基于单片机的超声波测距专业系统设计.docx
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1、1 设计任务本文采取超声波传感器,IAP15单片机和LCD显示模块设计了一个超声波测距显示器,能够实现测量物体到仪器距离和显示等功效。是一个结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉超声波距离测量器,含有一定实用价值。2 设计思绪2.1 超声波测距2.1.1 超声波超声波是指频率在20kHz以上声波,它属于机械波范围。多年来,伴随电子测量技术发展,利用超声波作出正确测量已成可能。伴随经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量正确高,成本低,性能稳定则备受青睐。超声波也遵照通常机械波在弹性介质中传输规律,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收而发生衰减等。正是因为含有这些
2、性质,使得超声波能够用于距离测量中。伴随科技水平不停提升,超声波测距技术被广泛应用于大家日常工作和生活之中。通常超声波测距仪可用于固定物位或液位测量,适适用于建筑物内部、液位高度测量等。超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛应用。利用超声波检测往往比较快速、方便、计算简单、易于实现实时控制,而且在测量精度方面能达成工业实用指标要求,所以为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走,就必需装备测距系统,以使其立即获取距障碍物位置信息(距离和方向)。所以超声波测距在移动机器人研究上得到了广泛应用。同时因为超声波测距系统含有以上这些优点,所以在汽车倒车雷达研制方面也得到了广泛应用。2.1.2 超声波测距原理
3、最常见超声测距方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻同时计数器开始计时,超声波在空气中传输,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回超声波就立即停止计时。超声波在空气中传输速度为340m/s,依据计时器统计时间t,就能够计算出发射点距障碍物面距离s,即:s=340t/2。 因为超声波也是一个声波,其声速V和温度相关。在使用时,假如传输介质温度改变不大,则可近似认为超声波速度在传输过程中是基础不变。假如对测距精度要求很高,则应经过温度赔偿方法对测量结果加以数值校正。声速确定后,只要测得超声波往返时间,即可求得距离。距离计算公式:d=S2=CT2(2-1)
4、其中d为被测物和测距器距离,s为声波往返旅程,c为声波,t为声波往返所用时间。其中声速c和温度相关。C=331.5+0.607T (2-2)假如要提升测距正确度,则必需考虑温度影响,也可取室温简化电路设计,将温度传感器作为扩展电路,在力所能及情况下完成。2.1.3 超声波测距模块HC-SR04HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm非接触式距离感测功效,测距精度可达3mm;模块本身包含超声波发射器、接收器和控制电路。实物图2-1所表示:图2-1 HC-SR04模块实物图HC-SR04工作原理及说明:1、给Trig触发控制信号IO端口最少10us高电平信号。2、模块自动发送8个40k
5、hz方波,并自动检测是否有信号返回。3、有信号返回时,Echo回响信号输出端口输出一个高电平,高电平连续时间就是超声波从发射到返回时间。4、两次测距时间间隔最少在60ms以上,以预防发射信号对回响信号影响。图2-2所表示:图2-2 HC-SR04工作原理2.2 LCD1602显示器LCD1602显示器实物图2-3所表示:图2-3 LCD1602显示器LCD1602电路原理图图2-4所表示:图2-4 LCD1602电路原理图2.3 IAP单片机IAP15F2K61S2单片机为增强型8051CPU,含有1个单时钟/机器周期,其工作电压为4.2V5.5V,速度比一般8051快812倍;61K字节片内
6、FLASH程序存放器,片内大容量2048字节SRAM,大容量片内EEPPOM,擦写次数在10万次以上;一共有8道10位高速ADC,速度高达30万次/s,3路PWM还可当3路DA使用;共有3通道比较单元,内部高可靠复位,8级可选复位门槛电压,根本省掉外部复位电路;内部高精度RC时钟,内部时钟从5MHz35MHz可选,相当于一般805160MHz420MHz;两组高速异步串行通信端口,能够在5组管脚之间进行切换,分时复用可当5组串口使用;多种接口扩展齐全,一根USB线实现系统供电、程序下载及通信功效。单片机实物图及引脚图图2-5、图2-6所表示:图2-5 IAP单片机实物图图2-6 IAP单片机引
7、脚图2.4 单片机最小系统对于一个单片机系统,能够工作前提是含有最小系统模块,最小系统通常包含单片机、晶振电路、复位电路。单片机复位及晶振电路全部是常见接法,电源用一个按键控制接通和断开,使得程序下载变得方便。电路图2-7所表示:图2-7单片机最小系统2.4.2 电源电路此最小系统中电源供电模块电源能够经过计算机USB口供给,也可使用外部稳定5V电源供电模块供给。2.4.1 时钟电路单片机晶振作用是为系统提供基础时钟信号。内部时钟电路晶振频率通常选择在4MHZ12MHZ之间(本设计选择12MHZ),外接两个谐振电容,该电容经典值为30pF。图2-8所表示:图2-8 时钟电路2.4.3 复位电路
8、按键复位就是在复位电容上并联一个开关,当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平,而且因为电容充电,会保持一段时间高电平来使单片机复位。图2-9:图2-9 复位电路2.4 系统整体设计系统关键由三部分组成:单片机,超声波测距模块和LCD1602显示器组成。单片机在控制中作为控制器,用于对超声波模块控制和计时,显示电路关键实时显示测量数值。系统框图图2-10所表示:超声波接收单片机控制器超声波发送LCD显示图2-10 系统框图3 原理图依据前面对设计各个相关模块分别讲述,再结合单片机引脚功效,从而得到系统整体电路图,图3-1所表示: 图3-1 原理图在图3-1中,LCD1602D0到D7连接1
9、0K上拉排阻并外接到单片机P2.0到P2.7端口,用于显示所测量距离,超声波HC-SR04trig端、echo端分别接在单片机P0.0、P3.2这两个端口,利用单片机计时器将时间计算出来。最终经过程序设计将计算出距离显示到LCD1602液晶显示器上。4 PCB图生成PCB图4-1、4-2所表示:图4-1 PCB原理图图4-2 PCB图5 程序步骤图5.1 主程序设计这次软件设计使用软件是Keil uVision4。Keil 4集成开发环境是一个窗口化软件开发平台,它集成了功效强大编辑器、工程管理器和多种编译工具Keil 4使用简单、功效强大,是设计者完成设计任务关键确保,还能加速单片机应用程序
10、开发过程。主程序首先是对系统环境初始化,设定定时器T0工作模式为6位定时计数器模式,置位总中止许可位EA并给显示端口P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引发直射波触发,需要延时约0.1ms(这也就是超声波测距器会有一个最小测距离原因)后,才打开外中止0接收返回超声波信号。因为采取是12MHz晶振,计算器每计一个数就是1us,,当主程序检测到接收成功标志位后,将计数器T0中数(即超声波往返所用时间)按计算公式计算,即可得被测物体和测距器之间距离,设计时取声速为340m/s。超声波测距程序见附录。5.2 程序步骤图主程序步骤图图5-1所表示:
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