#许智焜超声波测距1.docx
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#许智焜超声波测距1.docx
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#许智焜超声波测距1
基于单片机的超声波测距仪的设计
院(系):
机械工程学院
专业:
测控技术与仪器
班级:
08级1班
姓名:
许智焜
学号:
08011050142
指导教师:
陶跃珍
2012年4月20日
四川理工学院毕业设计(论文)开题报告
设计(论文)名称
基于单片机的超声波测距仪的设计
设计(论文)类型
B—应用研究
指导教师
陶跃珍
学生
姓名
许智焜
学号
08011050142
系、专业、班级
机械工程学院
测控技术与仪器08级1班
1、选题依据:
(简述研究现状或生产需求情况,说明该设计(论文)目的意义。
)
谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。
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。
电气方式包括压电型、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。
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。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
从技术上看,超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化,从70年代末期开始广泛应用于生产领域。
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在工农业生产上得到了广泛的应用。
由于超声测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色等的影响,较其它仪器更卫生,更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境,具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。
因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品(酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品)、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。
可在不同环境中进行距离准确度在线标定,可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制,可进行差值设定,直接显示各种液位罐的液位、料位高度。
因此,超声波测距在特殊环境下有较广泛的应用。
同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点,近些年在汽车倒车雷达的研制方面和移动机器人的研究上得到了广泛的应用。
2、设计(论文研究)思路及工作方法
本次设计力求实用性强,性价比高,使用简单。
超声波测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射同时开始计时,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中断停止计时。
通过不断检测发射波遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T,然后就可以求出距离L。
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,L=340*T/2。
3、设计(论文研究)任务完成的阶段内容及时间安排。
2月27日—3月18日查阅资料,学习传感器及单片机的基本知识。
3月19日—4月15日完成系统硬件设计。
4月16日—5月13日完成软件的编写。
5月14日—6月3日完成论文的撰写。
6月4日—6月17日毕业设计(论文)的修改、答辩准备工作及毕业答辩。
指导教师意见
指导教师签字:
年月日
教研室毕业设计(论文)工作组审核意见
难度
分量
综合训练程度
教研室主任:
年月日
设计(论文)类型:
A—理论研究;B—应用研究;C—软件设计;D-其它等。
一、概述
二、课题研究背景及意义
三、设计方案
3.1什么是超声波
3.2超声波测距的原理
3.3超声波传感器简介
3.4基于单片机的超声波测距仪整体设计原理
四、硬件及相关电路的设计
4.1单片机
4.1.1什么是单片机
4.1.2单片机品牌
4.1.3单片机的选择
4.1.4单片机电路
4.2超声波传感器
4.2.1超声波传感器的分类
4.2.2超声波传感器的选择
4.2.3超声波传感器电路
4.3数码管
4.3.1什么是数码管
4.3.2数码管的选择
4.3.3数码管电路
4.4稳压电源
4.4.1系统电源的选择
4.4.2稳压芯片选择
4.4.3电源电路
4.5系统电路图
5、软件的设计
3、设计方案
3.1什么是超声波
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率,它的单位是赫兹(Hz)。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz~20000Hz。
当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时,我们便听不见了。
因此,我们把频率低于20赫兹的声波称为“次声波”,把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律没有本质上的区别。
但是超声波的波长很短,只有几厘米,甚至千分之几毫米。
与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:
传播特性──超声波的波长很短,通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍,因此超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,该特性就越显著。
功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。
声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。
在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。
由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。
由于它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。
3.2超声波测距的原理
超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,
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)。
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3-1所示:
图3-1超声波测距的原理
(3-1)
(3-2)
式中:
L---两探头之间距离的一半.
又知道超声波传播的距离为:
(3-3)
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(3-1)中得:
(3-4)
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:
(3-5)
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.
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。
表3-1超声波波速与温度的关系表
温度(℃)
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
3.3超声波传感器简介
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能是不同的,我们使用前必须预先了解它的性能。
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。
由于压电材料的居里点一般比较高,特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。
医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。
灵敏度主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大,灵敏度高;反之,灵敏度低。
3.4基于单片机的超声波测距仪整体设计原理
整体电路的控制核心为单片机AT89S52。
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,单片机电路,显示电路与温度测量电路等几部分模块组成。
而超声波发射与接收电路还要加入放大电路。
在发射后把信号放大,接收前也要把还再次放大
四、硬件及相关电路的设计
4.1单片机
单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit),常用英文字母缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用,为使更多的业内人士、学生、爱好者、产品开发人员掌握单片机这门技术,于是产生单片机开发板,比较有名的例如电子人DZR-01A单片机开发板。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和,甚至比人类的数量还要多。
单片机是靠程序运行的,并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列,或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话,电路一定是一块大PCB板!
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别!
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性!
由于单片机对成本是敏感的,所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言,它是除了二进制机器码以上最低级的语言了,既然这么低级为什么还要用呢?
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?
原因很简单,就是单片机没有家用计算机那样的CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十K的尺寸!
对于家用PC的硬盘来讲没什么,可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行,家用PC的也是承受不了的。
可以说,二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。
顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。
因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”,如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
4.1.2单片机品牌
单片机种类繁多,但是一般常用的有以下几种:
ATMEL公司的AVR单片机:
是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力.AVR单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化.AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域.
Motorola单片机:
Motorola是世界上最大的单片机厂商.从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:
8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12,16位机M68HC16,32位机M683XX.Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境.
MicroChip单片机:
MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,分别仅有33,35,58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积.适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高.发展非常迅速.
