1、目 录摘要 1前言 3第一章 绪论 411 选题背景与意义 412 研究现状 413 研究内容 5第二章 总体设计 621 系统框图 622 超声波测距仪设计要求 623 使用元件选择 6第三章 系统硬件设计 731 超声波传感器电路模块 7maxbook118com HC-SR04 实物图 7maxbook118com HC-SR04 的主要技术参数 7maxbook118com HC-SR04 内部结构与工作原理 8maxbook118com 发射电路的设计 8maxbook118com 接收电路的设计 832 温度传感器模块 9maxbook118com DS18B20 实物图与引脚定义
2、 9maxbook118com DS18B20 的主要特性 10maxbook118com DS18B20 的工作原理 1033 数码管显示模块 11maxbook118com 七段数码管的结构与工作原理 11maxbook118com 七段数码管的驱动和显示方法 1134 STC 单片机最小系统模块 13maxbook118com STC89C51 单片机最小系统 13maxbook118com STC89C51 单片机的主要特性 13第四章 系统软件设计 1541 系统软件总设计 1542 传播时间的获取 1643 DS18B20 对温度的补偿 1744 距离的计算 21第五章 总结与分析
3、 22参考文献 23致谢 24附录 25摘 要 随着科学技术的飞速发展超声波在生产生活中的应用范围越来越广目前离我们生活最近的超声波应用就是测距超声波测距主要应用于倒车提醒建筑工地工业现场等的距离测量本论文设计了一种基于 STC89C51 单片机的超声波测距仪该仪器以空气中超声波的传播速度为已知条件利用反射超声波测量待测距离本设计利用超声波传感器 HC-SR04 发射超声波并接收回波的方式统计超声波传输的时间采用 STC89C51 单片机作为控制核心结合温度传感器 DS18B20 采集的温度信息将声速做相应的补偿并计算出距离最后通过 4 位数码管将所测距离信息显示出来根据结果显示该设计达到了预
4、期要求基于 STC89C51 单片机的超声波测距仪可以实现关键词 STC89C51 超声波传感器 DS18B20AbstractWith 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 mea
5、surement Ultrasonic distance measurement is mainly used in 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 condition
6、s using the reflected ultrasonic measurement testing distance 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 spe
7、ed of sound corresponding compensation And calculate the distance Finally the measured distance information will be displayed by 4 digital tubeAccording to the result this design reach the expected requirements the ultrasonic range finder based on the STC89C51 can be achievedKey words STC89C51 ultra
8、sonic sensor DS18B20前言实际生产生活中人们往往需要对物体间的距离进行精确测量本论文设计了一个可以实时看到距离的超声波测距仪测距精度为 2cm最远距离可以达到 2m本设计的测距仪分为多个模块超声波传感器模块温度测量模块微处理器模块和数码管显示模块超声波传感器中的发射电路模块发出超声波遇到障碍物返回并被接收电路模块接收到单片机统计出声波传输所用时间结合温度传感器所测温度计算出实时的声速并得到正确的待测距离最后通过数码管模块将待测距离显示出来以下为章节安排第一章提出了本论文的背景和选题意义国内外超声波测距仪的发展现状以及本设计研究的主要内容第二章总体设计包括系统框图和设计要求第三
9、章本设计的硬件部分包括超声波传感器电路模块温度传感器模块微处理器模块和数码管显示电路模块第四章本设计的软件部分包括系统软件的设计流程图 DS18B20驱动模块数码管显示和声速的计算第五章总结分析第一章 绪论11 选题背景与意义超声波可用于非接触测量具有不受光电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点利用超声波在和之间的传输来测量距离对被测目标无损害而且超声波传播速度在大范围内与频率无关超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视 目前对于超声波精确测距的需求也越来越大油库和水箱液面的精确测量和控制物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等在机械制造电子冶金航海宇航石油化工等工业领域也有广泛地应用此外在材
10、料科学医学生物科学等领域中也占具重要地位 12 研究现状国内从五十年代起对超声波测距进行了较多的研究并取得了可喜的成果近年来得益于电子技术的快速发展尤其是单片微机技术的应用和扩展使得原来复杂的超声物位测量仪的设计有了大幅简化的可能如采用 zilog 公司 Z86E08 单片机控制的超声波测距数显装置以8098 单片机为核心的智能物位测量仪等从而使得超声物位测量仪的应用得到更多的普及近十年来国内外科研人员在超声波回波信号处理方法新型超声波换能器研发超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析和研究并针对超声测距的常见影响因素提出了温度补偿接收回来串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施本文针
