畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)--基于STC89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 基于STC89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀 姓 名： 姜依浩 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 學(xué) 院： 繼續(xù)教育學(xué)院 學(xué)習(xí)形式： 自考 助學(xué)單位： 指導(dǎo)教師： 王秀麗 目 錄摘要1前言3第一章 緒論411 選題背景與意義412 研究現(xiàn)狀413 研究?jī)?nèi)容5第二章 總體設(shè)計(jì)621 系統(tǒng)框圖622 超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)要求623 使用元件選擇6第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)731 超聲波傳感器電路模塊7maxbook118com HC-SR04實(shí)物圖7maxbook118com HC-SR04的主要技術(shù)參數(shù)7maxbook118com HC-SR04內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理8maxbook118com

2、發(fā)射電路的設(shè)計(jì)8maxbook118com 接收電路的設(shè)計(jì)832 溫度傳感器模塊9maxbook118com DS18B20實(shí)物圖與引腳定義9maxbook118com DS18B20的主要特性10maxbook118com DS18B20的工作原理1033 數(shù)碼管顯示模塊11maxbook118com 七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)與工作原理11maxbook118com 七段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)和顯示方法1134 STC單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊13 maxbook118com STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)13maxbook118com STC89C51單片機(jī)的主要特性13第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1541 系統(tǒng)軟件總設(shè)計(jì)

3、1542 傳播時(shí)間的獲取1643 DS18B20對(duì)溫度的補(bǔ)償1744距離的計(jì)算21第五章 總結(jié)與分析22參考文獻(xiàn)23致謝24附錄25摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展超聲波在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用范圍越來越廣目前離我們生活最近的超聲波應(yīng)用就是測(cè)距超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒建筑工地工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量本論文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀該儀器以空氣中超聲波的傳播速度為已知條件利用反射超聲波測(cè)量待測(cè)距離本設(shè)計(jì)利用超聲波傳感器HC-SR04發(fā)射超聲波并接收回波的方式統(tǒng)計(jì)超聲波傳輸?shù)臅r(shí)間采用STC89C51單片機(jī)作為控制核心結(jié)合溫度傳感器DS18B20采集的溫度信息將聲速做相應(yīng)的補(bǔ)償并計(jì)算

4、出距離最后通過4位數(shù)碼管將所測(cè)距離信息顯示出來根據(jù)結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求基于STC89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵詞STC89C51 超聲波傳感器 DS18B20AbstractWith the rapid development of science and technology the scope of application of ultrasound in the production and everyday life is wider At present what is the most common to our life in the application

5、of ultrasound is the distance measurement Ultrasonic distance measurement is mainly used in reversing reminder construction sites industrial sites and other distance measurement This paper designed a ultrasonic range finder based on STC89C51 the instrument treats the speed of ultrasonic propagation

6、in the air as the known conditions using the reflected ultrasonic measurement testing distance This design uses ultrasonic sensor HC-SR04 emission ultrasonic and receiving the echo statistics ultrasonic transmission time using the STC89C51 as the control core Combined with the collected temperature

7、information which will be the speed of sound corresponding compensation And calculate the distance Finally the measured distance information will be displayed by 4 digital tube According to the result this design reach the expected requirements the ultrasonic range finder based on the STC89C51 can b

8、e achievedKey words STC89C51 ultrasonic sensor DS18B20前言實(shí)際生產(chǎn)生活中人們往往需要對(duì)物體間的距離進(jìn)行精確測(cè)量本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)可以實(shí)時(shí)看到距離的超聲波測(cè)距儀測(cè)距精度為2cm最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到2m本設(shè)計(jì)的測(cè)距儀分為多個(gè)模塊超聲波傳感器模塊溫度測(cè)量模塊微處理器模塊和數(shù)碼管顯示模塊超聲波傳感器中的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波遇到障礙物返回并被接收電路模塊接收到單片機(jī)統(tǒng)計(jì)出聲波傳輸所用時(shí)間結(jié)合溫度傳感器所測(cè)溫度計(jì)算出實(shí)時(shí)的聲速并得到正確的待測(cè)距離最后通過數(shù)碼管模塊將待測(cè)距離顯示出來以下為章節(jié)安排第一章提出了本論文的背景和選題意義國(guó)內(nèi)外超聲波測(cè)距儀的發(fā)展現(xiàn)狀

