1、基于at89c51对stc89c51单片机超声波传感器完成测距系统制作的温度补偿精度设计论文大学论文华北理工大学轻工学院Qing Gong College North China University of Science and Technology 毕业设计说明书 设计题目： 学生姓名： 学 号：专业班级： 学 部： 指导教师： 2016年6月5日摘要本次设计主要是利用STC89C51单片机、超声波传感器完成测距系统的制作，利用超声波对距离的检测，将前方物体的距离探测出来。通过DS18B20进行温度补偿，减少温度带来的干扰，提高测量精度。以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化
2、数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。测距系统采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。数据经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。关键词：超声波传感器、STC89C51、DS18B20 1 绪论近些年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量越来越重要。伴随经济和科技的飞速发展，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，市场需求量大，测量精度高，测量误差小，所以备受青睐。1.1 课题背景及研究意义 超声波指的是20kHz以上的声波。超声波同样遵循一般机械波在介质中的传播规律，比如在介质的分界面处发生折
3、射及反射现象，进入介质后而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。由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。虽然近些年来科技飞速发展，但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的
4、方向发展，以满足日益发展的社会需求。超声波测距可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，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，所以就有必要装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在的研究上
5、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，因此在超声波测距预警的研制方面也得到了广泛的应用。1.2 研究步骤超声波在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。但在空气介质中的传播速度受温度影响，并且在空气中传播信号强度衰减较快，测量距离越大误差越大。因此，本测距仪预期测量范围0.11m，测量精度为1cm，且要具有较好的重复性。测量结果利用LED显示。设计一个超声波测距系统,由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出发射点到障碍物的实际距离。超声波测距系统根据设计要求并综合各方面因素，采用单片机作为主控制器，控制
6、超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，设计要进行近距离测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器。（1）硬件电路设计硬件电路主要分为单片机系统、显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、温度补偿五部分。单片机系统输出信号驱动超声波发射电路发射超声波，超声波接收电路接收反射回来的超声波信号，再经单片机系统计算，将结果送至显示电路。（2）软件设计软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序及显示子程序、温度补偿程序组成。超声波主程序用于设置定时器的初值和工作方
7、式等。之后，调用超声波发生子程序发出一个超声波脉冲。一旦接收到返回超声波信号，立即进入超声波接收子程序，并调用显示子程序。(3)调试程序硬件电路制作完成且程序编译下载之后，根据实际情况对程序内数据做出修改。硬件调试和软件调试同步进行，在软件调试过程中排除明显的硬件错误，然后对系统程序进行优化调整。2 总体方案设计 本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为超声波、按键控制、四位数码管显示、报警、DS18B20温度补偿等子模块。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应
8、用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包进行比较处理。然后控制蜂鸣器报警。系统总体的设计方框图如图1所示。 图1 系统总体方框图电源STC89C51主控制器模块超声波传感器模块按键控制DS18B20温度补偿4位数码管显示模块 蜂鸣器报警模块 2.1 硬件设计2.1.1 主控制器模块方案1： 选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而超声波测距对处理速度
9、要求不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案2： 采用单片机作为整个系统的核心，用其处理超声波数据，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现超声波测距，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。在综合考虑了传感器等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单
10、片机的资源。 综上所述，我们选择了方案2。2.1.2 电源模块 由于本系统采用电池供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。方案1：采用12V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在使用极为不方便。因此我们放弃了此方案。方案2：采用4节1.5 V干电池共4.5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。综上所述采用方案22.1.3 显示模块方案1：用LCD液晶进行显示。LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。对于此系统我们显示要求并
11、不是很高，用LCD显示没有充分发挥出LCD的显示优势，因此我们放弃了此方案。方案2： 用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。在这里我们需要显示的是测得的距离值和温度值，用数码管显示足以满足要求，因此我们选择了此方案。2.1.4 温度补偿模块方案1： 采用PT100作为温度补偿电路的温度传感器。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温的，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。但使用起来比较复杂。方案2： 采用DS18B20作为温度补偿电路的温度传感器。DS18B20的数字温度输出通过 “ 一线 ”
12、总线（ 1-Wire是一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线）这种独特的方式，可以使多个 DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 通过比较，DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择方案2。2.1.5 报警模块方案1： 采用语音芯片提示，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
13、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22.2 最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：1、主控芯片采用STC89C52单片机作为主控制器。2、用3节干电池供电。3、用数码管显示。4、采用DS18B20做温度补偿。3 硬件实现及单元电路设计3.1 主控制模块主控制最小系统电路如图5所示。 图2 单片主控电路3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写，下载程序较为方便；STC51单片机
14、内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图3图4所示：图3 时钟电路 图4 复位电路由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。3.3 超声波测距模块 超声波模块采用现成的超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 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，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过
