基于单片机的超声波测距设计.docx
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基于单片机的超声波测距设计
本科生毕业设计
基于单片机的超声波测距设计
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职称
答辩时间
设计总说明
利用超声波进行测距有许多优点比如不受光强度、色彩和电磁场等外界因素的影响,而且超声波传感器的价位较低、结构也较为简单,超声波以声速传播,方便收发与计算。
在汽车倒车雷达、移动机器人的避障、特别是测量距离等许多方面都已有了非常普遍的应用。
本次毕业设计的超声波测距仪是在STC89C51单片机的基础上设计的,在分析和了解了超声波的一些优点和特性后,又查看了利用超声波测距的基本原理。
最后决定使用51单片机系统和超声波传感器共同组成。
设计的超声波测距仪的硬件部分主要包括电源及复位模块、单片机与超声波模块组成的超声波发射模块、超声波接收模块、LED数码显示模块和扩展报警模块。
软件部分主要包括单片机主程序、根据超声波发射与接收计算距离程序、LED距离显示程序、按键控制程序和蜂鸣器报警程序,这样安排使得系统具有模块化的特点。
系统容易进行控制,具有可靠地的性能,具有较高的测量精度,最重要的是能对距离进行实时测量。
关键词:
单片机;超声波传感器;数码管;报警
introduction
Thedistancehasmanyadvantagessuchasnotaffectedbylightintensity,colorandelectromagneticfieldofexternalfactorssuchastheuseofultrasound,andtheultrasonicsensorpriceislow,thestructureissimple,ultrasonicwaveatthespeedofsoundtransmission,convenientreceivingandcalculation.Inthecarreversingradar,mobilerobotobstacleavoidance,especiallythemeasurementofdistanceandmanyotheraspectshavebeenverywidelyused.
ThegraduationdesignofultrasonicdistancemeasuringinstrumentisbasedontheSTC89C51microcontrollerdesign,intheanalysisandunderstandingofsomeoftheadvantagesandcharacteristicsofultrasound,andthenviewthebasicprinciplesofultrasonicdistancemeasurement.Finallydecidedtousethe51single-chipmicrocomputersystemandultrasonicsensorstoformacommon.Thehardwaredesignofultrasonicrangefinderconsistsofultrasonicpowerandresetmodule,microcontrollermoduleandultrasonictransmittingmodule,ultrasonicreceivingmodule,LEDdigitaldisplaymoduleandalarmmoduleextension.Thesoftwareincludesthemainmicrocontroller,accordingtoultrasonictransmittingandreceivingdistance,LEDdistancecalculationprogramdisplayprogram,keycontrolproceduresandbuzzeralarmprocedures,thecharacteristicsofthisarrangementmakesthesystemhasamodular.Thesystemiseasytocontrol,withreliableperformance,withhighmeasurementaccuracy,themostimportantistobeabletoreal-timemeasurementofdistance.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;ultrasonicsensor;digitaltube;alarm
第1章绪论
1.1概述
超声波测距法是通过超声波测量从已知位置到被测物体表面的距离的利用超声波的方法。
超声波也是一种机械波,是一种频率在20kHz以上的声波。
超声波测距是人们根据蝙蝠通过超声波反射进行捕食的方法发现的,也是仿生学中非常出名的例子,对生产领域产生了很大的影响。
跟着电子测量技术的不断飞速发展,已经可以利用超声波实现精准测量了。
测量技术在经济的不断发展下得到了越来越广的应用,因此超声波凭借着性能稳定、成本低廉、精度高等优点得到了重视。
机器人技术在出现后发展迅猛,机器人的用途也不在局限在工业生产而是进入了人们的日常生活。
普遍的应用对于增加群众对机器人技术的认识变得非常重要。
机器人能够通过特有的感知系统感知并确定前面障碍物的位置和周围的环境以完成躲避障碍物、自动寻路、测距等功能。
超声波测距具有其他的测距技术没有的特点,比如测量精度高,成本低廉,对环境的要求低,使用简便等。
将红外、灰度等传感器和超声波结合在一起将可以共同作用使机器人实现自动寻路和绕开障碍等功能。
超声波由于传播方向较稳定、并且在介质里传播时能量削减缓慢,能够发送很远的距离,所以在测量距离的时候经常用到。
超声波最普遍的应用是在汽车倒车雷达、物位测量仪、测距仪、研发移动机器人以及一些特殊工业现场等场合。
以后超声波传感器很可能将会智能化、自动化,实现更加方便高效的测距仪器。
1.2国内外发展现状
超声波测距技术是一种非常有前景的的技术,近距离的超声测距不会被光线影响,并且结构比较简单,成本经济实惠。
超声波测量最重要的优点是:
环境介质很普遍,空气、液体和固体都能使用,因此适合使用的范围非常大。
