畢業(yè)設(shè)計(論文)--基于STC89C51單片機的超聲波測距儀的設(shè)計

1、目 錄摘要1前言3第一章 緒論411 選題背景與意義412 研究現(xiàn)狀413 研究內(nèi)容5第二章 總體設(shè)計621 系統(tǒng)框圖622 超聲波測距儀設(shè)計要求623 使用元件選擇6第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計731 超聲波傳感器電路模塊7maxbook118com HC-SR04實物圖7maxbook118com HC-SR04的主要技術(shù)參數(shù)7maxbook118com HC-SR04內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理8maxbook118com 發(fā)射電路的設(shè)計8maxbook118com 接收電路的設(shè)計832 溫度傳感器模塊9maxbook118com DS18B20實物圖與引腳定義9maxbook118com DS18B20

2、的主要特性10maxbook118com DS18B20的工作原理1033 數(shù)碼管顯示模塊11maxbook118com 七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)與工作原理11maxbook118com 七段數(shù)碼管的驅(qū)動和顯示方法1134 STC單片機最小系統(tǒng)模塊13 maxbook118com STC89C51單片機最小系統(tǒng)13maxbook118com STC89C51單片機的主要特性13第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計1541 系統(tǒng)軟件總設(shè)計1542 傳播時間的獲取1643 DS18B20對溫度的補償1744距離的計算21第五章 總結(jié)與分析22參考文獻23致謝24附錄25摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展超聲波在生產(chǎn)生活中的應(yīng)

3、用范圍越來越廣目前離我們生活最近的超聲波應(yīng)用就是測距超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒建筑工地工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量本論文設(shè)計了一種基于STC89C51單片機的超聲波測距儀該儀器以空氣中超聲波的傳播速度為已知條件利用反射超聲波測量待測距離本設(shè)計利用超聲波傳感器HC-SR04發(fā)射超聲波并接收回波的方式統(tǒng)計超聲波傳輸?shù)臅r間采用STC89C51單片機作為控制核心結(jié)合溫度傳感器DS18B20采集的溫度信息將聲速做相應(yīng)的補償并計算出距離最后通過4位數(shù)碼管將所測距離信息顯示出來根據(jù)結(jié)果顯示該設(shè)計達到了預(yù)期要求基于STC89C51單片機的超聲波測距儀可以實現(xiàn)關(guān)鍵詞STC89C51 超聲波傳感器 DS18B20Abs

4、tractWith the rapid development of science and technology the scope of application of ultrasound in the production and everyday life is wider At present what is the most common to our life in the application of ultrasound is the distance measurement Ultrasonic distance measurement is mainly used in

5、reversing reminder construction sites industrial sites and other distance measurement This paper designed a ultrasonic range finder based on STC89C51 the instrument treats the speed of ultrasonic propagation in the air as the known conditions using the reflected ultrasonic measurement testing distan

6、ce This design uses ultrasonic sensor HC-SR04 emission ultrasonic and receiving the echo statistics ultrasonic transmission time using the STC89C51 as the control core Combined with the collected temperature information which will be the speed of sound corresponding compensation And calculate the di

7、stance Finally the measured distance information will be displayed by 4 digital tube According to the result this design reach the expected requirements the ultrasonic range finder based on the STC89C51 can be achievedKey words STC89C51 ultrasonic sensor DS18B20前言實際生產(chǎn)生活中人們往往需要對物體間的距離進行精確測量本論文設(shè)計了一個可以

8、實時看到距離的超聲波測距儀測距精度為2cm最遠距離可以達到2m本設(shè)計的測距儀分為多個模塊超聲波傳感器模塊溫度測量模塊微處理器模塊和數(shù)碼管顯示模塊超聲波傳感器中的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波遇到障礙物返回并被接收電路模塊接收到單片機統(tǒng)計出聲波傳輸所用時間結(jié)合溫度傳感器所測溫度計算出實時的聲速并得到正確的待測距離最后通過數(shù)碼管模塊將待測距離顯示出來以下為章節(jié)安排第一章提出了本論文的背景和選題意義國內(nèi)外超聲波測距儀的發(fā)展現(xiàn)狀以及本設(shè)計研究的主要內(nèi)容第二章總體設(shè)計包括系統(tǒng)框圖和設(shè)計要求第三章本設(shè)計的硬件部分包括超聲波傳感器電路模塊溫度傳感器模塊微處理器模塊和數(shù)碼管顯示電路模塊第四章本設(shè)計的軟件部分包括系統(tǒng)軟

