1、基于温度补偿的超声波测距设计0目 录1 绪论 .21.1 设计目的 .21.2 设计意义 .21.3 系统功能 .32 设计方案 .42.1 方案设计 .42.2 方案论证 .43 硬件设计 .53.1 设计方案 .53.2 STC89C52 外围电路设计 .63.2.1 单片机 .63.2.2 复位电路与震荡电路 .73.3 LCD 显示模块的设计 .83.3.1 字符型液晶显示模块 .83.3.2 字符型液晶显示模块引脚 .83.3.3 字符型液晶显示模块内部结构 .93.4 温度传感器 DS18B20 电路设计 .103.4.1 温度传感器 DS18B20 简介 .103.4.2 DS1
2、8B20 的主要特性 .113.5 数据采集模块 .123.6 HC-SR04 超声波测距模块 .133.7 报警电路设计 .154 软件设计 .174.1 系统软件设计说明 .174.2 主程序的设计 .174.3 超声波发射子程序和超声波接收中断子程序设计 .184.4 温度测量子程序设计 .185 结果与结论 .215.1 结果 .215.2 结论 .21致谢 .22参考文献 .23附录 .24基于温度补偿的超声波测距设计11 绪论1.1 设计目的随着国民经济的迅速发展，超声波在机械制造、石油化工、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。超声波测距作为一种非接触式距离测量方法，具有不受外界
3、光及电磁场等因素影响的优点，实现电路简单、成本低；同时，还具有易于定向发射、方向性好、对人体伤害小等特点。上述优势使得与超声波测距领域相关的仪器设备在数据处理、检测性能和工程设计系统化等方面有了更大的发展空间。利用超声波定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御天敌及捕获猎物的生存手段, 这些生物体可发射人们听不到的超声波 ( 20KH 以上的机械波) ,借助空气介质传播, 根据猎物或障碍物反射回来的回波的时间间隔及强弱,判断猎物的性质或障碍物的位置。在影响超声波测距误差的因素中，温度的影响是比较大的，超声波的传播速度在不同的温度下是不同的，那就要得出其传播速度与环境温度 t 的关系式。因此
4、用常温下的超声波速度 341m/s 来计算不同温度环境下的超声波测距的距离是有很大误差的。为了提高测距精度，我们必须对超声波的速度进行温度补偿，用温度传感器测环境温度的数值，从而得到改环境下的超声波速度1.2 设计意义随着社会经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，交通运输业的日益兴旺，汽车数量的越来越多。交通拥挤的状况也日趋严重，撞车事件也经常的发生，造成了很严重的人员伤亡和财产损失，针对这一情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统事在必行，最常见的一种测量距离的方法是超声波测距，应用于汽车的近距离防撞。还有城市的快速发展，排水系统往往落后于城市建设，经常出现已经建设好建筑
5、设施再重新开挖排水设施的情况，这样经常会造成城市污水的到处排放，影响城市卫生，针对这一情况，设计污水疏通移动机器人的自动控制系统是非常必要的，而这个自动控制系统核心就是超声波测距。以上举得只是超声波应用领域中的一小部分的例子，当今生活中还有很多方基于温度补偿的超声波测距设计2面需要用到超声波测距，来解决人们日常生活中遇到的问题，因此设计一款超声波测距仪是非常重要的一件事。1.3 系统功能超声波测距仪的设计要求如下：1) 测量范围小于等于 5 米2) 测量误差小于 0.3cm3) 进行温度补偿4) 以 LCD 显示温度和距离基于温度补偿的超声波测距设计32 设计方案2.1 方案设计利用超声波检测
6、距离，设计比较方便，计算处理也较简单，其测量精度也能达到使用要求。超声波发生器可以分为两大类：一类是用机械方式产生超声波，一类是用电气方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本设计采用 AT89C51 单片机作为控制器，用动态扫描法实现 LCD 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。单片机发出 40kHz 的信号经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t，再由软件进行判别、计
7、算，得出距离数并送 LCD 显示。2.2 方案论证方案一：基于单片机的超声波测距方案，基于单片机的超声波测距是以单片机编程产生 40KHZ 的频率，经过发射驱动放大，使发射端发射超声波，经被测物反射回来，通过反射电路，放大，整形，处理，测出距离。方案二：基于 CPLD 的超声波测距系统。基于 CPLD 的超声波测距系统采用CPLD 器件控制超声波的发射与接收，从而计算出测量的距离，其运用 VHDL 编写程序，并且配合 MAX-plus进行软硬件的仿真与调试。利用 CPLD 具有性能高、成本低的特点，但是单片机能够准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单，所以综合更方面因素本文采用 S
8、TC89C52单片机作为控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。基于温度补偿的超声波测距设计43 硬件设计3.1 设计方案本文介绍了一种采用脉冲回波方式，基于 STC89C52 单片机的超声波测距系统。该系统充分利用单片机的硬件和软件资源，自动实现超声波的发射与接收控制。该系统充分考虑了环境温度对超声波传播速度的影响，通过单片机中计数器所计超声波往返所经历的时间，通过公式换算就可以计算出超声波发射器与被测物之间的距离。其主要包括单片机控制模块，超声波发射模块，超声波接收模块，LCD1602 显示模块，温度补偿模块，报警模块，和扫描驱动模块这几个部分。其可以实
