;Timer目 录第一章 绪论11.1选题背景及意义11。2超声波测距的优势11.3论文研究的内容2第二章 系统方案的比较与选择32。1设计方案一32.2设计方案二32。3最终方案4第三章 系统硬件设计53.1时钟振荡电路53。1.1概述53.1。2
8、芯片STC89C52RC介绍53.2显示电路63.2。1概述63.2。2动态扫描原理63。2.3驱动介绍63.3超声波发射电路73.3。1概述73。3。2超声波传感器介绍73。3。3反向器74LS04介绍83.4超声波检测接收电路93.4。1概述93。4。2集成电路CX20106A93。5报警电路10第四章 系统软件设计114.1软件设计分析114.2软件设计思路114.2。1主程序114。2。2超声波发生子程序124。2。3超声波接收中断子程序124.2。4延时子程序12第五章 调试及误差分析135。1软件调试135。2软件烧录145。3实验结果145.4误差分析155。4.1温度误差155
9、.4。2串扰问题15第六章 结束语16致谢17参考文献(REFERENCES)18附录一19附录二2124第一章 绪论1.1选题背景及意义随着工业,建筑业,农业建设的不断发展,距离测量频率的不断提高,一些在早期社会,曾被人类广泛应用的米尺不再满足人类的要求,就出现了现在人类所应用的间接测量工具。测量能够为人们提供一个距离衡量的尺度,对待事物有准确的物理概念。然而随着社会发展和进步,人类的测量范围不断膨胀,由地表向两侧延伸,对地质的研究,宇宙的探索,可谓两极化的发展。大到无边宇宙,小到原子,或更加细微的测量区间,米尺加公式的测量时代早已不能满足探索的需要,而被人们作为探测行业的基石。在测量方面,
10、尤其工业,据了解,我国一些工业领域曾经使用过接触式测量仪,但普遍存在着这样一些问题,抗粉尘能力差,触点接触不良,经常失灵,误动作,不可调整,容易被杂物缠绕而误报等缺点,工作不可靠,影响设备的正常使用。针对以上这些缺点.我们考虑研究一种非接触测量仪器。在信息化,现代化的时代,随着电子技术的发展,非接触测量出现了微波雷达测距,激光测距及超声波测距等.前几种方法由于技术难度大,成本高,一般仅用于军事工业,而超声波测距由于其科研技术难度相对较低,且成本低廉,适于民用推广。所以现在我们所见到一些测量仪基本上都是利用超声波来测距的。超声波作为一种检测技术,采用的是非接触式测量,此特点可使测量仪器不受被测介
11、质的影响。这就大大解决了在粉尘多情况下,给人类引起的身体接触伤害,腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀,触点接触不良造成的误测情况。且对被测元件无磨损,使测量仪器牢固耐用,使用寿命加长,而且还降低了能量消耗,节省人力和劳动的强度.从长远利益看,是多向节能型研究1.目前对于超声波精确测距的需求也越来越大,如油库和水箱液面的精确测量和控制,物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造,电子冶金,航海,宇航,石油化工,交通等工业领域也有广泛地应用.此外,在材料科学,医学,生物科学等领域中也占具重要地位。另外,在控制方面,单片机其卓越的性能,在本设计中得到了很好的体现,尤其在检测,控制领域中,具有
12、以下特点:1、小巧灵活,成本低,易于产品化,它能方便地组装成各种智能测试,控制设备及各种智能仪器表。2、可靠性好,适应范围广,单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的,能适应各种恶劣的环境,这是其它原件无法比拟的。3、易扩展,很容易构成各种规模的应用系统,控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强,指令系统有各种控制功能所用的指令。4、可以很方便地实现多机制分布式控制2.目前对于超声波精确测距的需求也越来越大,如油库和水箱液面的精确测量和控制,物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造,电子冶金,航海,宇航,石油化工,交通等工业领域也有广泛地应用。此外,在材料科学,医学,生物科学等领域中
13、也占具重要地位。1。2超声波测距的优势当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时,我们便听不见了。因此,我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波技术已成为一门以物理、电子、机械及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。近年来,由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要,自动测距变得十分重要。与同类其它测距方法相比较,超声波测距的方法在以下的几方面具有明显的优势,这些优势如下:(1) 相对于声波,超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减较小、反射能力较强等优势。(2) 相对于光学方法,超声波的波速小,可以直接测量较近目标的距离,纵向分
14、辨率较高;对色彩、光照度、电磁场不敏感,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.特别是在海洋勘测方面具有独特的优点。(3) 超声波传感器结构简单,体积小,费用低,信息处理简单可靠,易于小型化与集成化3。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.因此无论从精度还是从可靠性方面,超声波测距做得都比较好。利用超声波检测即迅速,方便,计算简单,又易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。具有广泛的发展前景。1。3论文