更重要的是使用超声波检测能很大程度的降低劳动强度,可以避免工作人员在恶劣工作环境中可能受到的伤害,还能够提高距离结果的准确度;另外,超声波测距仪也可以作用到别的功能系统中,如在机器人的避障系统、车内置防撞系统、自动停车系统和倒车雷达,因此超声波测距仪对电子测量技术发展是非常重要的。
第2章系统总体方案设计
2.1设计要求
1)可进行距离测量。
2)采用数码管显示距离数据。
3)可按键设置距离门限值
4)具有报警功能
2.2方案选择
2.2.1单片机的选择
方案一:
采用DSP作为系统控制器。
DSP(digital signal processor)是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。
DSP具有对元件值的容限不敏感,受温度、环境等外部因素影响小,容易实现集成,可分时复用,共享处理器,方便调整处理器的系数实现自适应,可用于频率非常低的信号等优点。
但DSP硬件电路比较复杂,且价格昂贵,数字系统由耗电的有源器件构成,没有无源设备可靠。
方案二:
采用单片机作为系统控制器。
单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广,单片机算术运算功能强,软件编程灵活,自由度大,可用软件编程实现各种逻辑功能,本身带有定时器、计数器,可以用来定时和计数,并且其功耗低,体积小,计数成熟和成本低等优点。
基于以上分析,拟定方案二,用STC89C52单片机作为控制器。
第3章系统硬件设计
3.1整体方案设计
3.1.1系统概述
整个系统以STC89C51单片机为核心器件,配合电阻电容晶振等器件,构成单片机的最小系统。
其它个模块围绕着单片机最小系统展开。
其中包括,测距传感器采用HC-SR04模块,显示设备为共阴数码管;电源供电则采用USB5V供电,报警部分采用蜂鸣器,同时还包括按键部分,用来设置距离门限值。
3.1.2系统框图
数码管显示
单片机
最小系统
HC-SR04
报警部分
电源部分
按键部分
3-1系统框图
3.2最小系统模块
3.2.1STC89C52简介
(1)概述
STC89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
STC89C52有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,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线。
STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
(2)主要功能特性
◆兼容MCS51指令系统;
◆8k可反复擦写(>1000次)FlashROM;
◆32个双向I/O口;
◆256x8bit内部RAM;
◆3个16位可编程定时/计数器中断;
◆时钟频率0-24MHz;
◆2个串行中断;
◆可编程UART串行通道;
◆2个外部中断源;
◆共8个中断源;
◆2个读写中断口线;
◆3级加密位;
◆低功耗空闲和掉电模式;
◆软件设置睡眠和唤醒功能;
(3)8051单片机的引脚功能
MCS-51系列单片机一般采用40个引脚,双列直插式封装,用HMOS工艺制造,其外部引脚排列如图3-2所示。
其中,各引脚的功能为:
图3-2STC89C52引脚图
①主电源引脚
VCC(40脚),接+5V电源正端;
GND(20脚),接+5V电源地端;
②外接晶体或外部振荡器引脚
XTAL1(19脚),接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时,此引脚应接地。
XTAL2(18脚),接外部晶振的另一个引脚。
在片内接至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。
当采用外部振荡器时,此脚接外部振荡器的输出端。
③控制信号线
RESET(9脚),复位信号输入端,复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端。
ALE(30脚),地址锁存允许/编程脉冲输入,用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。
在对片内EPROM编程时,编程脉冲由此输入。
PSEN(29脚),外部程序存储器读选通信号,低电平有效。
EA(31脚),访问外部存储器允许/编程电压输入。
EA为高电平时,访问内部存储器;低电平时,访问外部存储器。
④多功能I/O口引脚
8051单片机设有4个双向I/O口(P0、P1、P2、P3),每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口,其中:
P0口(32~39脚)——双向口(三态),可作为输入/输出口,可驱动8个LSTTL门电路。
实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口,对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P0口:
先送低8位地址信号到P0口,由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后,再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。
P1口(1~8脚)——准双向口(三态),可驱动4个LSTTL门电路。
用作输入线时,口锁存器必须由单片机先写入“1”,每一位都可编程为输入或输出线。
P2口(21~28)——准双向口(三态),可驱动4个LSTTL门电路。
可作为输入/输出口,实际应用中一般作为地址总线的高8位,与P0口一起组成16位地址总线,用于对外部存储器的接口电路进行寻址。
P3口(10~17脚)——准双向口(三态),可驱动4个LSTTL门电路。
双功能口,作为第一功能使用时,与P1口一样;作为第二功能使用时,每一位都有特定用途,其特殊用途如表3.1所示:
表3.1P3口第二用途
端口引脚
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行口数据接收端
P3.1
TXD
串行口数据发送端
P3.2
/INT0
外中断请求0