11、对国内外超声波测距研究开发的状况研制了一种低成本精度较高的基于 STC89C51 单片机的超声波测距仪13 研究内容该超声波测距仪中的超声波传感器 HC-SR04 中的发射电路模块发出超声波遇到障碍物返回并被接收电路模块接收到 STC89C51 单片机统计出声波传输所用时间结合温度传感器 DS18B20 所测温度计算出实时的声速并得到正确的待测距离最后通过数码管模块将待测距离显示出来该超声波测距仪的设计要求如下1 设计制作超声波发射和接收电路2 设计制作单片机系统带有数码管显示电路3 编写单片机程序计算和显示距离第二章 总体设计21 系统框图本设计超声波传感器使用 HC-SR04 温度传感器使
12、用DS18B20 微处理器使用 STC89C51 单片机显示部分采用共阳数码管超声波传感器 HC-SR04 中集成的发射电路模块发出超声波遇到障碍物返回最后被接收电路模块接收 STC89C51 单片机统计出声波传输所用时间结合温度传感器 DS18B20 所测温度计算出实时的声速并得到正确的待测距离最后通过 4 个共阳数码管将待测距离显示出来图 21 系统基本框图22 使用元件选择由于测量距离的精度和长度要求不是很高精度达到 2cm 测量距离达到 2m 即可因此超声波传感器选用价格低廉且实用的 HC-SR04 即可控制核心部分选择实用的 STC89C51 单片机即可满足计算和控制要求用于温度补偿
13、的温度传感器选择普遍且实用的 DS18B20因为显示只需要将距离显示出来就可以了所以显示部分选择了四只共阳数码管第三章 系统硬件设计该超声波测距系统硬件设计包括以下模块超声波传感器电路模块微处理器模块温度传感器模块和数码管显示电路模块31 超声波传感器电路模块HC-SR04 超声波传感器模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能测距精度可高达 3mm 模块包括超声波发射器接收器与控制电路maxbook118com HC-SR04 实物图图 31 HC-SR04 超声波模块实物图maxbook118com HC-SR04 的主要技术参数所用工作电压直流 5V 电压工作静态电流小于 2
14、mA电平输出高电平为 5V 低电平为 0V感应角度不大于 15 度探测距离及精度 2cm-450cm高精度可达 3mmmaxbook118com HC-SR04 内部结构与工作原理图 31 HC-SR04 发射电路图图 32 HC-SR04 接收电路图该超声波传感器的内部结构及电路工作原理如图所示该传感器主要包括两大部分发射电路和接收电路采用 IO 触发测距给至少10us 的高电平信号模块自动发送 8 个 40kHz 的方波并自动检测是否有信号返回当接收到回波时通过 IO 输出一高电平高电平持续的时间t 就是超声波从发射到返回的时间测试距离 s tv 2v 是超声波在空气中传播的速度maxbo
15、ok118com 发射电路的设计超声波传感器的发射电路主要由方波发生芯片 40kHz 的晶振和MAX232 芯片构成单片机给方波发生芯片触发信号后方波发生芯片开始工作产生 40kHz 的方波信号电平转换芯片 MAX232 将 TTL 电平转换成可以驱动振荡器的高电压进而产生所需的 40kHz 的超声波maxbook118com 接收电路的设计本设计中选用的 TL740C 芯片采用了前置放大电路带通滤波电路后级放大电路将接收到的波形经过整形积分检波滤波和限幅放大等实现接收超声波的功能当距离较远时回波信号会非常微弱转换后的信号电平幅值很小故要经过若干级放大使输出功率达到一定要求并且为了防止信号出现
16、较大的失真接收电路可以保证有 4MHz 的带宽放大后的交流信号送入比较器后输出一个方波信号并使触发器触发向 CPU 发出中断请求在中断服务程序中读取计数器的计数值结合温度补偿后的声速计算出测距仪距离障碍物的距离32 温度传感器模块maxbook118com DS18B20 实物图与引脚定义图 33 DS18B20 实物图DS18B20 各引脚描述管脚号 符号 功 能 1 GND 电源地 2 DQ 数据输入输出 3 VDD 电源可选表 31 DS18B20 管脚描述DS18B20 数字温度计以 9 位数字量的形式反映器件的温度值通过一根单线接口发送和接收信息因此在单片机和 DS18B20 之间仅
17、需一条连接线加上地线用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得无需外部电源maxbook118com DS18B20 的主要特性独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯简单的多点分布应用 无需外部器件可通过数据线供电 零待机功耗 测温范围-55125华氏器件-67257以 09递增温度以 9 位数字量读出温度数字量转换时间 200ms 典型值 用户可定义的非易失性温度报警设置报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度温度报警条件的器件应用包括温度控制工业系统消费品温度计或任何热感测系统maxbook118com DS18B20 的工作原理图 34 DS18B20 测温原理DS18B20 测温原理如
18、图 34 所示图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1 高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变所产生的信号作为计数器2 的脉冲输入计数器 1 和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数当计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1 计数器 1 的预置将重新被装入计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数如此循环直到计数器 2 计数到 0 时停止温度寄存器值的累加此时温度寄存器中的数值即为所测温度33 数码管显示模块maxbook118com 七段数码管的结构与工作原理七段数码管一般由 8 个发光二极管组成其中由 7 个细长的发光二极管组成数字显示另外一个圆形的发光二极管显示小数点当发光二极管导通时相应的一个点或一个笔画发光控制相应的
