基于单片机的超声波测距装置毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的超声波测距装置毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

了 MCS51的原有功能，与其完全兼容，并同时增加了新的功能，比如看门狗定时器 WDT、 ISP、及SPI 串行接口技术等，其中， AT89C51 单片机的时钟频率高达 24MHZ， Flash 存储器允许在线电擦除、电写入或使用编程 器对其重复编程。 另外， AT89C51 单片机还支持软件选择的两种掉电工作方式，非常适用于电池供电或其他要求低功耗的场合。 AT89C51 单片机片内的 4KB Flash 存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低，因此 AT89C51单片机作为 AT89C5x 系列单片机的代表性产品受到了应用设计者的欢迎，也是目前取代MCS51 系列单片机的主流芯片之一。 本设计之所以选用 AT89C51，一方面其性能，功能齐全，也可以与之前的单片机兼容；另一方面 其价格便宜，同时也是主流单片机芯片，方便设计和学习。 单片机 AT89C51 采用 40 引脚双列直插封装形式，一块芯片上包括： 8 位中央处理器单元 CPU； 4KB 的程序存储器 Flash ROM； 256 字节的 RAM； 2 个 16 位的定时 /计数器 T0 和 T1； 4 个 8 位的可编程并行 I/O 端口（ P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口）； 5 个 2 级中断源； 1 个全双工的串行口以及时钟电路，但石英晶体振荡器和电容需要外接，允许最高振荡频率为 12MHZ； 64KB 外部程序存储器寻址空间；具有位寻址功能，位寻址空间为 00HFFH,具有较强的位处理能力；特别是该系列单片机片内的 Flash 可编程、可擦除只读存 储器，使其在实际中有广泛应用，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更有用。 AT89C51为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。 充分利用它的 片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距装置。 单片机的引脚图如图 22 所示： 图 22 单片机引脚图 洛阳师范学院 2020 届本科生毕业设计 8 引脚说明： Vcc（ 40 引脚） :接 +5v 电源； Vss（ 20 引脚） :接地； P0 口： P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口。 当 AT89C51 单片机扩展外部存储器及I/O 接口芯片时， P0 口作为地址总线（低 8 位）及数据 总线的分时复用端口。 P0 口也可作为通用的 I/O 口使用，但需加上拉电阻，这时为准双向口。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口， P1 口引脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，当 P2 口被写 1 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当由于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取 时， P2 口输出地址的高八位。 P3 口： P3 口引脚是 8 位带内部上拉电阻的准双向 I/O 口。 P3 口可作为通用的 I/O 使用，此时当 P3 口写入 1 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 由此作为输入时，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流，这是由于上拉的原因。 P3 口还可提供第二功能，并且这些第二功能非常重要和有用，如表 21 所示： 表 21 P3 口引脚第二功能说明 引脚 第二功能 说 明 RXD 串行数据输入口 TXD 串行数据输出口 INT0 外部 中断 0 输入 INT1 外部中断 1 输入 T0 定时器 0外部计数输入 T1 定时器 1外部计数输入 WR 外部数据存储器写选通输出 RD 外部数据存储器读选通输出 RST（ 9 引脚）：复位信号输入端，高电平有效。 ALE/PROG（ 30 引脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许大的输出电平用于锁存地址的低位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入变成脉冲。 在平时， ALE 端以不变的频率周期正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可以用作对外部输出的 脉基于单片机的超声波测距装置 9 冲或用于定时目的，但严格来说， ALE 还不宜作为精确的时钟源或定时信号。 PSEN（ 29 引脚）：读外部程序存储器的选通信号。 在有外部程序存储器取值间，每个机器周期两次 PSEN 才有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。 EA/VPP（ 31 引脚）：当 EA 保持低电平时，对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器。 当 EA 引脚接高电平时，在 PC 值不超出片内 4KB Flash 存储器的地址范围的情况下，单片机读片内程序存储器（ 4KB），但超出了片内 4KB Flash 存储器的地址范围时，将自动转向 访问外部程序存储器的程序。 VPP 为该引脚的第二功能，为编程电压输入端，一般加在 VPP 引脚的编程电压为 5v。 XTAL1（ 19 引脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入，该引脚连接外部石英晶体和微调电容。 XTAL2（ 18 引脚）：来自反向振荡放大器的输出，连接外部石英晶体和微调电容。 超声波模块 超声波测距简介 声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象。 当声音的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。 超声波通常指 1 秒内振动 20200 次以上的高频声波。 超声波的特点是它能在各种媒质中传播，波长短，因而分辨率很好，声束尖锐，声能集中，在不同物质界面上会有反射、折射、散射等现象，可获得较高声强。 利用声在媒质中的声速、衰减、共振、反射等现象可测量物质的成分、比重、厚度等。 超声波测距就是利用超声波脉冲反射回波的方法实现的。 超声波在空气中的传播速度为 340 米 /秒，因此，如果能测出超声波在空气中传播时间，就能算出其传播的距离。 超声波测距就是通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测距法。 其中，超声波测距方法有如下两种： 1. 