毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的超声波测距系统的设计.doc
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1、中文摘要 I 摘 要 论文的内容是基于 AT89C51 单片机超声波测距系统的设计,主要是利用 超声波的特点和优势,将超声波测距系统和 AT89C51 单片机结合于一体。该 系统采用软、硬件结合的方法,具有模块化和多用化的特点。 论文概述了超声波测距的发展及基本原理,对于系统的一些主要参数进 行了讨论,并且在介绍超声波测距系统功能的基础上,提出了系统的总体构 成。通过多种发射接收电路设计方案比较,得出了最佳设计方案,并对系统 各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍,并 阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构,通过编程来实现系统 功能。 该系统设计主要由主控制器模
2、块、超声波发射模块设计、超声波接收模 块、报警模块和显示模块等五个模块构成。这套系统抗干扰能力强、实时性 良好,经过系统扩展和升级,可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生 活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。 关键字:关键字: 单片机、超声波、传感器、LED、测距 Abstract II Abstract The paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly u
3、sing ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. The paper outlines the development and the basic pr
4、inciples of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design comp
5、arison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function. Th
6、is system mainly by master control module design, ultrasonic launching module design, ultrasonic receiving module, alarm module and display module five module. The system hardware and software design is reasonable, anti-jamming ability, good real-time performance, after system extension and upgrade,
7、 can be widely used in industrial production, medical examination, the daily life, the robots, automatic operation of the automatic lead car, robots, level gauge, etc. Keywords: SCM、 Ultrasonic、Sensor、LED、Ranging 目录 III 目 录 摘 要I Abstract.II 目 录 .III 第一章 引 言 .1 1.1 选题背景 1 1.2 设计意义 2 1.3 近年来国内外发展状况2 1
8、.3.1 超声波测距系统在国外的发展.2 1.3.2 超声波测距系统在我国的发展.3 第二章 系统构成及工作原理.5 2.1 超声波简介与应用 5 2.2 系统的设计思路 6 2.3 系统的工作原理 7 第三章 系统硬件电路设计.9 3.1 单片机的选择 9 3.2 超声波测距发射电路方案选择与设计13 3.2.1 发射电路方案选择与论证13 3.2.2 发射电路方案的设计13 3.2.3 反相器 74LS04 简介14 3.3 超声波测距接收电路方案的选择与设计.14 3.3.1 接收电路方案的选择与论证14 3.3.2 接收电路的设计 15 3.4 显示模块方案的选择与设计18 3.4.1
9、 显示模块方案选择与论证.18 3.4.2 显示模块的设计 .19 3.4.3 LED 数码管简介 19 3.5 报警模块的设计 .20 3.6 时钟电路的设计 .22 目录 IV 3.7 复位电路的设计 .23 第四章 软件系统的设计.24 4.1 软件设计分析 .24 4.2 系统软件设计 .24 4.2.1 主程序 .25 4.2.2 超声波产生子程序.26 4.2.3 数据读取和储存 .27 4.2.4 延时子程序 .28 4.2.5 显示子程序 .28 第五章 结论 .32 参考文献 .33 致谢 .34 附录一 电路图 .35 附录二 程序 .36 第一章 引言 1 第一章 引 言
10、 1.1 选题背景 随着科技发展的不断进步,自动测量技术不断更新,非接触式测量技术也 有了长足的发展。在很多工控场合,测量的物体是不能够直接接触到的,或者 是测量物体不宜直接接触, 这个时候就要用到非接触式的测量仪器。自物理学 上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波 的办法,从此超声波技术得到广泛运用。而在超声波测量领域,尤其是在测距 领域,结合各种其他技术的应用,超声波测量变得十分普及。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,传播速度仅为光波的百万分之一, 纵向分辨率较高。超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感,因此超 声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾
