基于单片机的超声波测距仪的设计与实现毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的超声波测距仪的设计与实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

首先 根据实际需要设定 报警距离 ，当使用者 超过 报警距离后自动报警。 以上 都是短距测距， 所以本设计 4m的 测量 距离 完全 可以满足测量需要。 ： 3mm 超声波 测距 可能 因为障碍物不规则 、 温度影响 等原因 影响测量精度，本设计添加了 9 温度补偿模块 ，大大提高了测量精度 ， 知道 老师 要求 精度 优于 1％ ，考虑 到在实际中的应用，我查取了相关资料，觉得控制在 3mm 误差范围内 是比较合适且 可实现的。 自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现 利用数显装置显示障碍物的距离值（以 cm 为单位，误差不超过 1cm）； 了解超声波测距原理，温度补偿实现方法。 当被测距离小于预定的距离时， 向 蜂鸣器 发送信号 报警。 系统基本方案 方案比较 1. 主控制器模块 方案 1： 系统的核心部件 选择一块 CPLD（复杂可编程逻辑器件，诸如 EPM7128LC8415） ，以实现功能的控制和处理。 CPLD 具有速度快、易于编程、资源丰富、 开发周期短等优点，可以用 VHDL 语言开发编写。 与 单片机相比， CPLD 在控制上 有很大的 不足。 还有 ，CPLD 的处 理速度是异常迅速的，但是超声波测距处理速度的要求不会 太高，则 对系统处理信息的 要 求 也不会 过高，在这一点上， MCU足以胜任 了。 使用该 方案 ， 在控制上 会遇到很多困难。 出于这个原因，我们不使用这种方案的， 所以产生 第二 个方案。 方案 2： 机为系统的核心， 用其 超声数据处理，以实现其既定的性能指标。 进行 系统的全面分析，关键在于实现超声波测距，但在这一点上， 单片机展示 了其优势 —— 控制简单 、方便 、 快捷。 其结果是，该微控制器可以充分发挥其 资源 丰富， 有更强大的控制功能和位寻址的操作 功能 ， 价格低廉等特点。 所以 ， 较为理想的是第 二个方案。 综上所述，我们选择了方案 2。 2. 超声波 模块 10 方案 1： 由一块 T4016作为 超声波模块。 此 模块具有 11000cm 非接触式的 测距 功能，但其造价高， 很难有 更 广泛 的应用。 故 放弃 此方案。 方案 2： 使用 HCSR04 来 实现 超声波的 收发 ，它 可以 进行 2— 400cm 的 非接触 式 距离检测 ， 其测距误差不超过 3mm。 该 模块 包含 反射超声波的 超声波发射器 、 接收 回波的 接收器和控制电路。 其 物美价廉 ，测距 精度高， 故采用 第 2 方案。 3. 电源模块 出 于 本设计使用便捷性的考虑，选择便携电源供电，故提出以下两种供电方案。 方案 1： 采用 12V 蓄 电池向系统供电。 蓄 电池 拥 有很强的电流驱动能力，和稳定的电压输出性能。 但 是蓄 电池的体积 太 大，使用非常不方便。 所以我们放弃了这个 方案。 方案 2： 采用 3 节 V 干电池共 做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。 综上所述采用 第 2套方案。 4. 显示模块 方案 1： 数码管 显示。 由于数字显示速度快 、 简单易用 、 简洁的显示 等特点使它得到广泛应用。 在这里我们需要显示的是测得的距离值和温度值以及 报警距离的设置， 不足以 满足使用 需要 ，因此我们放弃了此方案。 方案 2： 使用 LCD1602 液晶显示屏。 由于其清晰的液晶显示屏 、 丰富的内容 、 清晰 地 显示信息 、 便于使用 、 显示 速度快等优点 已被广泛使用。 对于此系统我们要求 不仅能显示测 量距离、温度，还要显示报警距离的设定 ， 故 用 物美价廉 的 LCD1602 显示， 充分发挥出 LCD的显示优势。 因此我们选择了此方案。 11 5. 温度补偿模块 方案 1： 使用 PT100 温度传感器 用于 温度补偿电路。 