9、件的設(shè)計流程圖DS18B20驅(qū)動模塊數(shù)碼管顯示和聲速的計算第五章總結(jié)分析第一章 緒論11 選題背景與意義超聲波可用于非接觸測量具有不受光電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點利用超聲波在和之間的傳輸來測量距離對被測目標(biāo)無損害而且超聲波傳播速度在大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視 目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大油庫和水箱液面的精確測量和控制物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機械內(nèi)部損傷的檢測等在機械制造電子冶金航海宇航石油化工等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用此外在材料科學(xué)醫(yī)學(xué)生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位12 研究現(xiàn)狀國內(nèi)從五十年代起對超聲波測距進行了較多的研究并取得了可喜的成果近年來

10、得益于電子技術(shù)的快速發(fā)展尤其是單片微機技術(shù)的應(yīng)用和擴展使得原來復(fù)雜的超聲物位測量儀的設(shè)計有了大幅簡化的可能如采用zilog公司Z86E08單片機控制的超聲波測距數(shù)顯裝置以8098單片機為核心的智能物位測量儀等從而使得超聲物位測量儀的應(yīng)用得到更多的普及近十年來國內(nèi)外科研人員在超聲波回波信號處理方法新型超聲波換能器研發(fā)超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進行了大量理論分析和研究并針對超聲測距的常見影響因素提出了溫度補償接收回來串入自動增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施本文針對國內(nèi)外超聲波測距研究開發(fā)的狀況研制了一種低成本精度較高的基于STC89C51單片機的超聲波測距儀13 研究內(nèi)容該超聲波測距儀中的超聲

11、波傳感器HC-SR04中的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波遇到障礙物返回并被接收電路模塊接收到STC89C51單片機統(tǒng)計出聲波傳輸所用時間結(jié)合溫度傳感器DS18B20所測溫度計算出實時的聲速并得到正確的待測距離最后通過數(shù)碼管模塊將待測距離顯示出來該超聲波測距儀的設(shè)計要求如下 1 設(shè)計制作超聲波發(fā)射和接收電路 2 設(shè)計制作單片機系統(tǒng)帶有數(shù)碼管顯示電路 3 編寫單片機程序計算和顯示距離第二章 總體設(shè)計21 系統(tǒng)框圖 本設(shè)計超聲波傳感器使用HC-SR04溫度傳感器使用DS18B20微處理器使用STC89C51單片機顯示部分采用共陽數(shù)碼管超聲波傳感器HC-SR04中集成的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波遇到障礙物返回最后

12、被接收電路模塊接收STC89C51單片機統(tǒng)計出聲波傳輸所用時間結(jié)合溫度傳感器DS18B20所測溫度計算出實時的聲速并得到正確的待測距離最后通過4個共陽數(shù)碼管將待測距離顯示出來 圖21 系統(tǒng)基本框圖22 使用元件選擇由于測量距離的精度和長度要求不是很高精度達到2cm測量距離達到2m即可因此超聲波傳感器選用價格低廉且實用的HC-SR04即可控制核心部分選擇實用的STC89C51單片機即可滿足計算和控制要求用于溫度補償?shù)臏囟葌鞲衅鬟x擇普遍且實用的DS18B20因為顯示只需要將距離顯示出來就可以了所以顯示部分選擇了四只共陽數(shù)碼管第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 該超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計包括以下模塊超聲波傳感器電路

