2023年基于AT89S51的超声波测距系统的.doc

学号： 14082500075 毕业论文 题 目： 基于AT89S51的超声波测距系统的 设计与实现 作 者 向杰 届 别 2023 学 院 物理与电子学院 专 业 电子科学与技术 指导老师 梅孝安 职 称 副教授 完成时间 2023.05 超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。 本系统采用以AT89s51单片机为核心的低本钱、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、供电、温度测量、显示等模块组成。超声波经放大后发射出去，单片机的计时器开始计时，当超声波被反射原路返回后，再经过放大、滤波、整形等环节，被单片机接收，计时器停止计时。用时间乘以速度就得到了测量距离。本系统设有DSl8b20数字温度传感器，能测量环境的温度，以此来校正超声波的速度，使测量结果更准确。本系统硬件和软件设计科学合理，实际测量误差小于3%。 关键词：AT89S51；超声波测距 ；DS18b20 温度检测 目录 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 超声波测距的原理概述 1 1.3 研究内容及论文结构 2 第二章 系统总体设计 4 2.1方案设计及论证 4 2.1.1 控制器的选择 4 2.1.2 超声波传感器选择 4 2.1.3 测温传感器选择 5 2.1.4 显示子系统选择 5 2.2 系统总体设计 5 第三章 系统硬件设计 7 3.1 单片机控制电路设计 7 3.2 超声波发射及接收电路设计 8 3.2.1 超声波发射电路的设计 8 3.2.2 超声波接收电路的设计 10 3.3 温度检测电路设计 10 3.4 LED数码管显示电路设计 11 3.5电源电路设计 12 第四章 系统软件设计 13 4.1 系统的算法设计 13 4.2 主程序设计 13 4.3 定时器T1中断效劳子程序设计 14 4.4 外部中断INT0中断效劳子程序的设计 16 4.5 DS18B20测温程序设计 16 4.6显示程序设计 20 第五章 硬件测试及误差分析 21 第六章 总结 23 参考文献 24 附录1 ：硬件电路原理图 26 附录2 ： 源程序 27 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着科技开展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，本钱低，性能稳定那么备受青睐。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 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，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比拟迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能到达工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息〔距离和方向〕。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。 实际的工作环境对超声波的影响很大，如空气的温度对超声波的速度影响，及供电电源的稳定也会使测量产生很大的误差。本系统通过采用DS18b20对声波的速度进行温度补偿，将温度影响降到最低。而系统的电源是9V电先通过三端稳压芯片7805，然后提供的稳定5V电压。测试说明本系统的精度较高，在厘米级别。 1.2 超声波测距的原理概述 发射器对某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中进行传播，途中如果遇到障碍物就立即返回来，超声波探头收到反射波就立即停止计时。以室温为例，超声波在大气中的传播速度为340m/s，计时器记录的时间为t，就可以计算出发射端到距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。 由于超声波是一种声波，其声速V与温度T有关。在使用时，如果传播介质的温度变化不是很大，那么可以认为超声波速度在介质的传播过程中是近似不变的。如果对检测精度要求很高，那么可以通过温度补偿的方法对测量结果加以校正。先确定声速，然后只需要测得超声波在介质中传播的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的根本原理。 超声波发射 障碍物 S H θ 超声波接收 图1.1 超声波的测距原理 〔1-1〕 〔1-2〕 式中:L---两超声波传感器之间中心距离的一半。 又知超声波传播的距离公式为: 〔1-3〕 式中:v—超声波在介质中的传播速度； t—超声波从发射出去到接收所经过的时间。 将后〔1-2〕和〔1-3〕代入〔1-1〕可得： 〔1-4〕 其中,超声波速度v在一定的温度下为一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s)；当要测量距离H远远大于L时,那么上式变为: 〔1-5〕 所以,只需要测量出超声波传播的时间t,就可以通过公式计算出距离H. 