直接式超声波测距方法 直接式超声波测距方法的原理是：测量超声波发送器发射超声波到超声波接收器接收到超声波的时间 t，已知超声波在空气中的传播速度 V,则超声波发送器到被测物的距离为：S=Vt 2. 反射式超声波测距方法 反射式超声波测距方法的原理是：超声波发送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遇到对象物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就计下了超声波从发射到被测物间的来回传播时间t，从而发送器到被测物体的距离为： S=Vt/2 超 声波测距原理 洛阳师范学院 2020 届本科生毕业设计 10 1. 超声波传感器 在超声波测距系统中利用超声波传感器发射和接收超声波，利用超声波在空气中的传播特性进行距离测量。 利用超声波感知或检测物体，有非损害性、遥控性、实时性、等优点，在许多方面体现了超声波的独到之处。 很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。 近年来，超声波的波长范围已经达到 Lm 级，超声波频率已经扩大到 GHz 领域，分辨率达 Pin 量级的超声波显微镜已实用化。 在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。 人们为研究和应用超声波， 己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器 :有机械方式和电气方式两张方式产生超声波。 实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量 (发射换能器来完成 )和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量 (接收换能器来完成 )。 一般是用电能和超声能量相互转换。 电气方式类型包括 :压电型、磁致伸缩型和电动型等。 机械方式有：气流旋笛、液哨、加尔统笛等。 各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。 目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。 而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英 单晶体、钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体 ((PZT4, PZT5)等。 2. 超声波传感器的结构和发射原理 将两个压电元件（或一个压电元件和一个金属板）粘合在一起，称为双压电晶片（由一个压电元件构成的称为单压电 晶片）。 压电式超声波发射器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，它有两个压电晶片和一个共振板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能 转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 超声波传感器可以视为一个电感、电容和电阻串联的（共振）电路其电抗特性是左侧右侧呈电容性，中间部分呈电感性。 这种特性只有在高 Q 值的晶体振子或者陶瓷振子中可以看到。 利用这一特性构成了超声波传感器特有的电路。 超声波传感器由两个共振频率，低频的共振频率 ft 叫做串联共振频率，在电阻 (R)，电感 (L)和电容 (C1)的串联电路中振荡。 这时的传感器阻抗最低；而在高频处的共振频率 fa 为逆共振频率，在电阻 (R)，电容 (C1)和电容 (C2)的串联电路中震荡。 发射超声波在串联共 振频率处具有最高灵敏度，接收超声波在串联逆共振频率处具有最高灵敏度，而且由于超声波传感器具有共振特性，即使将方波输入到发射传感器，接收传感器的输出也是正弦波。 超声波测距模块 HYSRF05 因为本身超声波模块还需要超声 波发送器，超声波接收器和超声波控制 部分，为了本设计 的可行性， 把这三个部分集中到一个超声波模块上， 选用了 深圳市电应普科技有限公基于单片机的超声波测距装置 11 司生产的 HYSRF05 超声波测距模块， 这个模块的 做工 比较成熟， 市场占有份额较大， 前期也有多种型号，而且价格便宜，容易购买。 以下就是 HYSRF05 超声波测距 模块的介绍： 1. HYSRF05 超声波测距模块的特点 HYSRF05 超声波测距模块可提供 2cm450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 1cm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。 2. HYSRF05 超声波测距模块基本工作原理 （ 1）采用 I0 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号，这里 给出的是 20us 的高电平信号； （ 2）模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； （ 3）有信号返回，通过 I0 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 那么这样以来测试距离 =（高电平持续时间 *声速（ 340M/S）） /2 3. HYSRF05 超声波测距模块引脚介绍 HYSRF05 超声波测距模块的实物图如图 23 所示： 图 23 HYSRF05 超声波测距模块的实物图 VCC 供 5V电源 GND 为接地线 TRIG 触发控制，信号输入 ECHO 回响信号输出 OUT 开关量输出（可当报警模块使用） 4. HYSRF05 超声波测距模块电气参数： HYSRF05 超声波测距模块的电气参数说明表如表 22 所示： 洛阳师范学院 2020 届本科生毕业设计 12 表 22 HYSRF05 超声波测距模块的电气参数说明表 电气参数 HYSRF05 超声波测距模块 工作电压 DC 5V 工作电流 15mA 工作频率 40Hz 最远射程 450cm 最近射程 2cm 测量角度 15度 输入触发信号 20us 的 TTL 脉冲 输出回响信号 输出 TTL电平信号，与距离成比例 规格尺寸 45*20*15mm 5. 超声波时序图： 超声波测量时的时 序图如图 24 所示： 图 24 超声波测量时的序图 从时序图可以看出只需要提供一个 20us 以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出 8个 40KHz 周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所要测的距离成正比，由此通过记录发射信号到收到的回响信号时间间隔就可以触发信号 模块内部发出信号 输出回响信号 20us 的 TTL 循环发出 8 个 40KHz 脉 冲 回响电平输出与检测距离成比例 基于单片机的超声波测距装置 13 计算出所需要测量的距离。 用公式：距离 =高电平时 间 声速（ 340M/S） /2 可以计算出距离，同时根据公式：厘米 =us/58 转换成厘米，在显示器 件上显示。 使用此模块需注意的是： 1. 此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的 GND 端先连接，否则会影响模块的正常工作。 2. 测距时，被测物体的面积不少于 平方米且。