895191571基于单片机的超声波测距毕业设计论文

1、毕业设计前言 单片机(Microcontroller,徽控制器)的出现无疑是近代计算机技术发展史上的重要事件，它使嵌入式计算机系统实现了单片集成，并促进通用微处理器（CPU）向嵌入式微处理器发展，如今，嵌入式微控制器与嵌入式微处理器形成了嵌入式系统中两个重要组成部分。它的形成与发展，使现代电子技术进入到一个崭新的智能化时代，并推动了计算机外围器件的发展。这些外围器件包括诸如传感器接口通道的大信号输出的传感器，数字化、智能化、集成化传感器、各种类型的模数转换器，集成化数据采集器，V/F转换器、跟踪/保持器、多路选择器、基准电源等，人机对话的各种键盘驱动器、LED/LCD 显示驱动器及相应的显示模块，语音合成器件、伺服控制通道接口的数据转换器、F/I转换器、以及形形色色的电子电力集成器件、数据通信通道接口各类电平转换与驱动等等。而单片机作为嵌入式控制模块，它应用于许多电器之中，如冰箱、微波炉、彩电、空调等，还有其他大型电器。单片机已成为高科技领域中的有力工具，已开始在工业测、控系统，机器人感觉系统、行走系统，分布式测控系统，快速多机实时处理系统和图像系统中成为不可缺少的重要组成部分。超声波

2、传感技术可以方便的应用在工业测、控系统，机器人感觉系统、行走系统中。人类的耳朵只能分辨频率为20至2万赫兹的声音，频率比人的听频范围高的声波就叫做超声波。不同的动物可听到的声波频率范围不尽相同。超声波对于蝙蝠更为重要，这种动物是靠超声波来“看”世界! 蝙蝠先会发出一连串超声的尖叫声，声波遇到障碍物便会反射，就像我们向山谷拍手会听到回声一样。由于超声波的频率高，相对较少出现绕射现象，所以回声十分清晰。蝙蝠分析回声的方向和回传时间，便可以知道环境的精确图像。同样的道理，可以更改频率获得能在空气中传播的超声波，这样的声波遇到障碍物的时候返回，因此，通过分析时间间隔的大小可以获得本体与障碍物间的距离，这样的检测称为无接触测量技术，有广泛的运用场合。 因此超声波装置尤其适用于存在/非存在监测、精确距离监测，或其它类型传感技术不能很好的发挥作用的应用领域，如监测透明或发光物体、充满雾气或尘埃的空气，或是喷射状液体，而且随着性能的提升，可以进一步取代其他的检测方式，以其便捷性和精度高等优势成为一种理想和被推荐的检测，有更广的应用前景。 目前，人们已经制成了许多超声波发生器。超声波发生器可以分为两大类

3、：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。1方案选择的论证和选择1.1设计方案一：采用单片机来控制的超声波测距仪采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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的距离(s)，即：原理框图如1-1所示：开始测量超声波信号开定时器关定时器数据运算显示器接收检测电声换能器电声换能器驱动电路图1-1采用单片机来控制的超声波测距仪1.2设计方案二：采用CPLD来控制的超声波测距仪采用CPLD来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用VHDL（Very High Speed Integrated Cir

4、cuit Hardware Description Language）编写程序使用MAX+plus II软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高频率可达175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。充分利用了其多达128个宏单元、68pin可编程I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测距结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPROM，那么设计的成本较高。同时在FPGA中还要用硬件描述语言(VHDL语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。1.3 方案设计三：采用锁相环频率合成技术采用锁相环频率合成技术，也可以实现我们所需要的超声波测距仪。具体方案如下：首先通过频率合成技术产生超声波所需要的频率，在通过信号线将采用锁频率相合

5、成技术得到的频率引到超声波的发射头上，这样就可以实现超声波测距。它的优点就是工作频率可调，也可以达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器通带可变，实现很困难。它的原理如图1-2所示： 图1-2综上所述，因此选择第一种设计方案。2工作原理我们做的是基于单片机的超声波测距仪。用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再用液晶显示屏进行数据的显示。因为声音的速度会随着温度的变化而改变，所以，我们增加了温控装置，即通过温度传感器（18B20），把当前的温度信息传给单片机，再通过一定的算法，得到当前的声音速度。操作者可以通过几个简单的按键完成测量方式的选择（实时监测、手动测量）。由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，在由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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的距离(s)，即：其中，D为换能器与障碍物之间的距离，C为波声传播速度，T为超声波发射到返回

6、的时间间距。本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用AT89C52单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路和数字电路构成超声波发射、接收模块。由键盘，LED显示构成人机对话通道，以及温度传感器来构成由单片机最小系统来控制的超声波测距仪，其结构框图如下：单片机最小系统发射、接收（模拟电路）信号保持（数字电路）温度传感器按键、LCD显示图2-1总结构框图3部分芯片介绍3.1 AT89S52的简介AT89S52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也

7、可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89S52芯片的管脚、引线与功能AT89S52芯片图如图3-1：图3-1AT89S52芯片图3.1.1引脚信号介绍：P00P07 ：P0口8位双向口线P10P17 ：P1口8位双向口线P20P27 ：P2口8位双向口线P30P37 ：P3口8位双向口线访问程序存储器控制信号：当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。ALE地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。外部程序存储器读选取通信号：在读外部ROM时有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号。RST复位信号：当输入的

8、复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。VSS：地线VCC：+5V电源3.1.2 P3口的第二功能如表3-1口线第二功能替代的专用功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4T0定时器0的外部输入P3.5T1定时器1的外部输入P3.6外部数据存储器写选通表3-1 P3口的第二功能3.1.3 AT89S52的总线结构AT89S52的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口部分P3外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。这些管脚构成了三总线形式，即：（1）地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接地址外围为64K字节。16位地址总线由P0经地址锁存器提供低8位地址（A0A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。（2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0口提供。时钟电路ROMRAM定时/计数器CPU并行接口串行接口中断系统P0P1P2P3TXDRXD/INT0/INT1T0T1图3-2 AT89S52结构图T2复位电路（3） 控制总线 （CB）：由部分P3口的第二功能

9、状态和4根独立控制线RESET、ALE、组成。AT89C52结构框图如图3-2所示：3.2温度传感器DS18B20经过综合考虑，我们采用美国达拉斯（Dallas）公司的单线数字温度计传感器芯片DS18B20作为温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同，DS18B20可直接将被测温度转化成数字信号，以供单片机处理，它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。DS18B20具有以下特点。 采用单线技术，与单片机通信只须一个引脚； 通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，简化了分布式温度检测的应用。 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 可通过数据线供电，电压范围为35.5V； 不需备份电源； 测量范围为-55+125度，在-10+82度范围内的误差为0.5度 数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择，可配置实现912V的温度读数； 将12位的温度值转换为数字量所需时间不超过750ms; 用户定义的、非易失性的温度告警设置，用户可自行设定告警的上下限温度； 告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出设计预设告警界限的器件。3.2.1温度传感器（DS18B20）的引脚分布图及其功能 单片机选用Atmel公司常用的单片机芯片AT89S52，它完全可以满足采集、控制、数据处理的需要。 芯片引脚如图3-3图3-3温度传感器引脚图引脚功能说明： NC（1、2、6、7、8脚）：空引脚，悬空不使用； VDD

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