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1、基于单片机测距的装置设计毕 业 设 计 论文题目：基于单片机测距的装置设计 摘 要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点。所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于煤位高度、防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本设计详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S51单片机为核心的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法，由于温度对超声
2、波影响较大，设计中添加了温度补偿电路。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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使用的要求。 关键词：AT89S51； 超声波； 温度； 补偿； ABSTRACT Ultrasonic has strong directional, energy consumption is slow, transmission distance is farther, etc. So, the use of the sensor technology and automatic control technology of combining
3、the measurement program, ultrasonic ranging is the application of the most common one.It is widely used in coal a height, guard against theft, backing up radar, water level measurement, construction site and some industrial field. The design detailed introduces the principle and characteristics of u
4、ltrasonic sensors. and the Atmel company AT89S51 as the core of the performance and characteristics.And analysis the ultrasonic ranging based on the theory of the ideas and design ranging system needed to consider the question.The design is given based on AT89S51 as the core of low cost, high precis
5、ion, miniaturization digital display ultrasonic rangefinder hardware circuit and software design method. Because the temperature effect is big, so in design add temperature compensation circuit. The system circuit design reasonable, stable, the performance good, detection speed, simple calculation,
6、easy to do real-time control, and in the measurement precision can reach the requirements of industrial use. keywords：AT89S51； ultrasonic； temperature; compensation; 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 课题研究意义 . 1 1.2 测距传感器 . 1 2 超声波测距设计概述 . 2 2.1 超声波的基本性质 . 2 2.2 超声波测距原理 . 2 2.3 超声波传感器的选型 . 3 2.4 超声波的影响因素 . 4 3 系统硬件设
7、计 . 4 3.1 单片机系统设计 . 4 3.1.1 单片机的选择 . 4 3.1.2 单片机引脚功能 . 5 3.1.3 单片机最小系统 . 8 3.2 超声波发射和接收电路设计 . 8 3.2.1 超声波发射电路设计 . 8 3.2.2 超声波接收电路设计 . 9 3.3 温度传感器的选择 . 10 3.3.1 DS18B20的特征 . 11 3.3.2 DS18B20的引脚分布图及其功能 . 11 3.4 显示模块的选择 . 12 4 系统软件设计 . 12 4.1 超声波测距的算法设计 . 12 4.2 主程序设计 . 13 4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 . 13 4
8、.4 温度补偿子程序 . 15 5 电路的安装与调试 . 17 5.1 电路安装要注意问题 . 17 5.2 电路的调试 . 17 5.2.1 调试电路常用的仪器 . 17 5.2.2 调试电路前的检查 . 17 5.2.3 调试步骤 . 17 5.2.4 调试注意事项 . 18 6 系统的测量数据及误差分析 . 18 6.1 实测比较 . 18 6.2 温度误差分析 . 19 6.3 时间误差分析 . 19 6.4 感应角的误差分析 . 19 结 论 . 20 参考文献 . 21 附录一 . 22 附录二 . 23 附录三 . 24 英文原文 . 30 中文译文 . 36 致 谢 . 41
9、1 绪 论 1.1 课题研究意义 由于超声测距是一种非接触检测技术，超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的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。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。因此可广泛应用于矿业、纸业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环
10、保检测、食品、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 1.2 测距传感器 激光测距传感器 激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信
11、号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高。 红外线测距传感器 红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。 超声波传感器 超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传
12、感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。 根据对以上三种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。超声波传感器测距时具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感
13、器作为此设计方案的传感器探头。 1 2 超声波测距设计概述 2.1 超声波的基本性质 声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动 以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20kHz的声波称为超声波。 超声波具有类似光线的一些物理性质： 超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同； 超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，
14、波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体； 能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器； 功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。 2.2 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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
15、收器收到反射波就立即停止计时。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 最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，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的超声波就立即停止计时。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面的距离s，即：s=340t/2。 只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图2.1所示： 2 图2.1 超声波的测距
16、原理 H=Scosq q=arctg(L)H 式中:L-两探头之间中心距离的一半。 又知道超声波传播的距离为: 2S=vt (2-3) 式中:v超声波在介质中的传播速度; t超声波从发射到接收所需要的时间. 将、代入中得： 1LH=vtcosarctg2H (2-4) 其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(2-4)变为: 1H=vt2 (2-5) 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H. 2.3 超声波传感器的选型 本设计选用的是通用型的TCT40-16T/R1压电陶瓷超声传感器
17、，测量范围在0.2m20m,标称频率是40KHz,在3085的温度范围内，发射声压及灵敏度与初始值相比的变化，不大于6dB。适用于家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；超声测距及汽车倒车防撞装置；液面探测；超声波近接开关及其它应用的超声波发射与接收。 3 2.4 超声波的影响因素 稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件。而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响。其中温度影响最大，因此要采用温度补偿，以减少错误。现在最需要温度监测系统的温度传感器的方法。超声波波速与温度的关系如表2-1. 超声波波速与温度的关系表2-1 温度 声速 -30 313
