基于单片机的超声波测距系统毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的超声波测距系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

传播速度不同。 它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。 超声波的基本特性如下所述： 1． 波长 波的传播速度是用频率乘以波长来表示。 电磁波的传播速度是 3 108m/s，而声波在空气中的传播速度很慢，约为 344m/s (20℃时 )。 在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。 正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。 2． 反射 要探测某个物体是否存在，超声波就能够在该物体上得到反射。 由于金属 、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎 100％的超声波，因此我们可以很容易地发现这些物体。 由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因此很难利用超声波探测到它们。 同时，由于不规则反射，通常可能很难探测到凹凸表面以及斜坡表面的物体，这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所，并且测试物体必须反射超声波。 3． 温度效应 声波传播的速度“ c”可以用下列公式表示。 c=+ (m/s) 式中， t=温度 (℃ )也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。 因此，要精确的测量与某个物体之间的距离 时，始终检查周围温度是十分必要的，尤其冬季室内外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用 18B20作温度补偿来减小温度变化所带来的测量误差，考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要是用于 测距 功能，对测量精度要求不高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。 第 15 页 4. 衰减 传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。 如图 8所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超 声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。 图 8 声压在不同距离下的衰减特性 5．声压特性 声压级 (.) 是表示音量的单位，利用下列公式予以表示。 .= 20logP/Pre (dB)式中 ,“ P”为有效声压 (μ bar)，“ Pre”为参考声压 (2 104μ bar)如图 6所示为几种常用超声波传感器的声压图。 第 16 页 图 9 超声波传感器的声压图 6．灵敏度特性 灵敏度是表示声音接收级的单位，使用下列公式予以表示。 灵敏度 = 20log E/P (dB)式中 ,“ E”为所产生的电 压 (Vrms)，“ P”为输入声压 (μ bar)。 超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围，如图 7所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图，从图中可以发现 40KHz时传感器的声压级最高，也就是说 40KHz时所对应的灵敏度最高。 图 10 超声波传感器灵敏度示意图 7．辐射特性 把超声波传感器安装在台面上。 然后，测量角度与声压 (灵敏度 ) 之间的关系。 为了准确地表达辐射，与前部相对比，声压 (灵敏度 ) 级衰减 6dB的角度被称为半衰减角度，用θ 1/2表示。 超声波设备的外表面尺寸较小易于获得精确的辐射角度。 如图 11所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。 第 17 页 图 11 超声波传感器辐射特性示意图 分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在 40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度。 测距分析 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。 由于超声波也是一种声波，其声速 V 与温度有关。 在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。 如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的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 12 所示： t 超声波发射 障碍物 S H θ 超声波接收 图 12 超声波的 测距原理 cosSH （ 31） 第 18 页 )(HLarctg （ 32） 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 : vtS2 ( 33) 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（ 3— 2）、（ 3— 3）代入（ 31）中得： ]c o s [21 HLarctgvtH  ( 34) 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 (3— 4)变为 : vtH 21 ( 35) 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. STC89C52 单片机简介 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选 择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路 、 振荡电路 、键盘控制、 LED 显示 电路、 报警电路等子模块。 单片机最小系统 要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图 37所示。 第 19 页 12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U1U1Y112MC2 20C3 20VCCGNDR1410KC1 10uFVCC1234J1VCCS1P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P34P35P36P37 P23TrigEcho单片主控电路 图 37 信号处理模块 单片机最小系统包括单 片机 、 复位电路 、 时钟电路构成。 STC89C52 单片机的工作电压范围： ,所以通常给单片机外界 5V直流电源。 连接方式为单片机中的 40 脚 VCC 接正极 5V，而 20脚 VSS 接电源地端。 复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。 单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。 当单片机系统在运行中，受到 外界 环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。 一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后，在 RESET 端持续给出 2个机 器周期的高电平时就可以完成复位操作。 本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要接上上拉电阻来 提高输出高电平的值。 时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。 时钟电路就是振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 ， 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。 因为一个机器周期含有 6个状态周期，而每个状态周期为 2个振荡周期，所以一个机器周期共有 12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡 频率为 12MHZ，一个振荡周期为1/12us。 时钟电路的设计 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。 因为一个机器周期含有 6个状态周期，而每个状态周期为 2个振荡周期，所以一个机器周期共有 12 个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率 第 20 页 为 12MHZ，一个振荡周期为 1/12us，故而一个机器周期为 1us。 如图 13 所示为时钟电路。 CCX12MHZXTAL1XTAL2 图 13 时钟电路图 复位电路的设计 复位方法 一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后 , 在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。 例如使用晶振频率为 12MHz 时，则复位信号持续时间应不小于 2us。 本设计采用的是 自 动复位电路。 如图 14示为复位电路。 图 14 复位电路图 声 光 报警电路的设计 本设计中声光报警电路采用 NPN 型 S8550 三极管驱动，当单片机的 P2^3口输出低电平时，三极管的 VEVBVC0。 三极管的发射结正偏，集电结反偏，三几个饱和导通，此时发光二极管和蜂鸣器发出声光报警，当单片机 的 P2^3口输出高电平时，三极管截止，声光报警停止工作。 具体电路图如图 15 所示： 第 21 页 B1蜂鸣器Q58550VCCGND+R132KP2312D2DR162K 图 15 声 光 报警电路图 数码管 显示模块 显示模块采用 数码管 显 段选接在单片机的 P1口，位选接在单片机的 P3^P3^ P3^ P3^7 口，采用三极管驱动方式。 当位选输出低电平时，相应的三极管将饱和导通，再打开相应的段码，这样就可以在数码管上显示了。 在本设计中采用动态扫描的方式。 具体电路图如图 16所示： E1D2DP3C4G54H62H9F10A111H12B73H8DS1ABCDE FGDP 1H2H3H4HQ18550Q38550Q48550Q28550VCC1H3H2H4HR4 1KR5 1KR7 1KR6 1KP34P35 P36P37 图 16 数码管电路 软件设计 主程序工作流程图 按上述工作原理和硬件结构分 析可知 系统主程序工作流程图如下图 17 所示 ； 第 22 页 图 17 主程序工作流程图。