基于51单片机的超声波测距仪之倒车雷达作品设计毕业论文.docx
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基于51单片机的超声波测距仪之倒车雷达作品设计毕业论文
基于51单片机的超声波测距仪
之倒车雷达作品设计毕业论文
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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日期:
年月日
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涉密论文按学校规定处理。
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日期:
年月日
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日期:
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注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要:
超声波具有指向性强,能量消耗缓慢,传播距离较远等优点,所以,在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中,超声波测距是目前应用最普遍的一种,他广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。
本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性,以及STC公司的STC89C52的单片机的性能和特点,并在分析了超声波测距的原理的基础上,指出了设计测距系统的不足并加以改进,将温度引起的误差考虑在内并且加以修正,给出了以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、液晶显示超声波测距系统的硬件电路和软件设计方法。
该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单并且做到了可设计报警范围的功能,在测量精度方面能达到工业使用的要求。
关键词:
单片机;液晶显示;报警;测距
Ultrasonicdistancemeasurementbasedonsinglechip
Abstract:
Ultrasoundhasastrongpoint,theenergyconsumptionoftheslowspreadoftheadvantagesofdistance,sotheuseofsensortechnologyandautomaticcontroltechnology,theprogramcombinesdistance,ultrasonicdistancemeasurementisthemostcommonone,andhe widelyusedinsecurity,parkingsensor,waterlevelmeasurement,constructionsitesandsomeindustrialsites.
Thissubjectintroducestheprinciplesandcharacteristicsofultrasonicsensors,andmicrocontrollerSTC89C52STC'sperformanceandcharacteristics,andtheanalysisoftheultrasonicdistancemeasurementbasedontheprinciplethatthelackofdesignrangingsystemandmakeimprovements,will intoaccounttheerrorduetotemperatureandshouldbeamendedtoSTC89C52givenlow-costmicrocontrollerasthecore,high-accuracy,liquidcrystaldisplayultrasonicrangingsystemofhardwareandsoftwaredesignmethods. Thesystemcircuitdesignisreasonable,stable,goodperformance,fastdetectionofsimplecalculationandcanbedesignedtoachievethealarmrangeoffunctionstoachieveprecisioninthemeasurementrequirementsforindustrialuse.
Keywords:
microcontroller;LCDdisplay;alarm;ranging
1绪论
1.1研究的背景
单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展,其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出,所以其应用也十分广泛。
单片机已经无处不在、与我们生活息息相关,并且渗透到生活的方方面面,如空调、VCD机、手机、微波炉、自动洗衣机及汽车电子设备等。
单片机的特点是体积较小,也就是其集成特性,其内部结构是普通计算机系统的简化,增加一些外围电路,就能够组成一个完整的小系统,单片机具有很强的可扩展性。
它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能,通过使用一些科学的算法,可以获得很强的数据处理能力。
所以单片机在工业应用中,可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率,而且单片机无需占用很大的空间。
同时,随着社会的发展和进步,超声波测距系统日益重要,应用范围迅速扩大,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,在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力,因此用途极度广泛。
在测绘地形图,建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等,倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如液位、井深、管道长度等场合应用比较普遍。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
1.2研究的主要内容
课题《基于单片机的超声波测距》由51单片机最小系统、超声波测距模块、驱动显示电路、5伏直流稳压电路、温度传感器等组成。
利用超声波测距模块HC-SR04测量距离,并对数据进行分析处理,传给51单片机,再通过1602LCD显示出来,同时电源部分采用5V稳压直流电源。
1.3应解决的关键问题
1、对主要硬件电路设计、制作实物时拟解决的关键问题是:
温度等外界干扰对测距精度的影响。
2、超声波测距采用软件编程实现,通过仿真验证其正确性。
2电路方案论证
2.1方案比较
2.1.1激光测距
激光测距一般采用两种方式来测量距离:
脉冲法和相位法。
脉冲法测距的过程:
测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收,测距仪同时记录激光往返的时间,光速和往返时间的乘积的一半,就是测距仪和被测量物体之间的距离。
相位法测距的过程:
用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离,即用间接方法测定出光经过往返测线所需的时间。
2.1.2超声波测距
超声波测距的原理是利用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计算出发射电到障碍物的实际距离,可见这与雷达测距原理相似。
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。
从以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,软件设计也比较简单,故采用了方案二。
2.2电路总体方案
图2.1是电路总体框图,包括51单片机最小系统,HC-SR04超声波测距模块,1602LCD显示电路,蜂鸣器,按键电路,5V电路。
图2.1电路基本框图