18、 -20 319 -10 325 0 331 10 20 30 100 338 344 349 386 可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。 3 系统硬件设计 硬件电路主要由单片机系统、显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成，本系统采用AT89C51单片机作为主控制器，使用4位数码管作为系统显示屏，超声波发射驱动需要的40 kHz脉冲由单片机P1.0发出，使用定时器进行计时和控制，超声波接收使用CX20106A作为接收主控芯片，选用合适的温度传感器进行温度校正。超声波测距的系统框图如图3.1示。 图3.1 超声波测距的系统框图 3.1 单片机系统设计
19、3.1.1 单片机的选择 一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有： 单片机最基本性能参数指标。例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。 单片机的某些增强的功能。 单片机的存储介质。例如：对于程序存储器来说，最好选用的是Fla
20、sh的存储器。 单片机的封装形式。封装的形式多种多样，例如：双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。 单片机对工作的温度范围的要求。例如：在进行设计户外的产品时，就必须要选用工4 业级的芯片，以达到温度范围的要求。 单片机的功耗。例如，如果信号线取电只能提供几mA的电流，所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用STC的单片机是最合适的。 单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。 单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。 单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。 51系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源
21、等方面与标准的52系列的单片机可以完全的兼容。51系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90 MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程,不占用用户的资源。根据本系统设计的实际要求，选择AT89S51单片机做为本设计的单片机使用，它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS 8位单片机。89S51单片机具有以下几个性能特点：4 k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。 单片机的引脚功能图如图3.2所示。 图3.2 51单片机的
22、引脚功能图 3.1.2 单片机引脚功能 电源引脚 Vcc：正电源的引脚，工作电压是5 V。 GND：接地端。 时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2 为了产生时钟信号，在89S51单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端 。单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石英晶振，使5 内部振荡器按照石英晶振的频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。时钟信号电路如图 3.3所示。 图3.3 时钟信号电路 复位RST 当振荡器运行时，只要有两个机器周期即24个振荡周期以上的高
23、电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么51单片机芯片就会循环不断地进行复位。复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零。本课题设计的单片机复位电路如图3.4所示。 图3.4 单片机复位电路图 输入输出口引脚 P0口是一个三态的双向口，既可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口。P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正的双向口；而在没有外部扩展存储器时，P0口也可以作为通用的I/O接口使用，但此时只是一个准双向口；另外，P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力即输出电
24、流不小于800 uA。 6 P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一种功能，而且P1口能驱动4个LSTTL负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用。 对于输出功能，在单片机工作的时候，可以通过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平。例如：指令CLR是清零的意思，CLR P1.0的意思就是让单片机的P1.0端口输出低电平；而指令SETB是置1的意思，SETB P1.0的意思就是让单片机P1.0端口输出高电平。 P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而且P2口具有驱动4个L
25、STTL负载的能力。P2端口置1时，内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平，作为输入口使用；在对内部的Flash程序存储器编程时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口就送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容在此期间不会改变。 P3口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。P3口作为通用I/O口接口时，第二功能输出线为高电平。P3口置1时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作输入口使用；在对内部Flash程序存储器编程时，此端接控制信息。P3口的第二功能，如表3.
26、1所示。 表3.1 P3口第二功能表 P3引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 兼用功能 串行通讯输入口 串行通讯输出口 外部中断0请求输入端 外部中断1请求输入端 定时器0输入端(T0) 定时器1输入端(T1) 外部数据存储器写选通信号输出端 外部数据存储器写选通信号输出端 其它控制或复用引脚 ALE/PROG：地址锁存有效信号输出端。在访问片外存储器时，ALE以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在不访问片外存储器的时候，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6),而在访问片外数据存储
27、器时，ALE脉冲会跳空一个,此时是不可以做为时钟输出。对片内含有EPROM的机型在编程时，这个引脚用于输入编程脉冲/PROG的输入端。 /PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平时有效。当89S51从外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。但在访问片外数据存储器时，/PSEN将不会有脉冲输出。 /EA/Vpp：/EA为片外程序存储器访选用端。当该引脚访问片外程序存储器时，应该输入的是低电平，要使89S51只访问片外程序存储器,这时该引脚必须保持低电平；而7 在对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压。 3.1.3
28、单片机最小系统 单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础，单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统即单片机能工作的系统。对于80S51单片机，由于片内已经自带有了程序存储器，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就可以组成了单片机的最小系统了。单片机的应用系统如图3.5所示。 图3.5 单片机应用系统原理图 3.2 超声波发射和接收电路设计 超声波是一种振动频率超过20 kHz的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。由于超声波的以上几个特点，所以超声波被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面。而
29、且，超声波的测量是一种比较理想的的非接触式的测距方法。 3.2.1 超声波发射电路设计 超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波发生器的一个电极，另一路经两级反向器送到超声波的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波发生器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，超声波发
30、射电路如图3.6所示 8 图3.6 超声波发射电路 工作时，由单片机产生40 kHz的脉冲从P1.0口向超声波的发射电路部分发出信号，再经74LS04放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。 3.2.2 超声波接收电路设计 由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机
31、去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。 CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。超声波接收电路如图3.7所示。CX20106管脚图如图3.8所示。 图3.7 超声波接收电路 9 图3.8 CX2
32、0106管脚图 以下是CX20106A的管脚注释。 1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。 2脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R13或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C7的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7，C1=1F。 3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。 4脚：接地端。 5脚：该
33、脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。 6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚：电源正极，4.55V。 3.3 温度传感器的选择 方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。 方案二：采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。 因此本次设计采用方案二较合理。 10 3.3.1 DS18B20的特征 温度对声速的影响较大，若不进行补偿，将会
