1、 毕业设计（论文） 论文题目： 基于单片机的超声波测距系统实现 系 部： 电子通信工程系 专 业： 应用电子技术 班 级： 应电 134 学生姓名： 唐银珂 学 号： 130415149 指导教师： 庄小利 2016 年 4 月 河 南 机 电 高 等专 科 学 校 河南 工学院 毕业论文 I 摘 要 基于传统的方法在很多特殊场合：如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷，超声波测距能很好的解决此类的问题。本论文主要对单片机 超声波测距系统的原理，单片机的应用等进行了分析；对超声波的发生电路和接收电路， DS18B20 温度采集电路， LCD 显示电路，硬件制作
2、和软件设计；对系统进行误差分析 。 单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。 在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。 关键词 ： 超声波测距；单片机； LCD 显示；软件设计；误差分析 河南 工学院 毕业论文 II Abstract In many special occasions, traditional methods based on the existence of insurmountable
3、distance measuring defects, such as the measurement of corrosion in the liquid with strong electromagnetic interference, toxic and other adverse conditions, the ultrasonic range can be a very good solution to the problem of such . In this paper, focused on single-chip microcomputer-based ultrasonic
4、ranging system, namely the principle of ultrasonic distance measurement, the occurrence of ultrasonic circuit, echo receiver, data acquisition, LCD data show the principle of single-chip applications, system hardware, DS18B20 the temperature compensation ， software design and production were discuss
5、ed. Keywords:Ultrasonic ranging;single-chip;LCD display;software design;error analysis. 河南 工学院 毕业论文 1 目 录 摘要 . 第 1 章 绪论 . .1 1.1 单片机应用系统概述 . .1 1.2 超声波测距系统概述 . . .2 1.3 本设计任务主要内容 . . . 2 第 2 章 超声波测距的原理 . . .4 2.1 超声波测距系统原理 .4 第 3 章 系统主要硬件设计 . .6 3.1 方案论证与比较 .6 3.2 单片机主机系统电路 .10 3.2.1 单片机电路 .10 3.2.2
6、 复位电路 . .11 3.2.3 时钟电路 . .12 3.2.4 按键电路 . .12 3.2.5 蜂鸣器电路 . .13 3.3 超声波发送电路 . . .13 3.4 超声波接收电路 . .14 3.5 温度采集 DS18B20 电路 . .16 3.6 LCD 显示电路 . .17 3.7 电源电路 . . .18 第 4 章 系统软件设计 . . .21 4.1 系统程序结构 . . .21 河南 工学院 毕业论文 2 4.2 系统主程序 . . .22 4.3 40KHz 超声波发送程序 . . .22 4.4 超声波的接收和处理 . . .22 4.5 DS18B20 温度采集
7、程序 . .22 4.6 距离计算程序 . . .23 4.7 数据转换程序 . . .23 4.8 LCD 显示程序 . . .23 4.9 基于 Proteus 的软件 仿真 . .24 第 5 章 PCB设计 . .25 5.1 元件选择 . .25 5.2 Altium designer 原理图的绘制 . . .26 5.3 元件封装制作 . . .26 5.4 PCB 的电磁兼容性设计 . .26 5.5 布局布线 . .29 5.6 制造文件输出 . . .32 第 6 章 元件采购 . .33 6.1 BOM 文件导出 . . .33 6.2 元件采购 . . .34 总结 .
8、.35 致谢 .42 参考文献 . .43 河南 工学院 毕业论文 3 第 1 章 绪论 1.1 单片机应用系统概述 单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域 通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展 ,并正在深深地改变着 我们的社会。 嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的 IT 应用之一。嵌入式系统的应用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命”的现代化智能系统。嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的设备中，单片机作为嵌入式系
9、统的核心部件，其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果，常常无需对硬件资源做任何改动，只需更新系统软件就能使系统功能升级。现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域，主要可以归纳为以下几个方面。 （ 1）军事装备：各 种武器控制（火炮控制、弹道控制、炮弹引信等），坦克、舰船、轰炸等各种电子装备，雷达、电子对抗、军事通讯装备等。 （ 2）家用电器：各种家电产品，如数字电视、机顶盒、数码相机、 VCD、 DVD、可视电话、洗衣机、电冰箱、手机、智能玩具等。 （ 3）工业控制：各种智能仪器仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统、工业机器人、机电一体
10、化设备、汽车电子设备等。 （ 4）商用设备：各种收款机、 POS 系统、电子秤、条形码阅读器、商务终端、 IC卡输入设备、自动柜员机、防盗系统等。 （ 5）办公用品：复印 机、打印机、传真机、扫描仪、手机、个人数字助理（ PDA）、变频空调设备、通信终端、程控变换机、网络设备等。 （ 6）医疗电子设备：各种医疗电子仪器，如 X 光机、超声诊断仪、心脏起搏器、监护仪器等，以及辅助诊断系统、专家系统等。 河南 工学院 毕业论文 4 单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如下： 图 1
11、-1 设计步骤 1.2 超声波测距系统概述 在基于 传统的测力距离存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。 超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通 过简单的外围电路发生和接收超声波，
12、单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 河南 工学院 毕业论文 5 1.3 本设计任务的主要内容 1超声波测距仪设计要求如下： 1） 测量距离 6m； 2） 精度优于 1%； 3） 进行温度补偿； 4） 显示方式采样 LCD； 5） 具有抗干扰能量； 6） 体积小、功耗低、便于嵌入到其他系统。 2 硬件电路的设计 1) 方案的论证 ; 2) 元件的选择 ; 3) 用 Altium designer 绘制原理图。 3 系统的 PCB 制作 1) PCB 布局布线； 2) PCB 实验板的焊接。 4
13、 系统软件的编写 1) 软件的编写和编译检查； 2) 基于 Proteus 的软件仿真。 5 样机实验测试 1) 实验检查； 2) 测试数据。 6 误差 分析 1）误差的分析； 2）改进。 河南 工学院 毕业论文 6 第 2 章 超声波测距的原理 2.1 超声波测距系统原理 在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离
14、为 S=1 2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超 声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米 /秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 超声波测距的算法设计 : 超声波在空气中传播速度为每秒钟 340 米（ 15时）。X2 是声波返回的时刻， X1是声波发声的时刻， X2-X1 得出的是一个时间差的绝对值，假定 X2-X1=0.03S，则有 340m 0.03S=10.2m。由于在这 10.2m 的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下： 图 2-1测距原理 河南 工学院 毕业论文 7 超声波测距器的系统框图如下图所示： 图 2-2 系统框图