15、 IO 口 ECHO 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。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。实物如下图5。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。图5 超声波模块实物3.3.1 超声波的基本特性超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。超声波的基本特性如下所述：1 波长波的传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是3108m/s，而声波在空气中的传播
16、速度很慢，约为344m/s (20时)。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。2 反射要探测某个物体是否存在，超声波就能够在该物体上得到反射。由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100的超声波，因此我们可以很容易地发现这些物体。由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因此很难利用超声波探测到它们。同时，由于不规则反射，通常可能很难探测到凹凸表面以及斜坡表面的物体，这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所，并且测试物体必须反射超声波。3 温度效应声波传播的速度“c
17、”可以用下列公式表示。c=331.5+0.607t (m/s)式中，t=温度 ()也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的，尤其冬季室内外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用18B20作温度补偿来减小温度变化所带来的测量误差，考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要是用于实现避障功能，对测量精度要求不高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。4. 衰减传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。
18、如图11所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。T/R-40-12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10cm500cm，理想的避障范围是10cm100cm,由于所购买玩具小车的回转半径为40cm所以实际壁障安全距离应设在50cm80cm之间。图6 声压在不同距离下的衰减特性3.3.2 超声波的电器特性1声压特性声压级 (S.P.L.) 是表示音量的单位，利用下列公式予以表示。
19、S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”为有效声压 (bar)，“Pre”为参考声压 (210-4bar)如图12所示为几种常用超声波传感器的声压图。图7 超声波传感器的声压图2灵敏度特性灵敏度是表示声音接收级的单位，使用下列公式予以表示。灵敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”为所产生的电压 (Vrms)，“P”为输入声压(bar)。超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围，如图8所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图，从图中可以发现40KHz时传感器的声压级最高，也就是说40KHz时所对应的灵敏度最高。图8 超声波传感器灵敏度示意图3辐射特性把超声波传感器安装
20、在台面上。然后，测量角度与声压 (灵敏度) 之间的关系。为了准确地表达辐射，与前部相对比，声压 (灵敏度) 级衰减6dB的角度被称为半衰减角度，用1/2表示。超声波设备的外表面尺寸较小易于获得精确的辐射角度。如图9所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。图9 超声波传感器辐射特性示意图分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度，这为设计中选择合适的超声波传感器指明了方向。3.3.3 超声波的工作原理市面上常见的超声波传感器多为开放型，其内部结构如图10所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶
21、瓷片组成的双压电晶片元件振动器。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。图10 超声波传感器内部结构图图11 避障原理 如图15所示，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
22、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：s=340t/2就是所谓的时间差测距法图12 超声波接口电路图3.4 声音报警电路的设计如下图所示，用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的P13引脚上，构成声音报警电路，如图13示为声音报警电路。图13 声音报警电路图3.5 显示模块 显示模块采用数码管显示接口电路如图14图14 数码管电路3.6 温度补偿电路 温度采用DS18B20传感器进行测量，P2.4接DS18B20数据总线，控制DS18B20进行温度转换和传输数据,同时数
23、据总线上还接10k的上拉电阻。本系统对DS18B20采用外部供电，其优点在于I/O线不需要强上拉，而且总线控制器无需在温度转换期间一直保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据传输，硬件结构如图15所示图15 温度传感器接口电路图4 系统软件设计方案如图16所示为超声波测距主程序流程图。图16 系统软件的整体流程图4.1 DS18B20初始化程序流程图在DS18B20工作之前需要进行初始化，流程图如17： 图17 初始化程序流程图4.2 超声波温度和速度的关系温度（）超声波的速度（m/s）近似值C=331.3+0.606*T-20319.18319-19319.786-1832
24、0.392-17320.998-16321.604-15322.21322-14322.816-13323.422-12324.028-11324.634-10325.24325-9325.846-8326.452-7327.058-6327.664-5328.27328-4328.876-3329.482-2330.088-1330.6940331.33311331.9062332.5123333.1184333.7245334.333346334.9367335.5428336.1489336.75410337.3633711337.96612338.57213339.17814339.7
25、8415340.3934116340.99617341.60218342.20819342.81420343.4234321344.02622344.63223345.23824345.84425346.4534726347.05627347.66228348.26829348.87430349.4835031350.08632350.69233351.29834351.90435352.5135336353.11637353.72238354.32839354.93440355.5435641356.14642356.75243357.35844357.96445358.575 温度补偿程序
26、void init2() /T2CON=0x0c; RCAP2H=(65536-5)/256; RCAP2L=(65536-5)%256; TH2=(65536-5)/256; TL2=(65536-5)%256; EA=1; ET2=1; TR2=1; / PT2=1; /T2设为高优先级 void main() init1(); /液晶初始化 xianshi(); /温度字母 init2(); /T2初始化 tx=0; IT0=0; /外部中断低电平触发 init(); /定时器初始化 while(1); void timer1() interrupt 3 tx=tx; k+; if(k=
27、3) k=0; TR0=0; TR0=1; delaynus(6); /除共振 EX0=1; /for(d=0;d=0&TZ10&TZ20&TZ30&TZ40&TZ0;d-); TH0=0x00; TL0=0x00; ET1=1; TR1=1; O+; if(O=100) O=0; TR1=0; ET1=0; TR2=1; ET2=1; void timer0() interrupt 1 /计时 TR1=0; TR0=0; TH0=0X00; TL0=0X00; TR1=1; void timer2() interrupt 5 TF2=0; EXF2=0; TR2=0; ET2=0; / xi
28、anshi(); /温度字母 readyread(); TL=readonechar(); TH=readonechar(); TZ=TH*16+TL/16; xianshiwen(TZ); delay(10); TR1=1; ET1=1; 6 系统的安装与调试6.1 安装步骤1.检查元件的好坏按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。调试的步骤是先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作。 要获得良好的焊接质量，必须讲焊接的顺序和要点记清，严格按照
