1、 I ha 2015 届毕业生 毕业设计说明书 题 目 : 基于单片机的 超声波测距系统的设计 院系名称： 信息科学与工程学院 专业班级： 电信 1107 学生姓名： 刘彪 学 号： 201116910909 指导教师： 杨静 教师职称： 讲师 2015 年 5 月 29 日 I 摘 要 AT89C51 是单片机里应用比较广泛的一款，在自动控制领域里享有很高的价值。以其易用性和多功能性受到了广大电子设计爱好者的好评。本次设计主要是利用 AT89C51 单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作。以 AT89C51 为主控芯片，利用超声波的 传播特性完成 距离的检测，将前方物体的距离探测出来。然
2、后单片机处理运算单元，与设定的报警距离值进行比较判断，当测得距离小于设定值时， AT89C51 发出指令控制蜂鸣器报警。通过 DS18B20 进行温度补偿，减少温度带来的干扰，提高测量精度。 整个硬件 电路由超声波发射电路、超声波接收电路 、 电源电路、显示电路等模块组成，各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬 件和软件实现了各个 模块 功能。本毕业设计 包括 ： 硬件电路图、程序流程图，并给出了系统结构、电路原理和 程序 设计。系统具有易于控制、工作可靠、测距 精度 高、可读性强和流程清晰等优点。 关键词： 超声波传感器、 AT
3、89C51、 DS18B20 II Title Ultrasonic Ranging System Based on MCU Abstract AT89C51 is used widely which enjoys a high value in the field of automatic control system. It has been well received on versatility and ease of use by the majority of electronic design enthusiasts. This design is composed of SCM
4、 AT89C51, ultrasonic distance sensor and alarm system. As the main chip in AT89C51, using of ultrasonic sensors to detect obstacles. Microcontroller as a processing operation unit, then setting the alarm values are compared to judge the distance, when the measured distance is less the value. Then bu
5、zzer starts alarm at the microcontroller control. DS18B20 as a temperature compensation sensor, in order to reduce interference caused by temperature, improve the measurement accuracy. The entire hardware circuit is composed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the power c
6、ircuit, display circuit and other modules. Each of the probe signal by the microcontroller comprehensive analysis process, then realize various functions of ultrasonic distance measurement. Base on this has designed systems overall concept, final adoption of hardware and software to achieve the vari
7、ous functional modules. The graduation project include: hardware circuit, program flow chart, and gives the system structure, circuit theory and programming. The instrument system has features: ease of control, stability of operation, highness of precision and readability, etc. Keywords ： Ultrasonic