15、研究的内容设计一个超声波测距器,可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量范围在0。304.00m,测量精度1cm,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果,本次设计在STC89C52RC单片机及超声波理论的基础上,利用STC89C52RC单片机控制超声波收发设计出超声波测距器,并对设计中存在的各种关键问题进行深入的分析。工作时,超声波发生器不断的发出一系列连续的脉冲,并给单片机提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后,也向单片机提供一个短脉冲。最后由单片机装置对接受信号依据时间差进行处
16、理,自动计算出距离.硬件采用超声波发射与接收分离设计。接收电路采用CX20106A集成电路为核心,简化了电路,并具有较强的抗干扰性;在显示电路部分,采用动态扫描法实现LED数字显示。硬件电路主要分为时钟振荡电路、显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和报警电路五部分。软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接受中断程序、显示子程序延时程序、数据处理程序组成。控制程序主要采用C语言编程。第二章 系统方案的比较与选择2.1设计方案一方案一:一种单片化可重构的相位式激光测距仪相位式测距是利用一种遵循正弦规律连续变化的调制光波作为光源。测距仪从A点发射调制光波,到达B点反射器又反射回测距仪
17、,经历了2D的路程,且有: (21)式中:表示相位移;f是波的振荡频率;C为光波的速度;D为所测的距离。可重构测距系统的总体框图如图21所示,该系统主要由光电收发装置、外围模拟电路、单片化可重构自动数字测相电路、中央处理器、距离显以及各数据通道、接口等组成。单片化可重构自动数字测相电路(FPGA)中央处理器距离显示器外围模拟电路光电收发装置与主机通信调制激光束图21 可重构测距系统框图(1)光电收发装置:主要用来发射和接收一种遵循正弦规律连续变化的调制光波-测距信号,它主要由电源、激光源、激光接收装置和光电转换电路组成。(2)外围模拟电路:完成光信号的调制、解调、放大和整形,主要由调制器和高频
18、振荡器以及放大器等电路组成.(3)距离显示器:显示可重构自动数字测相电路输出的距离信息。(4)中央处理器:完成整个系统的协调工作,进行处理任务的调度,并可根据需要控制单片化自动数字测相电路的重构。(5)单片化可重构自动数字测相电路:是本课题设计的核心,本设计的整个体系结构是可重构的,各个模块在多种测量模式下是可重用的。在微观上,该电路在测量过程中的参数可实时重构,比如可以实时地改变测尺频率,从而得到更高的测量精度和更快的测量速度.本测距系统采用的是美国Xilinx公司的XC6200系列FPGA细粒度结构的可重构处理器4.2.2设计方案二方案二:基于STC89C52RC单片机的超声波测距仪超声测
19、距大致有以下方法:(1)取输出脉冲的平均值电压,该电压(电压的幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;(2)测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔。因此,被测距离为声速与时间间隔相乘的一半。本次设计采用第二种方案。图2-2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。这样只要计算出从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.距离计算公式为: (2-2)式中:d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5。控制部分障碍物超声
20、波传感器(发射)超声波传感器(接收) 图22 超声波测距原理图超声波测距仪主要以单片机STC89C52RC为核心,其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下,超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离s,即s=340t/2,这就是常用的时差法测距.在测距计数电路设计中,采用了相关计数法,其主要原理是:测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号,单片机计数器处于等待状态,不计数;当
21、信号发射一段时间后,由单片机发出信号使系统关闭发射信号,计数器开始计数,实现起始时的同步;当接收电路接收脉冲到来后,进入中断,计数器停止计数.基于STC89C52RC单片机的超声波测距仪主要有几下部分组成如图22所示:LED显示模块,STC68C52RC芯片,超声波发射模块,超声波接收模块,报警模块等五大模块组成。超声波接受超声波发送单片机控制器扫描驱动超限报警被测对象LED显示图2-3 超声波测距器设计框图2.3最终方案基于上述两种方案的比较,方案一,测量参量动态重构,具有很大的灵活性,但系统结构复杂。方案二,精度高,功耗低,模块简单,稳定性高。所以本次设计选用方案二。设计属于近距离测量,采
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