超声波测距仪(实时显示声光报警)_毕业设计论文报告.doc
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1、 47 页 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告 第 摘 要机器人通过其感知系统觉察前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便,将它与红外传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。本文介绍了基于STC89C51的超声波测距系统,阐述了超声波测距系统的硬件设计、软件设计及其工作原理。该设计主要由单片机控制模块、数码管显示模块、DS18B20温度补偿模块以及声光报警模块等构成。利用超声波的反射原理,计算超声波在空气中的传播时间的一半再乘以经过温度补偿修正后的速度就可以得出障碍物到传感器之间的距离,并在数码
2、管显示出来。同时,该系统在测量距离小于10cm时能进行声光报警。该系统具有硬件电路简单、成本低、工作可靠、功耗低、体积小、误差小、有良好的测量精度等优点。目前,超声波清洗技术、雷达技术等在医学、军事上占据着重要地位,因此研究超声波技术具有一定的研究意义。本设计作品基本满足设计的要求,有一定的推广性,同时针对不足,如测量距离过小等,文章在最后提出了一些改进性能的可行性方案。关键字:单片机;传感器;超声波测距;温度补偿Abstractrobot through its perception system to detect obstacles that in front of the road a
3、nd the surrounding environment to achieve the distance around the barrier, auto hunt, range and other functions.Ultrasonic Ranging in terms to other ranging technology is low-cost, high accuracy, without environmental constraints, and convenient, it will be combined together with infrared sensors ac
4、hieve robot hunt around the barrier function.This article describes the ultrasonic ranging system based on STC89C51,which elaborate ultrasonic Ranging System hardware design, software design and its working principle.The design is mainly controlled by the microcontroller module,LED display module, D
5、S18B20 temperature compensation module, as well as sound and light alarm module constitute.Using the principle of reflection of the ultrasonic wave,Calculate the ultrasonic propagation time in the air in half and then multiplied by the speed after the correction of the temperature compensation that
6、can be drawn between the obstacle to the sensor distance,And digital display.Secondly, the sound and light alarm when the system measuring distance less than 10cm .The system has an Advantage of Simple hardware circuit, low cost, reliable, low power consumption, small size, the error is small, have
7、a good measurement accuracy, etc.At present, the ultrasonic cleaning technology, radar technology in medicine, the military occupies an important position,so the research ultrasound technology has a certain significance. This design works basically meet the design requirements, there are certain pro
8、motional, while for deficiencies, such as measuring the distance is too small, etc., the article concludes with a number of improvements in the performance of the feasibility of the program.KeyWords:MCU;Sensor;Ultrasonic Ranging;Temperature compensation目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论51.1 课题的研究背景51.2 超声波在国内外的