P3.3
/INT1
外中断请求1
P3.4
T0
定时/计数器0外部计数信号输入
P3.5
T1
定时/计数器1外部计数信号输入
P3.6
/WR
外部RAM写选通信号输出
P3.7
/RD
外部RAM读选通信号输出
3.2.2最小系统电路
STC89C52的最小系统如图3-3所示,整个最小系统由三个部分组成,晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。
晶振电路包括2个30pF的电容C2和C3,以及12M的晶振X1。
电容的作用在这里是起振作用,帮助晶振更容易的起振,取值范围是15-33pF。
晶振的取值也可以是24M,晶振的取值越高,单片机的执行速度越快。
在进行电路设计的时候,晶振部分越靠近单片机越好。
单片机复位电路就好比电脑的重启部分,当电脑在使用中出现死机,按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。
单片机也一样,当单片机系统在运行中,受到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。
复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。
利用电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电,RESET脚将会出现高电平,并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RESET脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
在电路图中,电容的的大小是10uF,电阻的大小是10k。
所以根据公式,可以算出电容充电到电源电压的0.7倍(单片机的电源是5V,所以充电到0.7倍即为3.5V),需要的时间是10K×10UF=0.1S。
也就是说在电脑启动的0.1S内,电容两端的电压时在0-3.5V增加,这个时候RESET引脚所接收到的电压是5V-1.5V。
在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号,而大于1.5V的电压信号为高电平信号。
所以在开机0.1S内,单片机系统自动复位(RESET引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右)。
最后一个是电源部分,采用5V的USB直接供电,可采用手机充电器、电脑USB口、移动电源等设备进行供电。
此外,除了单片机最小系统的3个部分之外,这里还多了一些外部电路。
由于STC89C52的P0口是漏极开路输出,因此在P0口接了一个10K的排阻R1,使得P0口可以作为普通的I/O口使用,本设计用P0口来做液晶的数据口。
特别注意的是,对于31脚(EA),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。
由于我们的程序存储在了单片机内部,所以EA要接高电平,保证单片机是从内部读取程序去执行的。
图3-3单片机最小系统
3.3HC-SR04模块
3.3.1HC-SR04简介
超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块,该模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达高到3mm。
模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
基本工作原理:
采用IO口TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号;模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;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。
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。
实物如下图4。
其中VCC供5V电源,GND为地线,TRIG触发控制信号输入,ECHO回响信号输出等四支线。
图4超声波模块实物图
超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下:
IO口触发,给Trig口至少10us的高电平,启动测量;模块自动发送8个40Khz的方波,自动检测是否有信号返回;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,测试距离=(高电平时间*340)/2,单位为m。
程序中测试功能主要由两个函数完成。
实现中采用定时器0进行定时测量,8分频,TCNTT0预设值0XCE,当timer0溢出中断发生2500次时为125ms,计算公式为(单位:
ms):
T=(定时器0溢出次数*(0XFF-0XCE))/1000
其中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。
3.3.2超声波的特性
声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。
当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计,取整数为20000赫兹)时,人们就会觉察不出周围声的存在,因而称这种高频率的声为“超”声。
人的听觉范围如图5所示。
图5人的听觉范围
超声波的特性有:
(1)束射特性
由于超声波的波长短,超声波射线可以和光线一样,能够反射、折射,也能聚焦,而且遵守几何光学上的所有定律。
即超声波射线从一种物质表面反射时,入射角等于反射角,当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象,也就是要改变它的传播方向,两种物质的密度差别愈大,则折射率也愈大。
(2)吸收特性
声波在各种介质中传播时,随着传播距离的增加,其强度会逐渐减弱,这是因为介质要吸收掉它的部分能量。
对于同一介质,声波的频率越高,介质吸收就越强。
对于一个频率一定的声波,在气体中传播时吸收尤为历害,在液体中传播时吸收就比较弱,在固体中传播时吸收是最小的。