11、、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境 下有一定的适应能力,在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷达、物体识别 等方面有着广泛的运用。与其他测距方法相比,超声波测距方法有其自己的特 点: (1) 相对于声波,超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减 较小、反射能力较强等优势。 (2) 相对于光学方法,超声波的波速小,可以直接测量较近目标的距离, 纵向分辨率较高;对色彩、光照度、电磁场不敏感,被测物体处于黑暗,有灰 尘,烟雾,电磁干扰,有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。特别是在海洋勘 测方面具有独特的优点。 (3) 超声波传感器结构简单,体积小,费用低,信息处理简单可靠,易于 小型化与集成化。 随
12、着科学技术的快速发展,超声波的应用将越来越广。但就目前技术水平 来说,人们可以具体利用的超声波技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃 发展而又有无限前景的技术及产业领域。 第一章 引言 2 1.2 设计意义 距离在很多场合和控制中需要实时检测,所以,测距就成为数据采集中重 要的一环。尽管测距有多种方式,比如:激光测距、微波测距、红外线测距和 超声波测距等。但是超声波测距不失为一种简单可行的方法。虽然超声波测距 电路多种多样,可是有的电路复杂、技术难度大,有的调试困难,有的元件不 易购买,这就在一些方面限制了超声波测距系统的应用。本设计的电路,成本 低廉、性能可靠、所用元件易购,结合单片机的数据
13、处理,电路实现容易,工 作稳定可靠。 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。超声波智能测距仪具有广泛 的实际用途,超声波测距仪广泛应用于生活、军事等各个领域,如施工建筑单 位对空间距离的测量、汽车倒车防撞系统、潜水艇的超声波探测定位系统。 超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用,如汽车倒车雷达等,它们 测距精度一般较低。目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。展望未来, 超声波作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间, 它将朝着
14、更高精度,更大应用范围,更加高定位高精度的方向发展,以满足日 益发展的社会需求。 1.3 近年来国内外发展状况 1.3.1 超声波测距系统在国外的发展 一般认为,关于超声波的研究最初起始于 1876 年 F.Galton 的气哨实验, 这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中,超声波仍然是一个鲜 为人知的东西,由于当时电子技术发展缓慢,对超声波的研究造成了一定程度 的影响。在第一次世界大战中,对超声波的研究逐渐受到重视。法国人 Langevin 使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的 这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。 1929 年,Sokolo
15、v 首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔 2 第一章 引言 3 年,1931 年 Mulhauser 获准一项关于超声检测方法的德国专利,不过他并未做 更多的工作。4 年之后,1934 年 sokolov 首次发表了关于在液体槽子里用穿透 法作实物试验的结果,他用了各种方法做了实验,用来检测穿过试件的超声能 量,其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人 Bergrnann 在他的论著ULTRASONIC中,详细的论述了有关超声波的大量 早期资料,该论著一直被认为是该领域的经典之作。 美国的 Firestone 首次介绍了脉冲回波探伤仪,使超声波检测技术发展到了
16、 更重要的阶段。在各种系统中,这是最成功的一种,因为它有最广泛的通用性, 其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外,还可与采用先进技 术的自动系统联用,自第一种脉冲回波仪器问世以来,根据相同的原理,有无 数种其他仪器得到了发展,并有许多改进和精化。目前,在超声无损检测中, 脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。 1.3.2 超声波测距系统在我国的发展 超声波测距技术作为检测技术的重要手段之一,在其发展过程中起着重要 的作用。由于其信号的高频特性,超声测距早期仅使用模拟量信号的分析,大 部分检测设备仅有 A 扫描形式,需要通过有经验的人员对信号进行人工分析才 能得出正确的结论,对分析人员
17、的要求较高,因此,人为因素对检测的结果影 响较大,波形也不易记录和保存,不适宜完成自动化检测。 八十年代后期,由于计算机技术和高速器件的不断发展,使超声波信号的 数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波测距设 备,并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮 廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点, 通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。另外,也有大量的 文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些 处理方法都取得了较好的效果。 目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展,数字式超
