基于单片机的超声波测距器设计(论文

基于单片机的超声波测距器设计(论文内容摘要：

测量系统的构建引入全新概念。 DS18B20 支持“一线总线”接口 ,测量温度范围为 55℃ ~ 125℃ ,在 10℃ ~85℃ 范围内 ,精度为 177。 ℃。 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输 ,大大提高了系统的抗干扰性。 适合于恶劣环境的现场温度测量。 DS18B20 支持3V~ 的电压范围 ,使系统设计更灵活、方便。 价格 更便宜 ,体积更小。 DS18B20 可以程序设定 9~12 位的分辨率 ,精度为 177。 ℃。 可选更小的封装方式 ,更宽的电压适用范围。 分辨率设定 ,及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中 ,掉电后依然保存。 省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的 EEPROM,精度降低为 177。 2 ℃ ,适用于对性能要求不高 ,成本控制严格的应用 ,是经济型产品 [5]。 衡量其准确度和价格的优势最终确定DS18B20 为此项目的温度传感器。 显示模块选择比较 方案 一 ：使用液晶显示屏显示时间和路程。 液晶显示屏 （ LCD） 具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。 可以显示汉字等各种符号。 但一般需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大。 方案 二 ：使用数码管显示。 数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、对外界环境要求低， 易于维护。 同时精度比较高，称量快，精确可靠，编程容易，操作简单等优点。 缺点是不 能 实现汉字显示，多数据多行显示 [6]。 请参照图 23 所示。 本科生毕业论文（设计） 7 图 23 显示电路 由于受到资金的影响，选择方案二，虽然显示上没有 LCD 那么完全，但是也能够完整的显示出我们需要的结果。 语音芯片选择 ISD1730是 ISD公司最新推出的单片高音质语音录放电路，该芯片提供多项创新功能，包括多信息管理系统，新信息提示（ vAlert），双运作模式（独立 、 嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。 芯片内部包含有自动增益控制、麦 克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。 语音芯片的 特点 以下为该语音芯片的特点： （ 1） 可录、放音十万次，存储内容可以断电保留一百年。 （ 2） 两种控制方式。 （ 3） 两种录音输入方式。 （ 4） 两种放音输出方式。 （ 5） 可处理多达 255段信息。 （ 6） 有丰富多样的工作状态提示。 （ 7） 多种采样频率对应多种录放时间。 语音芯片的 电特性 （ 1） 工作电压：。 （ 2） 静态电流：。 本科生毕业论文（设计） 8 （ 3） 工作电流： 20mA。 用户可利用震荡电阻来自定芯 片的采样频率，从而决定芯片的录放时间和录放音质。 独立按键工作模式 ISD1730的独立按键工作模式录放电路非常简单，而且功能强大。 不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。 这些功能仅仅通过按键就可完成 [7]。 本科生毕业论文（设计） 9 第 3 章 系统硬件电路设计 主控 电路 框图与 原理图 该系统主要包括主控芯片、超声波发射接收模块及显示等。 系统设计框图 根据设计要求并综合各方面因素， 本系统 采用 AT89S52 单片机作为主控制器， 使用 LED 作为 系统显示屏 ， 超声波发射驱动需要的 40KHz 脉冲由单片机 发出，使用定时器进行控制，超声波接收使用 cx20206a 作为接收主控芯片，使用 ds18b20 作为温度校正系统核心。 超声波测距器的系统框图如 图 31 所示： 图 31系统框图 整个系统采用模块化进行设计，是每个模块都是一个独立的单元，方便后续调试工作的方便。 主电路原理图 该系统电路设计的比较简单， 单片机采用 AT89S52 或其兼容系列。 采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。 单片机用 端口输出超声波 转化器所需的 40KHz 方波信号，利用外中断 0 口检测超声波接受电路输出的返回信号。 显示电路采用简单实用的 4 位共阳 LED 数码管，位码用 PNP 三极管驱动。 如图 32所示。 本科生毕业论文（设计） 10 图 32主控电路 DS18B20 温度补偿电路 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 t，然后求出距离 ,如式 31 所示。 S＝ Ct／ 2 (31) 式中 C—— 超声波波速。 限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素：超声波的幅度、反射的 质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。 接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。 为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。 由于超声波属于声波范围，其波速C 与温度有关 ，如式 32 所示。 C=+*T (32) 式中 T—— 当地温度 [8]。 经过测量得出波速与温度的关系，如表 31 所示。 本科生毕业论文（设计） 11 表 31 超声波温度速度表 温度 (℃ ) 30 20 10 0 10 20 30 声速 c(m/s) 313 319 325 333 338 344 349 在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速 C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。 波速确定后，只要测得超声波往返的时间 r，即可求得距离 s。 ISD1730 语音报警 ISD1730 语音芯片的使用是先通过 MIC 分段录音，然后用单片机通过 SPI 协 议读它的相应的地址就可以实现语音播报距离，以及提示“危险距离， 该芯片使用时需要注意的是共点电源和共点地的接法，这样可祛除干扰 ，使音质更加好。 下图 33 为语音芯片 ISD1730 的硬件连接图。 图 33 语音报警电路 发送超声波模块电路图 压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。 内部结构 如 图 34 所示 [7]，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，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超本科生毕业论文（设计） 12 声波发生器。 如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。 超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同 [9]。 图 34 超声波转换结构图 该 系统的超声波发送模块 是由 超声波 发射探头组成的， 使用 用 74hc04 做为 驱动 ，如图 35 所示。 图 35 超声波发射电路 接收超声波模块电路图 该系统的超声波接收模块是由超声波接收探头和 红外线接受处理芯片 cx20206a 组成。 如图 36 所示。 本科生毕业论文（设计） 13 图 36 超声波接收电路 系统 采用集成电路 cx20206a，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。 考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距超声波频率 40KHz较 为接近，可以利用它作为超声波检测电路。 实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。 适当改变 C4 的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 本科生毕业论文（设计） 14 第 4 章 系统软件设计 总体设计框图 主程序首先对系统环境初始化，设置定时器 T0 工作模式为 16 位的定时计数器模式，置位总中断允许位 EA 并给显示端 P0 和 P2 清 0。 然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因 )后， 打开外中断 0 接收返回的超声波信 号。 由于采用 12MHz 的晶振，机器周期为 1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器 T0 中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测被测物体与测距仪之间的距离 ,设计时取 20℃ 时的声速为 344m/s,如式 41 所示 [10]。 (C*T0)/2 =172T0/10000cm (41) 式中 T0—— 计数器 T0 的计数值。 测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式 传送到 LED 显示 ,然后再发超声波脉冲重复测量过程。 主程序框图如 图 41 所示。 图 41 总体设计框图 本科生毕业论文（设计） 15 子程序设计框图 图 42 子程序设计框图 超声波发生子程序的作用是通过 端口发送 2 个左右的超声波信号频率约40KHz 的方波，脉冲宽度为 12us 左右，同时把计数器 T0 打开进行计时。 超声波测距器主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（ INT0 引脚出现低电平 )，立即进入中断程序。 进入该中断后就立即关闭计时器 T0 停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。 如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距成功标志字赋值 2 以表示此次测距 不成功。 本科生毕业论文（设计） 16 第 5 章 系统的测试和误差分析 系统硬件调试 电路板焊接完毕后，使用万有表测量电路是否有短路、短路，元器件时候有 +、 级焊接反向。 若检查无误后，将单片机安装上，接通电源，此时应注意以下几点。