超声波测距系统的设计——毕业设计.doc
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1、安徽工业大学 超声波测距系统的设计摘 要 单片微型计算机具有结构简单、控制功能强、重量轻等优点,在机械电子、航空航天、冶金采矿以及家用电器等许多领域都得到了广泛的应用,发挥了巨大的作用。超声波指向性强,能量耗损缓慢,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。利用超声波测距迅速、方便、计算简单、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,因此得到广泛应用。超声技术是一门各行各业都要使用的通用技术,它是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。目前,超声波技术广泛应用于各个工业部门的超声探测、超声焊接、超声检测和超声医疗方面。基于单片机的超声波测距系统易实现,成本低,精
2、确度高,并且容易做到实时控制,具备较强的实用性,可实现0.310米的测量。关键词: 超声波传感器;单片机;测距 第 45 页 共 45 页 Abstract Compared with other kinds of product, Single-Chip Microcomputer is simple, small, light and easily controlled. It is used extensively in mechanical electron, aerospace, metallurgical mining technology, electric home appli
3、ances and such a lot of fields, so Single-Chip Microcomputer has played huge role. Orientation of ultrasonic is very good. When ultrasonic travels through air, it can go farther and energy consume slowly. For those many advantages, ultrasonic is used in distance measurement. This distance measuremen
4、t is quick, nice and advanced.Ultrasonic technology is a general technology that is used in commercial and professional fields. It is through ultrasonic production, propagate and reception. Ultrasonic technology has been extensive application in the ultrasound of every industrial department survey,
5、welding, detection and ultrasonic medical system. It easily realized. Based on the ultrasonic system of range finding of single-chip microcomputer is low price, accuracy and easily controlled. In this measurement, ultrasonic wave can be reached 0.3-10m. Keywords: Single chip microcomputer;Ultrasonic
6、 sensor ;Distance measurement 目录目录3第一章 绪 论51.1 超声波51.1.1 超声波特点51.1.2 超声波检测简介51.2 单片机61.2.1 单片机的基本结构61.2.2 单片机的特点和指标81.3 单片机的发展史91.4 单片机的应用101.4.1 智能化产品101.4.2 智能化仪表101.4.3 智能化测控系统101.4.4 智能化接口10第二章 超声波测距系统的原理及AT89C51单片机122.1 超声波发生器及测距原理122.1.1 超声波发生器122.1.2 压电式超声波发生器原理122.1.3 超声波测距原理122.2 方案的设计132.3
7、 AT89C51单片机基础知识142.4 单片机AT89C51的引脚特性152.5 单片机内部的定时/计数器简介172.5.1 加1 计数器172.5.2 定时/计数器控制寄存器182.5.3 工作方式寄存器182.6 定时/计数器的工作方式192.6.2 方式1192.7 定时/计数器的初始化202.8 51 单片机的中断系统212.8.1 中断源212.8.2 中断方式222.8.3 中断控制寄存器222.8.4 中断优先级控制242.8.5 中断响应的条件242.8.6 中断响应过程25第三章 系统硬件电路设计263.1 超声波测距系统电路总体设计方案263.2 发射电路方案设计273.