9、现非接触测量物体的距离，并通过 LCD1602 液晶显示出来，当距离小于 1M时实现报警。图 3.1 超声波测距仪总设计框图基于温度补偿的超声波测距设计53.2 STC89C52 外围电路设计3.2.1 单片机STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提
10、 供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。外形及引脚排列如图 3.2 所示。钟电路引脚、I/O 引
11、脚、控制线引脚。根据开发的需要和单片机的结构，我们就可以 基于温度补偿的超声波测距设计6图 3.2 STC89C52 的芯片引脚图STC89C52 共有 40 个引脚，大致可分为 4 类：电源引脚、时实现单片机的自动工作，即实现自动化！3.2.2 复位电路与震荡电路单片机 STC89C52 作为主控芯片，控制整个电路的运行。其需要一个复位电路，复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。复位电路的设计图如图 3.3 所示。10UFC310KR1S1VCCRST位位位位图 3.3 复位电路图STC89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XT
12、AL1 和XTAL2 分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接 12M 振荡器及电容 C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。由于外接电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性因此电容选择 30pF 10pF。基于温度补偿的超声波测距设计7112MC130pC230pXTAL2XTAL1位位位位图 3.4 振荡电路图 3.3 LCD 显示模块的设计3.3.1 字符型液晶显示模块图 3.5 液晶面板字符型液晶显示模块是一类专门用于显示字母，数字，符号等的点阵式液晶显示
13、模块。在显示器件上的电极图型设计，它是由若干个 5*7 或 5*11 等点阵符位组成。每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间有一空点距的间隔起到了字符间距和行距的作用，模块见图 3.5。3.3.2 字符型液晶显示模块引脚VSS 为地电源，VDD 接 5V 正电源，VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时基于温度补偿的超声波测距设计8可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和
14、 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。DB0DB7 为 8 位双向数据线，BLK 和 BLA 是背光灯电源。模块引脚如表 3.1。表 3.1 字符型液晶显示模块引脚编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明1 VSS 电源地 9 D2 Data I/O2 VDD 电源正极 10 D3 Data I/O3 VL 液晶显示偏压信号 11 D4 Data I/O4 RS 数据/命令 12 D5 Data I/O5 R/W 读/
15、写 13 D6 Data I/O6 E 使能信号 14 D7 Data I/O7 D0 Data I/O 45 BLA 背光源正级8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源负级3.3.3 字符型液晶显示模块内部结构 液晶显示模块 WM-C1602N 的内部结构如图 3.6 分为三部份：一为 LCD 控制器，二为 LCD 驱动器，三为 LCD 显示装置。与单片机接口见图 3.6图 3.6 LCD1602 内部结构基于温度补偿的超声波测距设计9VS1C2O3R4W5E6B07LAK8DGNT,/图 3.7 液晶接口3.4 温度传感器 DS18B20 电路设计3.4.1 温度传感器 DS18B
16、20 简介DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有 3 引脚 TO92小体积封装形式，温度测量范围为55125,可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 0.0625，被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20通信(每个温度传感器的 ROM 里有不同的识别号码） ，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使 DS18B20 非常适用于远距离多点温度检测系统。 DS18B20 内部结构如图 3.8 所示，主要由 4 部分组成：64 位 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的管脚排列如图 3.9所示，DQ 为数字信号输入输出端；GND 为电源地；VDD 为外接供电电源输入端。ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码，每个 DS18B20 的 64 位序列号均不相同，ROM 的作用是使每一个 DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。
