基于单片机的超声波测距仪的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的超声波测距仪的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

警系统，包括毫米雷 达、 CCD 摄像机、 GPS、和高档微机等。 超声波测距的原理 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。 总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。 电气方式包括电压型、磁致伸缩型和电动型等：机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。 山西大学工程学院 5 他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同、目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器的原理 压电式超声波发生器实际上是利用 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，如果两电极间未加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换成电信号，这时它就是超声波接收器了。 超声波测距的原理 超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。 测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反 射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。 测量距离 D 为： 式中 v超声波在空气中传播的速度 t超声波从发送到接收到所用的时间 vtD 21山西大学工程学院 6 第三章 方案设计及元件选型 测量距离方法有很多种，但超声波测距以其非接触式、携带方便等优点被人们广为应用，本章主要讲述本设计的设计方案以及元件的选型。 设计思路 我们可以通过尺、激光等测距 原理来实现距离测量，但通过尺测量速度慢，效率低；激光测距精度高速度快，但成本高。 本文所提出的超声波测距仪实现了低成本、电路简单、使用方便、相对高的精度等优点。 因为超声波在 标准空气中 传播速度为 米 /秒，由单片机负责计时，单片机使用 晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。 利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测 、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。 以 8051 为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。 尤其值得一提的是，除 8 位 CPU 外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位 CPU，位 RAM、 ROM（ EPROM），位寻址寄存器、 I/O 口和指令集。 所以， 8051 有频率时，则其输出引脚的电平将从 “1”变为 “0”，这种电平的变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控，可对测得数据进行优化处理，并采用高低限的报警， STC89C51 还控 制显示电路，用动态扫描法实现 LED 数字显示。 根据本设计的要求，并综合考虑各种因素，本文选择 STC89C51 单片机作为主控制模块，它控制 40KHZ 脉冲的触发和超声波从发射到接受到的时间差，并显示障碍物到传感器的距离；用发光二极管和蜂鸣器实现报警提示电路，用 HCSR04 超声波模块实现超声波的发射与接收。 系统最终方案 通过各个模块的分析与论证，并综合考虑各种因素，决定系统各模块的最终方案如下： （ 1）控制模块：用 STC89C51 单片机作为主控制器； （ 2）超声波发射接收模块 :HCSR04 超声波模块； （ 3）显示模块：四位一体共阳极数码管； (4) 报警模块：蜂鸣器和发光二极管。 STC89C51单片机的介绍 山西大学工程学院 7 STC89C51单片机的功能 单片机即单片微型计算机 SCMC（ Single Chip MicroComputer）。 它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如 CPU（进行运算、控制）、 RAM（数据存储）、 ROM（程序存储）、输入 /输出设备（例如：串行口、并行输出口等）、中断系统、定时 /计数器等集中在一块芯CPU（进行运算、控制）、 RAM（数据存储）、 ROM（程序存储）、输入 /输出设备（例如：串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器 MCU（ Microcontroller Unit）。 相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded Microcontroller Unit)。 本设计的 MCU 采用的是 DIP（ Dual Inline Package 塑料双列直插式）封装的 STC89C51高性能 8 位单片机。 STC89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 STC89C51 提供了高性价比的解决方案。 STC89C51 是一个低功耗高性能单片机， 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2个外中断口， 2个 16位可编程定时计数器 ,2个全双工串行通信口， AT89C51可以按照常规方法进行编程，也 可以在线编程。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 引脚图如 图 所示。 图 STC89C51单片机的主要特性 （ 1） 与 MCS51 兼容 ； 山西大学工程学院 8 （ 2） 4K 字节可编程 FLASH 存储器 ； （ 3） 寿命： 1000 写 /擦循环 ； （ 4） 数据保留时间： 10 年 （ 5） 全静态工作： 0Hz24MHz； （ 6） 三级程序存储器锁定 ； （ 7） 1288 位内部 RAM； （ 8） 32 可编程 I/O 线 ； （ 9） 两个 16 位定时器 /计数器 ； （ 10） 5 个中断源 ； （ 11）可编程串行通道 ； （ 12）低功耗的闲置和掉电模式 ； （ 13）片内振荡器和时钟电路 ； STC89C51 提供以下标准功能： 4k 字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM， 32 个 I/O 口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， STC89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空 闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 STC89C51的管脚说明 （ 1）主电源引脚 VSS——第 20 脚，电路接地电平。 