PT100 铂电阻传感器是利用 其 随温度变化的阻 值、 并 显 现出一定的 函数关系的特点来进行温度补偿的， 具有抗震动 性、 稳定性 、精度高 、 耐高压等特点。 但 其操作较为复杂。 方案 2: 温度补偿电路 使用 DS18B20 作为温度传感器。 通过“ 一 线”总线（ 1Wire 是一种独特的数字信号 的总 线协议，独特的电源线和信号线的复合一起只使用一个口线。 每个芯片独有的编码，支持网络寻址 和 零功耗等待等， 这条总线 需要 的 硬 件 连线 最 少）。 DS18B20数字温度输出这种独特的方法允许多个 DS18B20 容易 建立传 感器网络，从而 提供更多地可能 性给 整个测量系统 的建 立和组合。 这已经比其他的温度传感器在转换时间 、 测量精度 、 分辨率 、传 输距离等 有 了长足的进步，为用户提供了更 便捷 的使用 和更 让 人满意的结果。 相比之下， DS18B20 数字温度直接输出，无需采取纠正措施， 故选择方案 2。 6. 报警模块 方案 1： 使 用语音芯片 进行 提示，优点可以自由设定要提示的声音。 缺点使用复杂，需要专门的编程软件，成本高控制复杂，不便于普及。 方案 2： 采用蜂鸣器提示，电路简单实用，可靠性高。 综上所述我们选择方案 2。 方案汇总 我们最终确定了如下方案： 主控芯片采用 AT89C52 单片机作为主控制器。 使用 HC— SR04 超声波模块 12 用 3 节干电池供电。 用 LCD1602 显示。 采用 DS18B20 做温度补偿。 使用 蜂鸣报警器报警 13 第三章 系统硬件设计 单片机 最小 系统 对单片机的认识源于大一时电子爱好者协会的一次讲座。 当时大三的学长们在做智能车，精彩的演讲和 有趣的知识吸引了我，也让我对单片机产生了兴趣。 他告诉我，单片机就相当于人的大脑，它不能像电脑那样做出特别复杂的运算，但它足以完成很多操作任务。 他当时用的也是 51单片机，因为感觉性能比较稳定，运算速度快，而且物美价廉。 后来通过大三对单片机课程的学习，进一步对 AT89C52 了解，因此本次设计选用AT89C52 作为主控制器。 主 控制系统电路如图 6 所示。 图 6 单片主控电路 单片机 通过发送 信号 来控制主控制电路协调超声波发射模块，超声波接收模块，显示模块，温度模块，报警模块。 超声波测距仪中各模块主要由单片机主控电路进行控制和协调，从而有条不紊的进行工作。 超声波测距模块 使用 现成的 超声波模块 HC— SR04， 它的工作原理是 ： 向 IO 口 TRIG 发送信号 ， 加大于 10us 的高 电平。 该模块 能够自动 发送 8 个 频率 40KHz 的 方波 ， 且处于 工作状态是 检测 是否 有 回波 信号。 如 有 返 回信号 ， 会 在 IO 口 向 ECHO 传输 一个高电平 信号 ， 此 高 电平延续的 时 间 便是 超声波 的 往返 时间。 l（测试距离） =v（声速） t（高电平时间） /2。 实物如下 图 7。 其中 VCC 能够 提 供 ， GND 为 接地 ， TRIG 可以触发输入信号， ECHO 14 则为含有回波信号的四条线。 图 7 超声波模块实物 图 8 超声波 接口 T/R4012型 超声波传感器的震荡频率为 40KHz，传播 10米超声波信号强度便衰减到40个声压级，此时超声波接收探头就很难接收到回波信号。 因此，从理论上分析，本设计超声波测距部分的实际范围是 10cm— 400cm，理想的避障范围 是 10cm— 100cm,所以实际壁障安全距离应设在 50cm— 80cm之间。 图 9 避障原理 图 9中，超声波 指向性地发送一段超声波并计时，超声波经过在空气中传播后，遇到障碍物反射回来被超声波接收器捕捉到，同时停止计时。 利用时间差计算法算出距离。 15 图 10 超声波接口电路图 显示模块 显示模块采用数 LCD1602，连接图如图所示 图 11 LCD显示电路 显示 模块主要用来显示测量的距离值、温度传感器测量的温度值以及 最小 的报警距离。 温度补偿电路 温度 补偿电路 采用 DS18B20传感 器 ， DS18B20数据总线， 由 单片机 控制 DS18B20温度转换和数据的传输，并且将 10k 的上拉电阻连接到数据总线。 