3单片机概述
3.1STC89C52主要性能
STC89C52是STC公司推出的一款超强抗干扰,加密性强,在线可编程,高速,低功耗CMOS8位单片机。
片内含8kbytes的可反复擦写Flash只读程序存储器和256bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大的STC89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
3.2STC89C52外部结构及特性
其外形封装有两种方式:
双列直插式40脚封装(DIP)和方形44脚封装(PLCC),直插式40脚封装(DIP)和外部总线结构如图2和图3所示:
图3.1STC89C52引脚排列图3.2外部总线
STC89C52的4个8位I/O口的功能说明如下:
(1)P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
(2)P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
(3)P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
(4)P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
P3口亦作为AT89C52特殊功能(第二功能)使用,如下所示:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INTO(外部中断0输入口)
P3.3INT1(外部中断1输入口)
P3.4TO(定时器0外部输入)
P3.5TI(定时器1外部输入)
P3.6WR(外部数据存储器写选通信号)
P3.7(外部数据存储器读选通信号)
3.3STC89C52内部组成
STC89C52单片机在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、看门狗和多种功能的I/O口设备的等,相当于一台计算机所需要的基本功能部件。
STC89C52单片机内包含的具体部分如下:
一个8位CPU。
一个片内振荡器及时钟电路。
8KBFlash程序存储器。
256BRAM数据存储器。
三个16位定时器/计数器。
可寻址64KB的外部数据存储器和64KB的外部程序存储器空间的控制电路。
32条可编程的I/O线(4组8位并行I/O端口)。
一个可编程全双工串口通信。
8个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
STC89C52单片机的框图如图3.3所示,各功能部件由内部总线连接在一起。
图3.3STC89C52单片机框图
4超声波测距模块
4.1超声波传感器介绍
超声波是一种频率比较高的声音,由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点,而经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如液位、井深、管道长度等场合。
超声波测距的利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。
超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类,即电声型与流体动力型。
电声型主要有:
1压电传感器;2磁致伸缩传感器;3静电传感器。
流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同,超声传感器的结构形式是多种多样的,并且名称也有不同,例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头,而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成,是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件,是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英,铌酸锂等,属于压电陶瓷的有锆钛酸铅,钛酸钡等。
其具有下列的特性:
把这种材料置于电场之中,它就产生一定的应变;相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以,只要对这种材料加以交变电场,它就会产生交变的应变,从而产生超声振动。
因此,用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片。
当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号,是正压电效应。
前者用于超声波的发射,后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶片产生机械变形,这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说,在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气等媒介,便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
图4.1压电式超声波传感器结构图
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的,超声波发生器内部结构如图2.1所示,它有两个压电晶片和一个共振板,当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。
反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转化为电信号,这时它就成为超声波传感器。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率,即中心频率f0。
发射超声波时,加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样,超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就可非常方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成,其中,压电陶瓷晶片是传感器的核心,锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中,并使传感器有一定的指向角,金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。
金属网也是起保护作用的,但不影响发射与接收超声波。
4.2HC-SR04超声波测距模块的性能特点
HC-SR04超声波测距模块可提供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。
其基本工作原理:
(1)采用IO口TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号;
(2)模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回,通过IO口ECH0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;
(4)当TRIG从0->1时,主控制板启动,当超时10ms时ECH0仍然没有出现150us的0信号,表示没有障碍。
本模块性能稳定,测度距离精确,其主要特点:
(1)超微型,只相当于两个发射,接收头的面积已经没法再小了;
(2)无盲区(10mm内成三角形误差较大,简单可以当做0处理);
(3)反应速度快,10ms的测量周期,不容易丢失高速目标;
(4)发射头,接收头紧靠,和被测目标基本成直线关系;
(5)模块上有LED指示,方便观察和测试。
4.3HC-SR04的管脚排列和电气参数
4.3.1管脚简介
HC-SR04的外形及管脚排列如图4.2所示。
(1)VCC为5V电源;
(2)GND为地线;
(3)TRIG触发控制信号输入;
(4)ECH0回响信号输出。
图4.2外形及管脚排列图
4.3.2HC-SR04的电气参数
电气参数如表4.1所示:
表4.1电气参数表
电气
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