9、发展现状61.3 研究目的和意义71.4 研究内容71.5 论文结构8第二章 系统方案设计92.1 设计要求92.2设计方案9第三章 硬件设计113.1 AT89C51单片机简介11 3.1.1 AT89C51各引脚的含义和功能113.2 系统硬件设计组成部分143.2.1 AT89C51单片机最小系统143.2.2 数码管显示模块143.2.3 超声波发射接收模块153.2.4 声光报警模块213.2.5 复位电路213.2.6 DS18B20温度补偿电路22 3.2.6.1 DS18B20内部结构及测温原理23 3.2.6.2 DS18B20的封装形式及引脚功能25 3.2.6.3 DS1
10、8B20的供电方式253.2.7 +5V电源模块27第四章 软件设计284.1软件整体设计284.2 系统主要模块程序设计294.2.1超声波发射程序及接收中断子程序294.2.2 DS18B20访问程序29第五章 调试与检测315.1 硬件测试315.2 软件测试325.3 结果分析325.4 误差来源325.5 解决方案335.6 本设计所做工作33总结与展望35谢 词36参考文献37附 录1 电路原理图及PCB图38附 录2 程序清单40第一章 绪 论超声波以其指向性好、穿透能力强、能量消耗缓慢、环境污染小等优点,因而超声波常用于距离测量。利用超声波检测往往比较方便、迅速、计算简单、易于
11、做到实时控制,且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。其中,超声波技术首先在欧美兴起并日趋成熟,我国在超声波技术的研究上相对迟缓,但近十年在超声波上的成就也有很大的突破。本章主要介绍超声波测距的研究背景、超声波技术在国内外的发展现状、研究目的和意义以及本章的研究内容,最后在本章末尾还介绍了本论文的章节安排。1.1 课题的研究背景超声波是频率高于20KHZ的声波,它的方向性好,穿透能力强,容易获得较集中的声能,在水中传播的距离远,因而超声波常用于距离测量,在医学、军事、工业、农业等诸多领域中有广泛的应用。例如:立体超声显象、雷达、工业自动化控制、超声的空化
12、作用等。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。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪,但是专用集成电路的成本高,并且没有显示,操作使用不方便。超声波可用于非接触测量,具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰等优点,是通过计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输时间来测量距离的,对被测目标无损害,而且超声波的传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点逐渐受到人们的重视。超声波传感器根据结构的不同可以分为压电式、电磁式、磁致伸缩式等,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。超声波是指频率高于20
13、kHz的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。在户外使用传感器的设备中,如果要求精度较高,则需要超声波技术有良好的抑制噪音的能力,能区别噪音和反射信号。如果多个超声波传感器同时工作,则要同时兼顾计算机处理速度和防止传感器之间的干扰。采用模式编码声呐12就能很好地解决这个问题。由于超声波在空气中的传播速度受温度的影响,速度随温度的变化而变化,温度每变化一度,超声波速度变化0.6m/s,近似公式为:C = C0 + 0.607T,式中:C0为零度时的超声波速度331.5m/s,T为实际温度():2表1.1列出
14、了超声波在不同温度下的传播速度。在使用过程中,如果精度要求不高,则可以认为传播速度不变。但如果要求精度高,则需要增加温度补偿电路,以达到所需精度要求。表1.1 不同温度下超声波声速表2温度()-30-20-100102030100速度(m/s)313319325323338344349386一般情况下,为了适应不同温度下的工作要求,用软件进行温度补偿的公式为 C=331.5+0.607T (1)其中C为校正后的速度,T为当时检测的温度。校正后的速度如表1.2所示,校正后的速度最大误差不超过5%。表1.2 补偿后声速与温度的关系2温度/-30-20-100102030100声速/(m/s)313
15、319325331337343349381超声波的特点:超声波在不同介质中的传播速度不同;超声波通过两种或两种以上的介质时会产生反射和折射的现象;超声波在空气中的传播有较大的衰减,尤其是频率较大时衰减更大,因此在空气中传播时采用频率较低的超声波,一般采用频率为几十千赫兹的超声波,典型应用频率为40KHZ;超声波的频率比音频高,所以超声波不易被环境中的噪音所干扰。本课题要求利用单片机设计一个低成本、高精度、微型化的数字显示声光报警的超声波测距仪,本文所述的超声波测距系统主要由声波发射模块,回波接收模块、基于AT89C51的控制模块、温度检测模块、报警模块以及显示模块。具有灵活性强,可靠性高,计算