9、以及本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容第二章總體設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)框圖和設(shè)計(jì)要求第三章本設(shè)計(jì)的硬件部分包括超聲波傳感器電路模塊溫度傳感器模塊微處理器模塊和數(shù)碼管顯示電路模塊第四章本設(shè)計(jì)的軟件部分包括系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程圖DS18B20驅(qū)動(dòng)模塊數(shù)碼管顯示和聲速的計(jì)算第五章總結(jié)分析第一章 緒論11 選題背景與意義超聲波可用于非接觸測(cè)量具有不受光電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點(diǎn)利用超聲波在和之間的傳輸來測(cè)量距離對(duì)被測(cè)目標(biāo)無損害而且超聲波傳播速度在大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)超聲波的這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視 目前對(duì)于超聲波精確測(cè)距的需求也越來越大油庫和水箱液面的精確測(cè)量和控制物體內(nèi)氣孔大小的檢測(cè)和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測(cè)等在機(jī)

10、械制造電子冶金航海宇航石油化工等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用此外在材料科學(xué)醫(yī)學(xué)生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位12 研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)從五十年代起對(duì)超聲波測(cè)距進(jìn)行了較多的研究并取得了可喜的成果近年來得益于電子技術(shù)的快速發(fā)展尤其是單片微機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和擴(kuò)展使得原來復(fù)雜的超聲物位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)有了大幅簡(jiǎn)化的可能如采用zilog公司Z86E08單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距數(shù)顯裝置以8098單片機(jī)為核心的智能物位測(cè)量?jī)x等從而使得超聲物位測(cè)量?jī)x的應(yīng)用得到更多的普及近十年來國(guó)內(nèi)外科研人員在超聲波回波信號(hào)處理方法新型超聲波換能器研發(fā)超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了大量理論分析和研究并針對(duì)超聲測(cè)距的常見影響因素提出了溫度補(bǔ)償接收回來串

11、入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測(cè)距精度的措施本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外超聲波測(cè)距研究開發(fā)的狀況研制了一種低成本精度較高的基于STC89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀13 研究?jī)?nèi)容該超聲波測(cè)距儀中的超聲波傳感器HC-SR04中的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波遇到障礙物返回并被接收電路模塊接收到STC89C51單片機(jī)統(tǒng)計(jì)出聲波傳輸所用時(shí)間結(jié)合溫度傳感器DS18B20所測(cè)溫度計(jì)算出實(shí)時(shí)的聲速并得到正確的待測(cè)距離最后通過數(shù)碼管模塊將待測(cè)距離顯示出來該超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)要求如下 1 設(shè)計(jì)制作超聲波發(fā)射和接收電路 2 設(shè)計(jì)制作單片機(jī)系統(tǒng)帶有數(shù)碼管顯示電路 3 編寫單片機(jī)程序計(jì)算和顯示距離第二章 總體設(shè)計(jì)21 系統(tǒng)框圖 本設(shè)計(jì)超聲

12、波傳感器使用HC-SR04溫度傳感器使用DS18B20微處理器使用STC89C51單片機(jī)顯示部分采用共陽數(shù)碼管超聲波傳感器HC-SR04中集成的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波遇到障礙物返回最后被接收電路模塊接收STC89C51單片機(jī)統(tǒng)計(jì)出聲波傳輸所用時(shí)間結(jié)合溫度傳感器DS18B20所測(cè)溫度計(jì)算出實(shí)時(shí)的聲速并得到正確的待測(cè)距離最后通過4個(gè)共陽數(shù)碼管將待測(cè)距離顯示出來 圖21 系統(tǒng)基本框圖22 使用元件選擇由于測(cè)量距離的精度和長(zhǎng)度要求不是很高精度達(dá)到2cm測(cè)量距離達(dá)到2m即可因此超聲波傳感器選用價(jià)格低廉且實(shí)用的HC-SR04即可控制核心部分選擇實(shí)用的STC89C51單片機(jī)即可滿足計(jì)算和控制要求用于溫度補(bǔ)償

13、的溫度傳感器選擇普遍且實(shí)用的DS18B20因?yàn)轱@示只需要將距離顯示出來就可以了所以顯示部分選擇了四只共陽數(shù)碼管第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 該超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括以下模塊超聲波傳感器電路模塊微處理器模塊溫度傳感器模塊和數(shù)碼管顯示電路模塊31 超聲波傳感器電路模塊HC-SR04超聲波傳感器模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能測(cè)距精度可高達(dá)3mm模塊包括超聲波發(fā)射器接收器與控制電路maxbook118com HC-SR04實(shí)物圖圖31 HC-SR04超聲波模塊實(shí)物圖maxbook118com HC-SR04的主要技術(shù)參數(shù)所用工作電壓直流5V電壓工作靜態(tài)電流小于2mA電平輸出高電平為5V