VCC——第 40 脚，正常运行和编程校验 +5V 电源。 （ 2） 时钟源 XTAL1——第 19 脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。 当直接采用外部信号时，此引脚应接地。 XTAL1——第 18 脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大 器的输出端口。 当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。 （ 3） 控制、选通或复用 RST/VPD——第 9 脚， RESET 复位信号输入端口。 当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为 2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。 在 VCC掉电期间，此引脚 (即 VPD)可接通备用电源，以保持片内 RAM 信息不受破坏。 PROGALE/ ——第 30 脚，输出允许地址锁存信号。 当单片机访问外部存储器时， ALE信号的负跳变将 P0 口上的低 8 位地址送入锁存器。 在非访问外部存储器 期间， ALE 仍以1/6 振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。 要注意的是：每当访山西大学工程学院 9 问外部存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 PROG 为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 PSEN ——第 29 脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。 当 AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器 ，这两次有效的 PSEN 信号不出现。 /VPP/EA ：外部访问允许。 欲使 CPU 公访问外部程序存储器（地址 0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。 需注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 Flash 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP。 （ 4） 多功能 I/O 端 口 P0 口 ——第 32~39 脚， 8 位漏极开路双向 I/O 端口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写 “1”可作为高阻抗输入端用。 在访问数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 P1 口 ——第 1~8 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 在对片内程序存储器（ EPROM 型）进行程序编程和校验时，用做低 8 位地址总线。 P2 口 ——第 21~28 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 当单片机访问存储器时，用做高 8 位地址总线；在对片内程 序存储器（ EPROM 型）进行程序编程和校验时，亦用做高 8 位地址总线。 P3 口 ——第 10~17 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 双功能复用口，可驱动 4 个 LS 型 TTL负载。 它还提供特殊的第二变异功能。 它的每一位均可独立定义为第一功能的 I/O 口或第二变异功能。 HCSR04超声波发射接收模块 本模块性能稳定，测量精度高，盲区小。 HCSR04 超声波测距模块可提供 2cm400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到 3mm,模块包括超声波发生器、超声波接收器以及控制电 路。 （ 1）采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 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输出。 （ 3）有信号返回，通过 IO 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。 测量距离 =（高电平的时间 *声速（ 340m/s）） /2。 本模块的使用方法简单，一个控制口山西大学工程学院 10 发一个 10us 以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出，一旦有高电平的输出，则定时器就开始定时，当此口变为低电平时，则定时结束并读取定时器的值，此时定时器的值就为 超声波从发射到接收到的时间，然后在根据计算距离的公式方可求出所要测量的距离值，与此同时超声波模块每隔 400ms 发射一次超声波，如此不断的周期测量，即可以达到移动测量的目的。 HCSR04 超声波模块有四个引脚，分别是： VCC、 GND、 TRIG 和 ECHO。 如图 所示。 其中， VCC 接 5V的电源电压， GND 为接地引脚， TRIG 为触发控制信号输入， ECHO为回响信号输出。 H C S R O 4V C CT R I GE C H OG N D 图 模块引脚图 气 参数 超声波模块的各个电气参数如表 31 所示 电气参数 HCSR04 超声波模块 工作电压 DC5V 工作电流 15mA 工作频率 40HZ 最远射程 4m 最近射程 2cm 测量角度 15 度 输入触发信号 10us 的 TTL脉冲 表 31 HCSR04 的电气参数 山西大学工程学院 11 第四章 硬件设计 系统结构设计 超声波测距仪系统结构如图 所示。 它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、键盘、 LED 显示电路、报警电路及电源电路组成。 接收显示终端以单片机为核心连接数码管，超声波发送与接收端以单片机为核心分别连接功率放大电路与超声波接收电路。