(3)超声波的能量传递特性
超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用,主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。
为什么有这么强大的功率呢?
因为当声波进入某一介质中时,由于声波的作用使物质中的分子也随之振动,振动的频率和声波频率—样,分子振动的频率决定了分子振动的速度。
频率愈高速度愈大。
物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外,主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高,也就是物质分子愈能得到更高的能量。
超声波的频率比普通声波要高出很多,所以它可以使物质分子获得很大的能量;换句话来说,超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。
(4)超声波的声压特性
当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用,将使物质所受的压力产生变化。
由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。
3.3.3超声波换能器
完成产生超声波和接收超声波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,或者超声波探头。
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。
小功率超声探头多用作探测方面。
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。
由于晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能都是不同的,我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。
超声波传感器的主要性能指标包括:
(1)工作频率。
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。
(2)工作温度。
由于压电材料的居里点一般比较高,特别时诊断用超声波探头使用功率较小,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。
(3)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。
人类能听到的声音频率范围为:
20Hz~20kHz,即为可听声波,超出此频率范围的声音,即20Hz以下频率的声音称为低频声波,20kHz以上频率的声音称为超声波。
超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强。
为此,利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。
另外,超声波在空气中的传播速度较慢,为340m/s,这就使得超声波传感器使用变得非常简便。
我们选用压电式超声波传感器。
它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷,是利用压电材料的压电效应来进行工作的。
逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可作为接收探头。
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。
总体上讲,超声波发生器大体可以分为两大类:
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。
图6超声波传感器结构
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。
超声波发生器内部结构如图所示,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,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。
如图6所示。
超声波传感器原理
市面上常见的超声波传感器多为开放型,其内部结构如图7所示,一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。
该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器。
谐振器呈喇叭形,目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波,并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。
当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生一个电荷。
利用这一原理,当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器,所谓叫双压电晶片元件,施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射出超声波。
相反,当向双压电晶片元件施加超声振动时,就会产生一个电信号。
基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
图7超声波内部结构
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,其频率超过20KHz,分横向振荡和纵向振荡两种,超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。
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
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- 基于 单片机 超声波 测距 设计