8、3 接收电路的设计283.4 显示模块的设计29第四章 系统程序设计314.1 编程语言314.1.1 标准C 语言的程序结构314.1.2 标准C 语言的特点324.2 单片机C 语言324.2.1 单片机C 语言和标准C 语言的比较324.2.2 单片机C 语言的特点334.3 主程序流程334.4 主程序编写344.4.1 发射与接收环节344.4.2 距离计算环节364.4.3 显示环节364.4.4 主程序整合37结 论38致 谢39参 考 文 献40附 录41附录一 系统主电路接线图41附录二 实物图42附录三 系统主程序42 第一章 绪 论1.1 超声波 超声波是频率高于2000
9、0 赫兹的声波,它具有方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远等特点。可用于测距,测速,清洗,焊接,碎石,杀菌消毒。在医疗,军事,工业,农业上有很多应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。 声波是物体机械振动状态或者能量的传播形式,所谓振动是指物体的质点在其平衡位置附近做往返运动的状态。譬如,鼓面受到击打,他就会上下振动,这种振动 通过空气媒介向四面八方传播,这便是声波。超声波的产生也是如此,由于超声波振动频率甚高,其下限为20000 赫兹,已经超过了人耳所能分辨的范围,所以将这种听不见的声波叫做超声波。超声波和可闻声波在本质上是一致的。它在传播过程中也遵循可闻
10、声波的传播规律。1.1.1 超声波特点 (1) 超声波在传播过程中,方向性强,能量易于集中。 (2) 超声波可在各种不同的媒介中传播,且传播距离比较远。 (3) 超声波与传波媒介之间的相互作用适中,易于携带媒介状态诊断信息,或对媒介产生指定效果。 超声波是一种波动形式,它可以作为探测与负载信息的载体或媒介,如B 超等用作诊断,超声波同时也是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与媒介之间的相互作用,去影响,改变,以致破获后者的状态,性质,及结构,达到某些作用。1.1.2 超声波检测简介 超声波测量在国防,航空航天,电力,石化,机械,材料等众多领域有广泛的运用,它不但可以保证产品质量,
11、保障安全,还可以起到节约能源,降低成本的作用。超声波与光波,电磁波,射线测量相比,其最大的特点是穿透能力强,它是一种频率超过20000 赫兹的机械波。它作为一种特殊的声波同样具有一般声波的物理特性反射,折射,干涉,衍射,散射。超声波具有方向性集中,振幅小,加速度大等特点,可产生较大力量,并且在不同媒质界面传播,超声波的大部分能量都会反射,利用超声波检测可以做到,迅速,方便,实时控制,并且在精度方面达到工业测量的要求。主要用于倒车雷达,施工现场以及一些工业现场,例如:液位,井深,管道长度等场合。 超声波在介质(固体,液体,气体)中传播时,利用不同介质不同声学特性对超声波传播的影响来探测物体和进行
12、测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时,利用反射这一性质,在多种介质中均有广泛的用途,例如在金属,非金属中用来探测缺陷的位置和性质,从而对钢板,锻件,焊缝,混凝土,人造石墨等进行探伤检验,在水中,根据反射波可以探测潜水艇和鱼群,测量海底深度以及探查海底底层等,在人体中则可以协助临床诊断疾病,如肿瘤,结石等。利用超声波连续波的共振性质,可以测量高压容器,锅炉,轮船甲板等的厚度或腐蚀程度,也可制成机械滤波器。利用超声波的衰减特性,可以研究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动物体上时,利用多普勒效应,可以测量流速,流量,探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某些信号,则可制成
13、水中电话,水中遥测仪等,以进行水中通行。利用超声波在固体和液体中传播的速度远低于电磁波的这一特性,可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换,还可以利用超声波检漏,测量液位,粘度,硬度和温度等。除此之位,声发射,声成像技术的发展更大大丰富了超声检测的内容。超声波可在任何物体中传播,了解被测物体内部情况,超声检测设备还具有结构简单,成本低廉的优点,有利于工程实际的使用。近几十年来由于微机技术,现代点击技术,信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展,突破了常规超声检测的限制,进一步开阔了其使用范围。 相比于光学成像,微波,红外测距,超声波测距有着非常明显的优势,比如说,超声波不会受天气情
14、况的影响,受周围环境的影响也较小。正是因为超声波的这些特殊的属性,使得它能够在检测方面得到广泛的运用,并被广大的社会使用者接受。1.2 单片机 微型计算机由运算器,控制器,存储器,输入输出接口4 个基本部分和输入输出设备等组成。如果把运算器与控制器封装在一小块芯片上,则该芯片称作微处理器。如果CPU 与大规模集成电路制成的存储器和输入输出接口电路在印制电路板上用总线连接起来,再配以适当的输入输出设备(如磁盘存储器,键盘和显示器等),就构成了微型计算机。如果在一块芯片上,集成了一台微型计算机的4个基本组成部分,则这种芯片就称为单片微型计算机(single-chip microcomputer),