MDT20XX系列单片机:
工业级OTP单片机,Micon公司生产,与PIC单片机管脚完全一致,海尔集团的电冰箱控制器,TCL通信产品,长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机
EM78系列OTP型单片机:
台湾义隆电子股份有限公司,直接替代PIC16CXX,管脚兼容,软件可转换,代理:
福州新源电子技术研究所:
tel:
(0591)3374152
Scenix单片机:
Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel的PentiumII等一起被<
SX系列双时钟设置,指令运行速度可达50/75/100MIPS(每秒执行百万条指令,XXXMInstructionPerSecond);具有虚拟外设功能,柔性化I/O端口,所有的I/O端口都可单独编程设定,公司提供各种I/O的库函数,用于实现各种I/O模块的功能,如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD驱动等等.采用EEPROM/FLASH程序存储器,可以实现在线系统编程.通过计算机RS232C接口,采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真.
EPSON单片机:
EPSON单片机以低电压,低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世,尤其是LCD驱动部分做得很好.广泛用于工业控制,医疗设备,家用电器,仪器仪表,通信设备和手持式消费类产品等领域.目前EPSON已推出四位单片机SMC62系列,SMC63系列,SMC60系列和八位单片机SMC88系列.
东芝单片机:
东芝单片机门类齐全,4位机在家电领域有很大市场,8位机主要有870系列,90系列,该类单片机允许使用慢模式,采用32K时钟时功耗降至10UA数量级.东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的CPU结构,面向VCD,数字相机,图像处理等市场.
8051单片机:
8051单片机最早由Intel公司推出,其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛,有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片.
LG公司生产的GMS90系列单片机,与IntelMCS-51系列,Atmel89C51/52,89C2051等单片机兼容,CMOS技术,高达40MHZ的时钟频率,应用于:
多功能电话,智能传感器,电度表,工业控制,防盗报警装置,各种计费器,各种IC卡装置,DVD,VCD,CD-ROM.
华邦单片机:
华邦公司的W77,W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容,但每个指令周期只需要4个时钟周期,速度提高了三倍,工作频率最高可达40MHz.同时增加了WatchDogTimer,6组外部中断源,2组UART,2组Datapointer及Waitstatecontrolpin.W741系列的4位单片机带液晶驱动,在线烧录,保密性高,低操作电压(1.2V~1.8V).
Zilog单片机:
Z8单片机是Zilog公司的产品,采用多累加器结构,有较强的中断处理能力,开发工具价廉物美.Z8单片机以低价位面向低端应用.我想很多人都知道Z80单板机,直到90年代后期,很多大学的微机原理还是讲述Z80.
NS单片机:
COP8单片机是NS(美国国家半导体公司)的产品,内部集成了16位A/D,这是不多见的,在看门狗多路及STOP方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处.此外,COP8的程序加密也做得比较好.
飞思卡尔:
飞思卡尔(Freescale)半导体公司,就是原来的Motorola公司半导体产品部。
于2004年从Motorola分离出来,更名为Freescale!
Freescale系列单片机采用哈佛结构和流水线指令结构,在许多领域内都表现出低成本,高性能的的特点,它的体系结构为产品的开发节省了大量时间。
此外freescale提供了多种集成模块和总线接口,可以在不同的系统中更灵活的发挥作用!
4.1.3单片机的选择
本次设计的课题是“基于单片机的超声波测距仪”,显然单片机在整个系统中扮演着非常重要的角色。
从前面的简介中我们可以知道单机片在如今的生活和生产中有着许多的应用,不同的单片机也有着各自的特色和适用范围。
考虑到本次设计的。
。
。
。
。
。
所以我决定选择51单片机。
MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品,典型产品有8031(内部没有程序存储器,实际使用方面已经被市场淘汰)、8051(芯片采用HMOS,功耗是630mW,是89C51的5倍,实际使用方面已经被市场淘汰)和8751等通用产品,一直到现在,MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品(比如目前流行的89S51、89C51等),各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。
有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机,8051是早期的最典型的代表作,MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。
其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。
同样的一段程序,在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的,如ATMEL的89C51(已经停产)、89S51,PHILIPS(菲利浦),和WINBOND(华邦)等,我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的AT89C51单片机,同时是在原基础上增强了许多特性,如时钟,更优秀的是由Flash(程序存储器的内容至少可以改写1000次)存储器取带了原来的ROM(一次性写入),AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。
不过在市场化方面,89C51受到了PIC单片机阵营的挑战,89C51最致命的缺陷在于不支持ISP(在线更新程序)功能,必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。
89S51就是在这样的背景下取代89C51的,现在,89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿,作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51,将用AT89S51代替。
89S51在工艺上进行了改进,89S51采用0.35新工艺,成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。
89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。
同时,Atmel不再接受89CXX的定单,大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而以。
如果市场需要,Atmel当然也可以再恢复生产AT89C51。
89S51相对于89C51增加的新功能包括:
1)性能有了较大提升,价格基本不变,甚至比89C51更低!
2)2)ISP在线编程功能,这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
是一个强大易用的功能。
3)最高工作频率为33MHz,大家都知道89C51的极限工作频率是24M,就是说S51具有更高工作频率,从而具有了更快的计算速度。
4)具有双工UART串行通道。
5)内部集成看门狗计时器,不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
6)双数据指示器。
7)电源关闭标识。
8)全新的加密算法,这使得对于89S51的**变为不可能,程序的保密性大大加强,这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
9)兼容性方面:
向下完全兼容51全部字系列产品。
比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。
和S51比起来,C51就要逊色一些,实际应用市场。
4.1.4单片机电路
4.2超声波传感器
4.2.1超声波传感器的分类
4.3数码管
4.3.1什么是数码管
LED数码管(LEDSegmentDisplays)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划
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