16、简单,易于做到实时控制等优点。1.2 超声波在国内外的发展现状从19世纪末到20世纪初,人类在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们终于解决了利用电子学技术产生超声波的方法,从此迅速推动了超声波技术的发展。1922年,首例超声波治疗的发明专利出现在德国。1939年发表了关于超声波治疗在临床取得效果的文献报道。40年代末期超声治疗在欧美兴起,直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了有关超声治疗方面的论文交流,为超声治疗学的发展与应用奠定了基础。在1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多关于超声波的论文发表,超声治疗进入实用成熟阶段。国内在超声治疗领域起步比欧美晚,到
17、20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗的工作,从1950年北京首先开始用800KHZ频率的超声治疗机治疗多种疾病,到50年代开始逐渐推广,并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年,到70年代有了各型国产超声治疗仪,超声治疗法普及到全国各大型医院。40多年来,全国各大医院已积累了相当丰厚的资料和比较丰富的临床经验。特别是在20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科,这是结石症治疗史上的重大突破,如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科,已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置,而在21世纪(HIFU)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。1.3 研究
18、目的和意义超声波既是一种波动形式,同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响、改变以致破坏后者的状态、性质及结构用作治疗。超声波技术在医学、军事、化工等行业占据着重要的地位,研究超声波测距技术有着非常重要的意义。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大,例如油库和水箱液面的精确测量和控制,物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造,电子冶金,航海,航空,石油化工,交通运输等工业领域也有广泛地应用。此外,在材料科学,医学,生物科学等领域中也占具重要地位。1.4 研究内容本课题的研究对象是超声波测距仪,利用单片机来控制超声波的发射与接收,
19、并在数码管上显示出障碍物与传感器之间的距离。基本思想就是利用AT89C51单片机做为主控制模块,控制HC-SR04超声波发射超声波以及接收回波信号,在单片机内处理数据并通过数码管显示出来。本设计中还利用DS18B20进行温度补偿,以减小测距误差。系统硬件主要由电源电路、单片机主控制模块、数码管显示模块、DS18B20温度补偿模块以及声光报警模块等。由于超声波清洗速度快、质量好、污染小,因此,超声波清洗技术正在越来越多的工业中得到应用。除此之外,超声波金属焊接的应用、超声波美容换能器的应用、雷达等,都体现了超声波对各行业起着重要的作用。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,
20、例如:井深、液位、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪,但是专用集成电路的成本很高,且没有显示,操作不方便。本课题要求利用单片机设计一个高精度、低成本、微型化的数字显示超声波测距仪。1.5 论文结构本文介绍了一种基于单片机系统模块为核心的超声波测距的设计与实现方案,并简要介绍了相关背景、研究内容以及应用,具体组织结构如下:第一章:绪论。主要阐述课题的研究背景、研究现状以及研究目的和意义等;第二章:系统方案设计。主要介绍系统的功能和总体设计方案;第三章:硬件设计。主要阐述系统硬件电路的分析及实现;第四章:软件设计。主要阐述系统软件编程及实施方案;第五章:系统测试。主要阐述
21、系统功能、性能测试和结果分析以及解决方案等。第二章 系统方案设计距离测量的方法很多,但超声波测距以其非接触式、携带方便、简单易用等优点被人们广为应用。本章主要讲述本设计的设计要求与设计方案,对以AT89C51为主控制模块的超声波测距仪进行结构分析与设计。2.1 设计要求系统主要研究的是基于单片机的超声波测距,其主要功能要求如下:1、 能实时显示测量距离;2、 当距离小于预置值时(本设计预置值为10cm),系统指示灯闪烁且蜂鸣器报警提示;3、 测量距离误差小于1cm;本设计扩展功能如下:1、 能进行温度补偿并显示温度值;2、 当距离大于200cm时数码管显示CCC;3、 当环境温度大于90时,蜂
22、鸣器报警提示。2.2设计方案1 设计思路我们可以通过尺、激光测距等原理来实现距离测量,但通过尺测量速度慢,效率低;激光测距精度高速度快,但成本高。本文章所提出的超声波测距仪实现了低成本、电路简单、使用方便、相对高的精度等优点。超声波测距仪是通过单片机控制发射出40KHZ频率的超声波,以此同时单片机的定时器开始计时,超声波遇到障碍物反射回来由超声波接收探头接收信号并产生中断,定时器停止计时。单片机通过温度传感器进行温度补偿校正超声波此时环境温度下的速度,由路程与速度和时间的关系计算出传感器与障碍物之间的距离。根据设计要求,并综合考虑各种因素,本文章选择STC89C51单片机做为主控制模块,它控制
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