18、声波测距 系统的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析 系统。随着测距技术研究的不断深入,对超声测距系统功能要求越来越高,单 第一章 引言 4 数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声 测距仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测,记录,存 储,数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研 制呈现一派繁荣景象。其中,煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测 仪,是一种内带微处理器的智能化测量仪器,全部操作都处于微处理器的控制 管理之下,所有测量值,处理结果,状态信息都在显像管上显示出来,并可接 微型打
19、印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定,操作简单,可靠性高,具有 断电存储功能,其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序 的开发。与国内同类产品相比,设计新颖合理,功能齐全,在仪器设计上有重 大突破和创新,达到了国际先进水平。 第二章 系统构成及工作原理 5 第二章 系统构成及工作原理 2.1 超声波简介与应用 声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。所谓振动是指物质的质 点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如,鼓面经敲击后,它就上下振动, 这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播,这便是声波。 超声波是指振动 频率大于 20000Hz 以上的,其每秒的振动次数(频率)甚高,超出
20、了人耳听觉 的上限(20000Hz) ,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质 上是一致的,它们的共同点都是一种机械振动,通常以纵波的方式在弹性介质 内会传播,是一种能量的传播形式,其不同点是超声频率高,波长短,在一定 距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 由于超声波具有如下特性:超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质 中有效传播;超声波可传递很强的能量;超声波会产生反射、干涉、叠加和共 振现象;超声波在液体介质中传播时,可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声效应已广泛用于实际,主要有如下几方面: 1 超声检验。超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,而且能 透过
21、不透明物质,这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超 声成像技术。超声测量是利用超声波直线传播的特性,从发射器发出超声波, 超声波遇到障碍物是会反射回来,进而由接收器接收测量出相应的距离。超声 测距技术已在各方面获得普遍应用。 2 超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应,可进 行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、 促进化学反应和进行生物学研究等,在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了 广泛应用。 3 基础研究。超声波作用于介质后,在介质中产生声弛豫过程,声弛豫过 程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程,并在宏观上表现出对声波的吸收 (
22、见声波) 。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构,这方面的 第二章 系统构成及工作原理 6 研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距, 在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在 1012 赫以上的特超声波,波长 可与固体中的原子间距相比拟,此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵 结构。点阵振动的能量是量子化的,称为声子(见固体物理学) 。特超声对固 体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对 固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究,以及量子液体液态氦中声 现象的研究构成了近代声学的新领域。 2.2 系统的设计思路 超声波测距系
23、统包括超声波的发射与接收系统、报警系统和显示系统。其 结构框图如图 2-1 所示: 超声波接收 单片机 控制器 LED 显示 扫描驱动 报警装置 超声波发射 图 2-1 超声波测距系统的结构框图 超声波测距系统能够在必要的时候(例如:汽车倒车)通过单片机控制发 射电路发射超声波,超声波向前传播。当超声波遇到障碍物时会反射回来,由 接收电路接收。接收电路会把信号传送到单片机中,由单片机进行相关的数据 处理。所得到的结果会通过 LED 数码管显示出来。如果距离小于一个特定的值, 单片机会发出指令让报警装置发出相应的警报声。在此过程中,如果发射装置 与障碍物之间有相对运动,那么 LED 数码管会不断
24、地显示两者之间最新的距离。 而单片机会对距离的变化情况发出不同的指令。如果两者的距离超出一定的范 围(本次设计是四米) ,就不再会进行报警。但是如果两者之间的距离不断缩 小,那么报警的声音就会发生变化,以便能够给人们提示。 第二章 系统构成及工作原理 7 本系统的设计主要分为系统硬件电路的设计和系统软件程序的设计两部分。 系统硬件电路部分由单片机最小系统模块、显示模块、语音报警模块、时钟模 块、复位模块组成。单片机为系统主控芯片,超声波传感器作为测量器件,通 过单片机进行程序处理,最后通过显示模块显示出测量的距离值并进行报警。 系统软件程序部分采用模块化设计方法。整个系统由主程序、系统初始化
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