15、简称单片机,以单片机为核心的硬件电路称为单片机系统。1.2.1 单片机的基本结构 图1.1 单片机内部结构图1、 中央处理器:CPU 是单片机的核心元件,由算术逻辑运算部件和控制部件构成。2、程序存储器:它采用ROM,用来存放用户程序,可分类为EPROM, MaskROM, OTP ROM 和Flash ROM 等。3、数据存储器:它采用RAM,用来存放程序运行时的工作变量和数据。4、并行输入输出端口: 并行输入输出端口通常为独立的双向IO 口,一般既可以用作输入方式,也可用作输出方式,通过软件编程来决定。IO 口是单片机的重要资源,也是衡量单片机功能的重要指标之一。5、串行输入输出端口:用于
16、单片机和串行设备或者其他单片机系统之间的通信。串行通信有同步和异步之分,可用硬件或者通用串行收发器件实现。6、定时计数器:用于单片机内部精确定时或对外部事件进行计数,有的单片机内部有多个定时计数器。7、系统时钟:通常需要外接石英晶体或者其他振荡源提供时钟信号输入,也有的使用内部RC 振荡器。系统时钟 相当于PC 中的主频。以上是单片机的基本结构,现代的单片机又加入了许多新的功能部件,如模拟数字转换器(ADC)、数字模拟转换器(DAC)、温度传感器、液晶驱动电路、电压监控、“看门狗”电路、低压检测电路等。1.2.2 单片机的特点和指标 单片机除了具备体积小、价格低、性能强大、速度快、用途广、灵活
17、性强、可靠性高等优点外,它与通用微型计算机相比,在硬件结构和指令方面还具有以下独特之处。1、存储器ROM 和RAM 严格分工 ROM 用做程序存储,只存放程序、常数和表格数据;而RAM 用做数据存储器,存放临时数据和变量。这样的设计方案使单片机更适合用于实时控制(也称为现场控制或过程控制)系统。配置较大的程序存储空间,将已调试好的程序固化(即对ROM 编程,也称为烧录或者烧写),这样程序不仅掉电时不会丢失,还避免了程序被破坏,从而确保了程序的安全性。实时控制仅需容量较小的RAM,用于存放少量随机数据,这样有利于提高单片机系统的操作速度。2、采用面向控制的指令系统 单片机的指令系统有很强的端口操
18、作和位操作能力,在实时控制方面,尤其是在位操作方面单片机有着不俗的表现。3、I/O 端口引脚具有分时复用功能 I/O 端口引脚通常设计有多种功能,以充分利用数量有限的芯片引脚。在应用时,究竟使用多功能引脚的哪一种功能可以由用户编程决定。4、品种规格的系列化 属于一个产品系列、不同型号的单片机,通常具有相同的内核,相同或者兼容的指令系统。其主要的差别仅在于片内配置了一些不同种类或不同数量的功能部件和容量大小不同的ROM 和RAM,以适应不同的控制对象。5、硬件功能具有广泛的通用性 单片机的硬件功能具有广泛的通用性。同一种单片机可以用在不同的控制系统中,只是其中所配置的软件不同而已。换言之,给单片
19、机固化上不同的软件,便可形成用途不同的专用智能芯片。单片机的重要指标如下:1、位数 位数是指单片机能够一次处理的数据的宽度,有一位机、四位机、八位机、十六位机、 三十二位机。2、存储器 存储器包括程序存储器和数据存储器。程序存储器空间较大,字节数一般从几KB到几十KB 另外还有不同的类型,如ROM,EPROM,EEPROM,FlashROM 和OTP ROM。 数据存储器的字节数通常从几十字节道几百字节之间,程序存储器的编程方式也是用户选择的一个重要因素,有的是串行编程,有的是并行编程,新一代的单片机有的还具有在系统编程( In-System-Programmable ) 或在应用编程(In-
20、Application re-Programmable)功能,有的还有专用的ISP 编程接口JTAG口。3、I/O 端口 I/O 端口即输入/输出端口,一般有几到十几个,用户可以根据自己的需要进行选择。4、速度 速度是指CPU 的处理速度,以每秒执行多少条指令来衡量,常用单位是MIPS,目前最快的单片机可达到100MIPS。单片机的速度通常是和系统时钟相联系的,但并不是频率高的处理速度一定快,对于同一种型号的单片机来说,采用主频高的时钟一般比频率低的速度要快。5、工作电压 单片机的工作电压通常都是5V,范围是5%或10%,也有3V/3.3V 电压的产品,更低的可在1.5V 工作。现代单片机又出
21、现了宽电压范围类型,即在2.56.5V内都能正常工作。6、功耗 低功耗是现代单片机所追求的一个目标,目前低功耗单片机的静态电流可以低至微安或者纳安级。有的单片机还具有等待,关断,睡眠等多种工作模式,以此来降低功耗。7、温度 单片机根据工作温度可分为民用级工业级和军工级3 种。民用级的温度范围是070工业级是-4885,军用级是-55125。1.3 单片机的发展史 在1970 年微型计算机研制成功之后,单片微型计算机就随之出现了。1976 年,Intel 公司首先推出了MCS-48 系列的单片微型计算机,它具有体积小、功能全、价格低等特点,获得了广泛的应用,为单片机的发展奠定了基础。单片机的发展
22、历史大致可分为3 个阶段。 第一阶段(1976-1978 年):这是单片机刚开始出现时的初级阶段,以Intel公司的MCS-48 系列为代表,此系列单片微型计算机具有8 位CPU、并行I/O 端口、8 为时序同步计数器,寻址范围不大于4KB,但没有串口。 第二阶段(1978-1982 年):高性能的单片微型计算机阶段,如Intel 公司的MCS-51、Motorola 公司的6081 和zilog 公司的Z-8 等系列。该类单片微型计算机具有串口、多级中断处理系统和16 为时序同步器,RAM 和ROM 的容量增大,寻址范围可达64KB,有的芯片还有A/D转换接口。 第三阶段(1982 年至今)
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