13、模塊微處理器模塊溫度傳感器模塊和數(shù)碼管顯示電路模塊31 超聲波傳感器電路模塊HC-SR04超聲波傳感器模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能測距精度可高達3mm模塊包括超聲波發(fā)射器接收器與控制電路maxbook118com HC-SR04實物圖圖31 HC-SR04超聲波模塊實物圖maxbook118com HC-SR04的主要技術(shù)參數(shù)所用工作電壓直流5V電壓工作靜態(tài)電流小于2mA電平輸出高電平為5V低電平為0V感應(yīng)角度不大于15度探測距離及精度2cm-450cm高精度可達3mmmaxbook118com HC-SR04內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理 圖31 HC-SR04發(fā)射電路圖 圖32

14、HC-SR04接收電路圖該超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路工作原理如圖所示該傳感器主要包括兩大部分發(fā)射電路和接收電路采用IO觸發(fā)測距給至少10us的高電平信號模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波并自動檢測是否有信號返回當(dāng)接收到回波時通過IO輸出一高電平高電平持續(xù)的時間t就是超聲波從發(fā)射到返回的時間測試距離s tv 2v是超聲波在空氣中傳播的速度maxbook118com 發(fā)射電路的設(shè)計超聲波傳感器的發(fā)射電路主要由方波發(fā)生芯片40kHz的晶振和MAX232芯片構(gòu)成單片機給方波發(fā)生芯片觸發(fā)信號后方波發(fā)生芯片開始工作產(chǎn)生40kHz的方波信號電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動振蕩器的高電壓進而

15、產(chǎn)生所需的40kHz的超聲波maxbook118com 接收電路的設(shè)計本設(shè)計中選用的TL740C芯片采用了前置放大電路帶通濾波電路后級放大電路將接收到的波形經(jīng)過整形積分檢波濾波和限幅放大等實現(xiàn)接收超聲波的功能當(dāng)距離較遠時回波信號會非常微弱轉(zhuǎn)換后的信號電平幅值很小故要經(jīng)過若干級放大使輸出功率達到一定要求并且為了防止信號出現(xiàn)較大的失真接收電路可以保證有4MHz的帶寬放大后的交流信號送入比較器后輸出一個方波信號并使觸發(fā)器觸發(fā)向CPU發(fā)出中斷請求在中斷服務(wù)程序中讀取計數(shù)器的計數(shù)值結(jié)合溫度補償后的聲速計算出測距儀距離障礙物的距離32 溫度傳感器模塊maxbook118com DS18B20實物圖與引腳定

16、義 圖33 DS18B20實物圖DS18B20各引腳描述管腳號符號功 能1GND電源地2DQ數(shù)據(jù)輸入輸出3VDD電源可選表31 DS18B20管腳描述DS18B20數(shù)字溫度計以9位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值通過一根單線接口發(fā)送和接收信息因此在單片機和DS18B20之間僅需一條連接線加上地線用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得無需外部電源maxbook118com DS18B20的主要特性獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊簡單的多點分布應(yīng)用 無需外部器件可通過數(shù)據(jù)線供電 零待機功耗 測溫范圍-55125華氏器件-67257以09遞增溫度以9位數(shù)字量讀出溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms典

17、型值 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度溫度報警條件的器件應(yīng)用包括溫度控制工業(yè)系統(tǒng)消費品溫度計或任何熱感測系統(tǒng)maxbook118com DS18B20的工作原理 圖34 DS18B20測溫原理DS18B20測溫原理如圖34所示圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入計數(shù)器1

18、重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時停止溫度寄存器值的累加此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度33 數(shù)碼管顯示模塊maxbook118com 七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)與工作原理七段數(shù)碼管一般由8個發(fā)光二極管組成其中由7個細長的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示另外一個圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)光控制相應(yīng)的二極管導(dǎo)通就能顯示出各種字符其控制簡單使用非常方便發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管 圖34 7段數(shù)碼管內(nèi)部字段LED和引腳分布maxbook118com 七段數(shù)碼管的驅(qū)動和顯示方法發(fā)光二極管LED是一種由砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成的能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件當(dāng)期內(nèi)部有電流通過時就會發(fā)光 圖35 數(shù)碼管顯示電路34 STC單片機最小系統(tǒng)模塊maxbook118com STC89C51單片機最小系統(tǒng)STC89C51單片機是一種高