8、 sensors、 AT89C51、 DS18B20III 目 次 错误 !未找到引用源。 1 1 绪论 1.1 课题背景及重要意义 随着 社会 的需求，电子测量 的 传感器技术应用越来越 多。 超声波测量 的 精度符合 工业要求，低成本性能稳定 使 它备受欢迎 ,随着科技 对 精度 的要求越来 越高，超声波测距技术 已经 被广泛用于人们日常生活和工作之中 1。 由超声波测距 是 一种非接触 的 测量技术，不受光线、被测对象颜色 这些 外部环境的 束缚。 较其它仪器 更加 的方 便 和直接，更耐潮、腐蚀性气体等恶劣环境，具有 很少需要 维护、 无 污染、 使用 的寿命 比较 长等特点 2。可在
9、不同环境中 能够实现距离 信息实时 在线 显示 ，可直接用于水、酒、糖等液位 的 测量， 也 能够进行差值设定，直接显示各种液位的高度。因此，超声波在空气 中 的测距在 特定 的场合下有较为广泛的应用。利用超声波 测距 往往 速度快而直接 、 能够迅速 的实时控制，并且在测量 准确度 上 得到 了业界 普遍的 认可 。它 在汽车倒车雷达的研究 和 使用方面也得到了 认可 ，并且被广泛的应用 3。 在 其它方面的应用，也发挥着巨大的 潜在 价值，如医疗、潜艇等高精尖的科技上。 1.2 课题 的 意义 基于 影响超声波测距 引起 误差的几个 重要 因素做了分析 ，并为系统选择了比较合适的传感器 。
10、此 系统 打算 在实验室内实现小范围 的 距离测距，测 试 距离约为0.02m3m。 系统整体构架如下图所示。 图 1-1 系统 设计方案图 显示模块 语音模块 单片机控制单元 发射 电路 检测 电路 接受 电路 发射探头 接受探头 障碍物 2 显示 电路 可以 采用动态扫描 的 方式来 实现 ， 这样 可以 大大 减少对硬件的需求的 程度。通过 单片机内部程序 的 执行能够 使内部 计数 得到的时间数据 迅速 的转换为距离信息， 并且 实现在 4 个 LED 数码管显示 出来 ，数据 XXXX，单位 cm4。 基于 超声波测距能 够 克服传统上测距的缺陷，如能够进行液面的测量，传统上的测量方
11、式 不 仅 存在严重的缺陷而且操作起来难 以 实现 ； 而且基于 AT89C51单片机 的超声波测距系统不仅价格低廉，其系统的体积也不大，同时也能够实现高精度的要求，这就为未来 能够 电子 技术 领域 的 广泛应用提供了良好的条件，这也是研究超声波技术 课题 的重要意义 5。 1.3 本文 主要研究内容 本 系统硬件部分由 AT89C51 控制器，超声波 的 接受电路 以及 发射电路、 报警装置 、温度 补偿传感器 电路和显示电路组成。当 进行 倒车时，发射和接受 的 超声波的电路 开始 工作，经过 AT89C51 数据 处理 的 结果将 以 距离 信息 显示到 LED 数码管上， 倘若 距离
12、小于 所 设定值 时，报警电路 中的 蜂鸣器 就 会发出鸣叫， 能 够提醒司机 遇到障碍物， 要保持车距 ， 注意安全 6。超声波 测距流程 框图如下图所示： 图 1-2 系统 设计总框图 发射出去 的声波 碰到 障碍物 后大部分 的会 反射 回来， 一部分 因折射而损失掉；由超声波接受头接受到信号， 这时 通过接受电路处理 。单片机可以利用 声波 在 环境中的传播速度和发射脉冲到接受反射脉冲的时间 差，就 能够计算出 测距仪 到障碍物的距离 。倘若 所显示的测量距离小于所设定的 距离 值 ， 报警电路的蜂鸣器就会发出报警，起到 警惕 的作用。 对 本课题 的 研 究而言，不仅 会 从深度 上
13、 分析超声波测距的 基本 原理，也 了解超声波 的 特点及如何应用超声波，对本课题的研究后，也要展望未来超声波的发发射 电路 接受 电路 LED AT89C51 DS18B20 报警 电路 D 飞 飞 3 展趋势，如何使这门技术富有价值， 更重 的一点是，此课题的研究不 只 仅研究理论方面，还要动手实践，设计硬件和编写软件，正真做到学以致用。 4 2 超声波 测距原理 与 方法 2.1 超声波 简介 超声波技术 在 整个 国民经济中 的 各个领域 取得 了广泛的应用 。 对提高产品的性能 和 质量，保障安全 生产 和 机器 设备 的 安全运作， 有着 十分重要的作用 ，在 工业 生产 中提高生