1.3 研究内容及论文结构 本文设计的超声波测距系统通过温度补偿计算出当时声波速度，能较准确的测量出距离。经过单片机综合处理后，能显示距离、温度、声速。它包括了控制单元89S51、超声波测距模块、温度测量模块、显示模块、电源模块等。 论文构成主要由以下局部组成： 第 1 章 包括研究背景和意义，并介绍本系统对误差做出的措施。 第 2 章 系统总体方案设计。首先介绍测距系统的设计要求，介绍测距系统传感器的选择、温度测量系统、显示系统的方案设计，然后提出本系统总的方案设计。 第 3 章 系统硬件设计。首先分析超声波传感器的工作原理，然后具体讨论测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路以及测距模式电路的硬件设计，然后介绍温度测量模块的设计，最后介绍了系统显示报警模块电路的设计。 第 4 章 系统软件设计。在软件设计中采用模块化设计思想，分别对系统的主程序模块、测距模块、中断检测模块、温度检测模块和显示模块的程序进行了软件设计。 第 5 章 硬件测试及性能分析。首先对系统进行硬件测距测试，然后对系统性能误差进行讨论。 第 6 章 总结。对全文进行总结，指出缺乏之处，对超声波测距系统的开展前景进行展望。 第二章 系统总体设计 2.1 方案设计及论证 要实现超声波测距，需要多方面的知识相互结合，主要解决的局部有控制芯片的选择、距离的测量、温度的测量、距离的显示等等。从技术手段这方面来看，本设计中最主要的是距离测量，其他方面都是围绕着距离测量所展开来的。距离测量首先要选择好适当的传感器，在选择好了传感器后再经由恰当的核心芯片处理即能到达所需精度，下面就对控制器、传感器、显示方案选择做以下论述。 2.1.1 控制器的选择 本文选用的核心芯片是AT89S51单片机。AT89S51是一款功耗低并且性能高的CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写大约1000次的只读程序存储器Flash，设计上采用了ATMEL公司的高密度、非易失性储存技术，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位CPU和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式实际应用系统中得到非常广泛的应用。 简而言之，AT89S51有操作简单，体积较小，编译和调试安装简易，本钱较低廉等特点，此外考虑到我自己对于单片机的掌握程度，我选择AT89S51作为系统控制器。 2.1.2 超声波传感器选择 能够完成超声波发送和超声波接收这种功能的装置被称为超声波传感器，或者称为超声波换能器，或超声波探头等。超声波探头主要组成局部是压电晶片，不仅可以发射超声波，还可以接收超声波。小功率超声探头有许多不同的结构，可分直探头、外表波探头、斜探头、双探头、兰姆波探头等。 超声传感器的核心部件是塑料外壳或者金属外壳中的一块压电晶片。晶片的材料有许多种。由于晶片的直径和厚度各不相同，从而使每个探头有不同的性能，我们使用前需要了解清楚不同探头的性能参数。 超声波传感器的主要性能指标有： 〔1〕工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当探头两端电压的频率和晶片的共振频率相等时，探头发射能量最大，灵敏度最高。 　　〔2〕工作温度。由于压电材料的居里点一般比拟高，同时超声波探头使用时功率较小，所以工作温度比拟低，可以长时间的工作而不失效。但是医疗用途的超声探头的工作环境的温度比拟高，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。 本设计选用压电式超声波传感器，工作频率是40KHz，工作温度-20℃～+70℃，灵敏度在5米以内。探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷，利用压电效应来进行工作的。逆压电效应的过程是将高频率的电振动转换成高频率的机械振动，从而产生超声波，可制作发射探头；而通过正压电效应，将振动的机械波转换成电信号，可作为接收探头。 2.1.3 测温传感器选择 超声波测距的关键是声速，通过距离公式求出声波所跑路程，从而求出距离。但声波的传播速度受温度影响较大，不同的温度下声速不同，从而造成误差。所以通过测量温度，求出当时的准确声速能有效的减小误差。本文采用的是DSl8b20数字温度计来测量温度。 DS18b20具有独特的一线接口，只需要有一条口线即可通信。多点能力，简化了分布式温度传感的应用。不需要外部元件，可用数据总线直接供电，电压范围为3.0 V至5.5 V，无需备用电源。测量温度范围为-55 ° C至+125 ℃ ，范围内精度为±0.5 °C。 　　温度传感器通过编程可以设置两种分辨率，9位和12位。温度转换为12位数字格式。温度转换所需时间为750毫秒。应用范围包括热敏感系统、恒温控制，消费电子产品温度计，或工业系统中。 2.1.4 显示子系统选择 显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的。最简单的显示器可以用LED数码管，设计简单，易于安装，本钱只要几元。从能够实现显示功能以及个人设计简单方便