基于at89c52单片机超声波测距仪的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于at89c52单片机超声波测距仪的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

波诊断、超声波治疗等。 超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和 硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。 超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。 超声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。 大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。 应用在医学中的超声波诊断发展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与 X 线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。 在农业中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于种子发芽和作物增产。 此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。 微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。 超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。 在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人失却系统设计的精确于否。 超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用用作测距传感器，实现定位以及环境建模。 超声波测距作为辅助视觉 系统与其它视觉系统（如CCD 图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。 日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，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 及误差分析 .1 超声波测距的原理 超声波测距原理：超声波发射器在 MCU 控制下由 B1 向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍 物立即返回来，测距系统在 B2 接收到反射波就立即停止计时。 在标准情况下，超声波在空气中的 SXPI 6 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，声速确定后，要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波测距的基本原理。 障 碍 物SHθ超 声 波接 收 电 路B 1B 2MCU控 制显 示超 声 波发 射 电 路 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。 由此可见，超声波测距原理与雷达 原理是一样的。 测距的公式表示为： L=C179。 T 式中 L 为测量的距离长度； C 为超声波在空气中的传播速度； T 为测量距离传播的时间差 (T 为发射到接收时间数值的一半 )。 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。 由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。 在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只 有厘米级的测量精度。 通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用 LM92 温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 超声波测距误差分析 根据超声波测距公式 L=C179。 T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 1）时间误差 当要求测距误差小于 1mm时，假设已知超声波速度 C=344m/s (20℃室温 )，忽略声速的传播误差。 测距误差 s△ t() ≈ 即 s。 在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于 1mm 的误差。 使用的 12MHz 晶体作时钟基准的 89C51 单片机定时器能方便的计数到 1μ s 的精度，因此系统采用 89C51定时器能保证时间误差在 1mm的测量范围内。 2）超声波传播速度误差 超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。 已知超声波速度与温度的关系如下： 式中： r — 气体定压热容与定容 热容的比值，对空气为 ， R — 气体普适常量， 178。 mol1178。 K1， SXPI 7 M— 气体分子量，空气为 179。 103kg178。 mol1， T — 绝对温度， 273K+T℃。 近似公式为： C=C0+179。 T℃ 式中： C0 为零度时的声波速度 332m/s； T 为实际温度 (℃ )。 对于超声波测距精度要求达到 1mm 时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。 例如当温度 0℃时超声波速度是 332m/s, 30℃时是 350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为 18m/s。 若超声波在 30℃的环境下以 0℃的声速测量 100m距离所引起的测量误差将达到 5m，测量 1m误差将达到 5mm。 超声波发生器可以分为两类：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。 电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。 它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。 目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。 单片机实现测距的原理 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 tr，然后求出距离 S＝ Ct／ 2，式中的 C为超声波波速。 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。 3 系统硬件设计 系统结构设计 整体电路的控制核心为单片机 AT89C51。 超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证 测量结果尽可能精确。 超声波探头接 OUT口实现超声波的发射和接收。 另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。 整体结构图包括超声波发射电路、超声波接收电路、放大电路、比较震荡电路、单片机电路、键盘输入电路、电源电路、复位电路、显示电路、温度测量电路及温度补偿电路等几部分模块组成。 超声波测距系统结构图如图 31 所 SXPI 8 单片机发出 40kHZ 的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声 波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用比较电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t，用温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。 再由软件进行判别、计算，得出距离数并送 LED 显示。 用复位电路重置系统后可进行下一次测试。 单片机 AT89C52 最小系统 单片机功能 AT89C52 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机．片内含 8K byTES的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 256 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，与标准 MCS51指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（ CPU ）和 FLASH由存储单元，功能强大 AT89C52 单片适用于许多较为复杂控制应用场合。 超声波 接收电路 放大 电路 超声波 发射电路 放大 电路 比较 电路 震荡 电路 单片机 AT89C51 键盘 输入 复位 电路 温度传感器 DS18B20 电源 电路 4 位 LED 显示器 R40超声波传感器 T40 超声波传感器 SXPI 9 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2 主要性能参数： 与 Mcs51 产品指令和引脚完全兼容。 8 字节可重擦写 FLASH 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作： 0HZ24MHZ 三级加密程序存储器 256X8 字节内部 RAM 32 个可编程 I/0 口线 3 个 16 位定时／计数器 8 个中断源 可编程串行 UART 通 功耗空闲和掉电模式低 8字节 FLASH 闪速存储器， 256 字竹内部 RAM , 32 个 I/O口线， 3 个 16 位定时／计数器，一个 6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， AT89c52 可降至 OHz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。 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 . AT89C52 管脚说明 Vcc:电源电压 GND:地 P0： P0口是一组 8位漏极开路型双向 1/O 口，也即地址 /数据总线复用口。 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 P0 写“ 1”时，可作为高阻抗输入端用。 SXPI 10 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部 上拉电阻。 在 FLASH 由编程时， P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字 节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口： PI 是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口， Pl 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL 逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 与 AT89C51 不同之处是， 和 还可分别作为定时 /计数器 2 的外部计数输入（ ）和输入（ ) , 参见表 1 FLASH 编程和程序校验期间， Pl 接收低 8位地址。 表 1 和 的第二功能 口： P2 是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑电路。 对端口 P2 写“ l，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ llt ）。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOvx@DPTR 指令）时， P2 送出高 8 位地址数据。 在访问 8位地址的外部数据存储器、如执行MOVX@RI 指令）时， P2口输出 P2 锁存器的内容。 FLASH 编程或校验时， P2 亦 接收高位地址和一些控制信号。 178。 P3 口： P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动 (吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对 P3 口写入“ 1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。 此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（ IIL) . P3 口除了作为一般的 I/0 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 端口引脚 第二功能 RXD（串行输入口〕 TXD（串行输出口〕 INTO（外中断 0〕 INTO（外中断 l) TO （定时／计数器 0 ) Tl （定时／计数器 l ) WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通） 178。 EA/VPP：外部访问允许。 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 (地址为0000HFFFFH ) , EA 端必须保持低电平 (接地）．需注怠的是：如果加密位 LBI被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平（接 Vcc 端） , CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 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 SXPI 11 器件是使用 12V 编程电压 VPP。 178。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端． 178。