该系统采用外接电源 16 DS18B20 的优点是 I / O 接口不需要强拉，总线控制器并不需要在温度很高的 情况下 转换。 因此 转换 在 可以允许 的 范围内， 单线总线上附加数据的传输，如图 15 所示的硬件结构。 图 12 温度 补偿电路 DS18B20 蜂鸣 报警电路 如图 13 所示 ， 蜂鸣报警电路由蜂鸣器、三极管、接到单片机上 P13 引脚上的电阻组成。 图 13 蜂鸣 报警电路图 17 第四章 系统软件设计 AT89C52 程序流程图 如图 14 所示为超声波测距单片机 AT89C52 程序 流程图。 图 14 系统软件的整体流程图 18 流程图具体细分如下： 系统初始化 单片机 AT89C5 LCD160 蜂鸣报警器、超声波测距模块 通过上电 复位 并 自行 运行 单片机清零程序。 发射 超声波 自动读取超声波 测距程序， AT89C52 控制 HC— SR04 指向性 地 发射超声波 并且记录时间，待捕捉到回波时终止计时，算得回波时间。 判断是否检测到回波 超声波 接收电路出于运行状态。 如 超声波接收 电路收到 回波，则 将信号发送到单片机并再次 计时 ， 通过 温度补偿后 的 算式 算得 障碍物 当前距离 ； 如超声波接收电路未在 设定 时间 收到 回波， 则 返回。 显示 显示 距离、当前温度、设置 的 报警距离。 是否 小于超声波报警距离 将 测得距离 与 报警值进行比较，如小于报警值，则进行报警。 再次检测 等待下次报警 19 计算距离 程序流程图 图 15 计算距离 程序流程图 首先调用 温度函 数进行 温度补偿，得到当前温度下的超声波传播速度 v；然后调用 时间函数 t，即超声 波 发射与超声波回波的时间差 ；再 将以上函数代入算式 =vt/2 算得 当前温度下障碍物的距离 ；最后 返回。 报警 电路程序流程图 首先调用 测量函数 l， 然后 与 报警 设定值进行比较 ， 如 测量值 l 小于报警设定值 ，则向蜂鸣器发送报警信号，蜂鸣器进行报警 ； 如 测量值 l 大于 报警距离 ，则不报警，返回调用测量函数。 20 图 16 报警电路 程序流程图 图 17 超声波 回波接收程序流程图 超声波回波接收 程序流程图 如 图 17 所示 ，首 先 单片机控制超声波发射器发射超声波， 同时计时 开始， 超声波 接收器 处 于工作 状态 ， 如接收 到回波，则再次计时，计算 超声波 往返时间差 t； 如未收到超声波回波，则返回超声波放射，重新发射并 计时。 21 第五章 系统 的 调试 与 测试 安装 按电路图 购 买好元件 后， 首先 需要 检 测 元件 是否 完 好。 按 照 各 种 元件 检测 的 方法分别进行检测， 这项任务 虽然重复繁琐，但是我觉得这是必做的工作， 因为只要有一个元件出了问题，设计就不能实现它的功能。 同时 需要细心对照 原理图 ， 使其 一一对应 ， 多次 检查 确保 正确后 才可以 上件、焊件， 以防因 元件错误 不便修正 ，导致功能无法实现。 、焊接 各元件 出于对本设计便携的要求，选用了正好可以容纳所有器件的小块洞洞板。 然后 依照原理图对应放置各元件，此过程中先安放、焊接低层 元件 ， 最后焊高层的和 要求较高的元件。 特别 要注意易损 元件的 焊接 ， 我 把它们放在最后，同时要注意 集成芯片 上 焊接 不能连续焊接 超过 10s， 并且注意芯片的 安装方向。 系统的 调试 打开 电源开关， 电源指示灯亮起， LCD1602 正常显示。 距离 ，温度 28176。 C，设定报警距离。 向 障碍物进一步靠近。 22 当 靠近后，距离显示为 ，发出 蜂鸣警报。 软件调试 正常， 屏幕正常显示 ， 正常工作。 经过 多次 测试 调试，与实际温度对比 、 实际距离对比，该设计能够在一定范围内稳定的工作，并测出距离 ， 并且误差小于 3 毫米。 设计 成功。 23 第六章 总结 在台 老师的悉心指导下， 自己 从初拿 题目 的一头雾水， 到 一步步地学习 、 设计、改正， 再 改正，到 最后 完成 本 设计，这个过程让我 收获良多。 这是我 16 年 的学生生涯中最后一次 完成 作业， 一。