14、产 的 效益 具有其它 技术所不具备 的 优点 。 超声波 的物理性质 主要是指 超声波的 折射 和 反射 ， 当 超声波 要 通过两种特性阻抗 特性 不同介质的平面上时， 超声波 的传播变成两种方式，一部分超声波 在平面上被反射 回来， 而 此 系统就是利用超声波 的 此特性；另一部分 超声波 会穿过 介质 面， 在 另一种介质内部继续传播 7。这两种 传播 方式称为超声波的反射和折射。 正是利用 超声波 的 这些特性 ，才 使超声波的研究 具备 了 真正 的价值。 2.2 超声波测距 原理 超声波 测距 可以 通过不同的方式实现： 例如 相位检测法 、往返 时间检测法 及声波幅值检测法 等
15、 比较 常用 的三种方法 8。本 系统 采用往返时间检测法 的 方式进行 距离 的测量。 其 所经 过 的时间 也就是 往返 的总 时间 。 由于 确定 了往返时间 ，再按照 周围环境中空气的温度， 可以实际 情况推测出超声波在空气中的传播速度 ，便 可以 计算 出 距离。 如果 测量的 障碍物 与测距仪之间的距离是 s(m)， 超声波 从发射到接受所用的总 时间为 t(s)， 超声波传播速度为 v（ m/s）表示。 则有关系式 如 （ 2-1）； （ 2-1） 由于 超声波 的 传播速度与环境中的温度 紧密 相关，一般而言， 环境 中的温度每 抬高 1，其 超声波的 传播 速度 也会 随着增
16、加 0.6 米 /秒 9。 表 2-1 环境中不同温度下的 传播速度 温度（ ） -30 -20 -10 0 10 20 30 声速 （ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 在 设计系统时， 倘若 环境 中 空气温度变化不大， 就 可以认为声速 c 是 定值 ，这时 取声速 c 为 340m/s。 如果测距 精度要求 的 非常高， 这时就 可以通过改变 硬5 件 电路 的 办法 来 实现其精度的测量，通过 增加温度 补偿电路法来加以 实现 精度的测量 。 在 本系统 的 设计 计划 利用 AT89C51 中的 定时器 来 测量超声波传播 在 空气中的传播时间。利用
17、 DS18B20 传感器测量 环境 中 空 气的温度，从而 克服 了 测量 精度 低的缺点。空气 中 的 超声波 的传播速度与 环境中 空气的温度的关系可表示为： 2 7 3 . 1 63 3 1 . 4 5 3 3 1 . 4 0 . 62 7 3 . 1 6TcT (m/s) (2-2) 这时 按式（ 2-2） 对超声波传播速度 进行 实时的修正，以 来 提高测量的准确度。 这时 式（ 2-2） 可以 简化为 : (2-3) 式中 ， T的 温度单位为 ， v 为 超声波在介质中的传播速度单位为 m/s10。 当 超声波的 传播 速度知道 后， 这时 只 需要 求超声波 在 介质中传播的往
18、返的时间 t(s)，可求得 传感器 与障碍物的距离 l 为： l=1/2（ 331.4+0.6T） t （ 2-4） 2.3 本章 小结 本章 首先介绍了 超声波 的基本的特性和特点 ， 而后 利用 超声波的这些基本的特性为 我们所用， 如 超声波的直线传播方式以及超声波在特定环境 温度 下 有 恒定的速度 可以 用来距离。 接下来介绍 了超声波的形成 的 方式 和 传播的 特点 ，超声波在传播过程中的 会发生 反射、折射规律 等 特点；通过超声波的内部结构 和 影响超声波 传播 的几个重要参 数给出本系统设计中所用超声波传感器的 该 如何 选择。通过 以上的这些特性，给出了超声波测距的原理以
19、及公式 表达式 ，这 为 超声波测距的 软件系统 的实现 ，提供了 保障 ； 在硬件电路的实践上提供了根据。而 本章研究的重点是超声波的 一些 重要特性和超声波测距的 基本 原理，为后面 章节 系统的设计提供了 有利 的途径。 6 3 系统硬件设计 3.1 硬件 的选择 3.1.1 主 控制器模块 采用单片机作为整个系统控制 的中心 ，用来控制 超声波传感器的收发模块 ，以实现特定的性能。充分了解我们的系统后，重点在于实现超声波测距功能，而在这一点上。单片机就显现并 发挥 出来它特别而又独特的好处， 不仅 体现在控制上 的稳定 ， 而且 操作方便和快捷 11。从这方面 来看 ，单片机就可以充分发挥其丰富 的资源 ， 并且具有 价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。单片机 各管脚图 如图 3-1： 图 3-1 AT89C51 管脚 图 对于 本系统实物设计而言，若选用一片 CPLD 作为系统数据处理的核心，也能实现全局的掌控，处理的速度 快 、程序 语言采用 VHDL 也比较容易编写，而且开发的周期也不会太长，虽然它的 优点 很明显 ，但是仅 本系统采用单片机 作为 数据的核心则是更为合理 ， 首先超声波测距对数据的处理速度 要求 不是 很 高 ， 因此对系统 信息 的处理的要求自然没有太高的要求，仅这一点而言单片机就可以胜任，