14、低電平為0V感應(yīng)角度不大于15度探測(cè)距離及精度2cm-450cm高精度可達(dá)3mmmaxbook118com HC-SR04內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理 圖31 HC-SR04發(fā)射電路圖 圖32 HC-SR04接收電路圖該超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路工作原理如圖所示該傳感器主要包括兩大部分發(fā)射電路和接收電路采用IO觸發(fā)測(cè)距給至少10us的高電平信號(hào)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回當(dāng)接收到回波時(shí)通過IO輸出一高電平高電平持續(xù)的時(shí)間t就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間測(cè)試距離s tv 2v是超聲波在空氣中傳播的速度maxbook118com 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)超聲波傳感器的發(fā)射電路主要由方波發(fā)生

15、芯片40kHz的晶振和MAX232芯片構(gòu)成單片機(jī)給方波發(fā)生芯片觸發(fā)信號(hào)后方波發(fā)生芯片開始工作產(chǎn)生40kHz的方波信號(hào)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)振蕩器的高電壓進(jìn)而產(chǎn)生所需的40kHz的超聲波maxbook118com 接收電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中選用的TL740C芯片采用了前置放大電路帶通濾波電路后級(jí)放大電路將接收到的波形經(jīng)過整形積分檢波濾波和限幅放大等實(shí)現(xiàn)接收超聲波的功能當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)回波信號(hào)會(huì)非常微弱轉(zhuǎn)換后的信號(hào)電平幅值很小故要經(jīng)過若干級(jí)放大使輸出功率達(dá)到一定要求并且為了防止信號(hào)出現(xiàn)較大的失真接收電路可以保證有4MHz的帶寬放大后的交流信號(hào)送入比較器后輸出一個(gè)方波信號(hào)并使觸發(fā)

16、器觸發(fā)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求在中斷服務(wù)程序中讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值結(jié)合溫度補(bǔ)償后的聲速計(jì)算出測(cè)距儀距離障礙物的距離32 溫度傳感器模塊maxbook118com DS18B20實(shí)物圖與引腳定義 圖33 DS18B20實(shí)物圖DS18B20各引腳描述管腳號(hào)符號(hào)功 能1GND電源地2DQ數(shù)據(jù)輸入輸出3VDD電源可選表31 DS18B20管腳描述DS18B20數(shù)字溫度計(jì)以9位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值通過一根單線接口發(fā)送和接收信息因此在單片機(jī)和DS18B20之間僅需一條連接線加上地線用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得無需外部電源maxbook118com DS18B20的主要特性獨(dú)特的單線接口僅

17、需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應(yīng)用 無需外部器件可通過數(shù)據(jù)線供電 零待機(jī)功耗 測(cè)溫范圍-55125華氏器件-67257以09遞增溫度以9位數(shù)字量讀出溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms典型值 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度溫度報(bào)警條件的器件應(yīng)用包括溫度控制工業(yè)系統(tǒng)消費(fèi)品溫度計(jì)或任何熱感測(cè)系統(tǒng)maxbook118com DS18B20的工作原理 圖34 DS18B20測(cè)溫原理DS18B20測(cè)溫原理如圖34所示圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖

18、輸入計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)停止溫度寄存器值的累加此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度33 數(shù)碼管顯示模塊maxbook118com 七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)與工作原理七段數(shù)碼管一般由8個(gè)發(fā)光二極管組成其中由7個(gè)細(xì)長(zhǎng)的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示另外一個(gè)圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點(diǎn)當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)光控制相應(yīng)的二極管導(dǎo)通就能顯示出各種字符其控制簡(jiǎn)單使用非常方便發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管 圖34 7段數(shù)碼管內(nèi)部字段LED和引腳分布maxbook118com 七段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)和顯示方法發(fā)光二極管LED是一種由砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成的能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件當(dāng)期內(nèi)部有電流通過時(shí)就會(huì)發(fā)光 圖35 數(shù)碼管顯示電路34 STC單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊maxbook118com STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)STC89C51單片