基于51单片机的超声波测距系统设计-学术论文
19页1、11 设计任务本文采用超声波传感器,IAP15 单片机以及 LCD 显示模块设计了一种超声波测距显示器,可以实现测量物体到仪器距离以及显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的超声波距离测量器,具有一定的实用价值。2 设计思路2.1 超声波测距2.1.1 超声波超声波是指频率在 20kHz 以上的声波,它属于机械波的范畴。近年来,随着电子测量技术的发展,运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量精确高,成本低,性能稳定则备受青睐。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求,因此为了使移动机器人能够自
2、动躲避障碍物行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的位置信息(距离和方向) 。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点,因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。2.1.2 超声波测距原理最常用的超声测距的方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s,根据计时器记录的时间 t,就可以计算出发射点距障碍物面的距离 s,即:s=340t/2。 由于超声波也是一种声波,其声速 V 与温度有关。在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测2距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。距离计算公式:(2-1) = 2= 2其中 d 为被测物与测距器的距离,s 为声波的来回路程,c 为声波,t 为声波来回所用的时间。其中声速 c 与温
3、度有关。T (2-2) = 331.5 + 0.607如果要提高测距精确度,则必须考虑温度的影响,也可取室温简化电路设计,将温度传感器作为扩展电路,在力所能及的情况下完成。2.1.3 超声波测距模块 HC-SR04HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm 至 400cm 的非接触式距离感测功能,测距精度可达 3mm;模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。实物如图 2-1 所示:图 2-1 HC-SR04 模块实物图HC-SR04 工作原理及说明:1、给 Trig 触发控制信号 IO 端口至少 10us 的高电平信号。2、模块自动发送 8 个 40khz 的方波,并自动检测是否有信号返回。3、有信号返回时,Echo 回响信号输出端口输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。4、两次测距时间间隔最少在 60ms 以上,以防止发射信号对回响信号的影响。如图 2-2 所示:3图 2-2 HC-SR04 工作原理2.2 LCD1602 显示屏LCD1602 显示屏实物如图 2-3 所示:图 2-3 LCD1602 显示屏4LCD1602 电路原理图如图 2-4 所示
4、:图 2-4 LCD1602 电路原理图2.3 IAP 单片机IAP15F2K61S2 单片机为增强型 8051CPU,具有 1 个单时钟/机器周期,其工作电压为 4.2V5.5V,速度比普通的 8051 快 812 倍;61K 字节片内 FLASH 程序存储器,片内大容量 2048 字节的 SRAM,大容量的片内 EEPPOM,擦写次数在 10 万次以上;一共有 8 道 10 位高速 ADC,速度高达 30 万次/s,3 路 PWM 还可当 3 路 DA 使用;共有 3 通道比较单元,内部高可靠复位,8 级可选复位门槛电压,彻底省掉外部复位电路;内部高精度 RC 时钟,内部时钟从 5MHz35MHz 可选,相当于普通 8051 的 60MHz420MHz;两组高速异步串行通信端口,可以在 5 组管脚之间进行切换,分时复用可当 5 组串口使用;各种接口扩展齐全,一根 USB 线实现系统供电、程序下载及通信功能。单片机实物图及引脚图如图 2-5、图 2-6 所示:5图 2-5 IAP 单片机实物图图 2-6 IAP 单片机引脚图62.4 单片机最小系统对于一个单片机系统,能够工作的前提是
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