基于單片機(jī)的超聲波測距與溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 PAGE15 / NUMPAGES17 期末課程設(shè)計(jì)學(xué) 院： 軟件學(xué)院 _ _專 業(yè)： 軟件工程 _ _年 級：2009級 _ _課 程： 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù) _ _ 姓 名： 郭漢杰 _ _ _學(xué)號： 8 _ _二一二 年 六 月基于單片機(jī)的超聲波測距與溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本文介紹了基于單片機(jī)STC90C516RD+的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)。采用溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，液晶顯示屏LCD1602C顯示溫度數(shù)據(jù)與來回波的時間，當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時，提取測得的溫度，根據(jù)不同的溫度對超聲波測距系統(tǒng)的聲速進(jìn)行修正。測距時接收到回波，點(diǎn)亮綠色發(fā)光二極管；當(dāng)沒有回波時，定時器溢

2、出，點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管。本文給出了系統(tǒng)總體框架、硬件電路、軟件設(shè)計(jì)和程序流程圖，并在硬件平臺上實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的功能。關(guān)鍵詞STC90C516RD+；超聲波測距；溫度補(bǔ)償；溫度傳感器；液晶顯示器引言超聲波測距系統(tǒng)概述隨著社會的發(fā)展，超聲波測量與控制變得越來越重要。本文采用單片機(jī)STC90C516RD+設(shè)計(jì)了超聲波測距與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。單片機(jī)STC90C516RD+能夠根據(jù)溫度傳感器DS18B20所采集的溫度數(shù)據(jù)來修正測距系統(tǒng)中的聲速，從而使超聲波測得的距離更準(zhǔn)確。同時，當(dāng)溫度高于設(shè)定的溫度時，單片機(jī)啟動蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，并點(diǎn)亮綠色發(fā)光二極管；當(dāng)溫度低于設(shè)定的溫度時，蜂鳴器停止報(bào)警。所有測距和溫度數(shù)據(jù)均

3、通過液晶顯示器LCD1602 顯示出來。當(dāng)收到回波時，測距成功，并在屏幕上現(xiàn)實(shí)來回波的時間與距離，并可看到動態(tài)變化的當(dāng)前溫度和來回波時間；當(dāng)未收到回波時，定時器溢出，測距失敗，在屏幕上顯示出錯。本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要容制作超聲波測距系統(tǒng)，并外加溫度補(bǔ)償使測距更精確。前期制作超聲波發(fā)送與接收電路，經(jīng)過調(diào)試正?？捎煤?，編寫相應(yīng)的超聲波程序，完成對于整個測距系統(tǒng)的控制。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一

4、種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)與顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用11.0592MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P3.4端口輸出低電平，通過硬件電路產(chǎn)生超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷1口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的LCD1602。系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波

5、發(fā)射和接收采用16的超聲波換能器T/R40-16（T為發(fā)射，R為接收），中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件電路制作完成后，使用外加電源調(diào)試，用示波器檢測振蕩電路輸出端是否有一個40KHz的方波。并可檢查CX20106第7引腳在收到回波時是否產(chǎn)生低電平。調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不

6、同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的圍為6150cm，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件主要由單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)和超聲波測距系統(tǒng)組成。其中單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)用到了單片機(jī)、液晶顯示LCD1602、獨(dú)立鍵盤、溫度傳感器DS18B20、蜂鳴器、LED發(fā)光二極管等；超聲波測距系統(tǒng)則包括產(chǎn)生40KHZ的振蕩電路（使用集成芯片CD4011和74LS04組成），超聲波發(fā)送探頭，超聲波接收探頭與超聲波接收芯片CX20106組成。單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)控制模塊控制模塊是整

7、個設(shè)計(jì)方案的核心，它控制了溫度的采集、處理與顯示、超聲波發(fā)送接收電路的啟動與溫度補(bǔ)償。本文選用STC90C516RD+作為控制器件。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是片F(xiàn)lash 為16K，可方便地擦寫100萬次以上，價(jià)格低廉,而且其指令豐富，編譯工具多，仿真環(huán)境好。因此被廣泛地應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。溫度數(shù)據(jù)采集模塊溫度由DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20 采集。DS18B20 測溫圍為-55C+125C，測溫分辨率可達(dá)0.0625C，被測溫度用符號擴(kuò)展的16 位補(bǔ)碼形式串行輸出。CPU 只需一根端口線就能與諸多DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。DS

8、18B20 部有一個9 字節(jié)的高速存儲器用于存儲溫度值。其中前兩個字節(jié)是測得的溫度數(shù)據(jù)，第1 字節(jié)的容是溫度的低八位，第2 字節(jié)是溫度的高八位，第3 和第4 字節(jié)是溫度上限TH 與溫度下限TL 的易失性拷貝，第5 字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的容在每一次上電復(fù)位時被刷新，第6、7、8 這三個字節(jié)用于部計(jì)算，第9個字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)，可用來保證通信的正確性。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)出后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在此存儲器的第1 和第2 個字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，其中高5 位是符號位，中間7 位是整數(shù)位，最低4 位是小數(shù)位。DS18B20

9、最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，因此對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。時序包括：初始化時序、讀時序、寫時序。每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從單片機(jī)啟動寫時序開始，如果要求DS18B20 回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，單片機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20 的時序與命令請參考文獻(xiàn)。溫度數(shù)據(jù)采集模塊中溫度傳感器DS18B20 的DQ端接P2.6。液晶顯示LCD1602C：LCD1602C是2 行16 個字符的字符型LCD 顯示器，它由32 個字符點(diǎn)陣塊組成，每個字符點(diǎn)陣塊由57 或510 個點(diǎn)陣組成，可以顯示ASCII 碼表中的所有可視的字符。它置了字符產(chǎn)生器ROM

10、(Character Generator ROM,CGROM)、字符產(chǎn)生器RAM (CharacterGenerator RAM, CGRAM)和顯示數(shù)據(jù)RAM(Data Display RAM, DDRAM)。CGROM 中置了192個常用字符的字模，CGRAM 包含8 個字節(jié)的RAM，可存放用戶自定義的字符，DDRAM 就是用來寄存待顯示的字符代碼。DDRAM 地址與顯示位置的對應(yīng)關(guān)系以與LCM1602 的指令與讀寫時序可參考文獻(xiàn)。顯示模塊LCD1602C 的DB0DB7 數(shù)據(jù)端口接AD0AD7，數(shù)據(jù)命令選擇端RS 接P2.0，讀寫選擇端接P2.1，使能信號接P2.2,被光控制接P2.5，

11、LCD1602C上的VO、RST 接電源+5V，GND 接地。LED發(fā)光二極管：蜂鳴器：獨(dú)立式鍵盤：超聲波測距的設(shè)備超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計(jì)時，單片機(jī)選用STC90C516RD+，經(jīng)濟(jì)易用，便于編程。硬件設(shè)計(jì)上為減輕處理器負(fù)擔(dān)，不采用軟件方法，而使用硬件電路產(chǎn)生40KHZ的方波驅(qū)動超聲波傳感器。超聲波發(fā)射電路：發(fā)射電路主要由集成芯片與非門CD4011、反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P3.4端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換

12、能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。發(fā)射電路圖如下：壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波檢測接收電路：接收

13、電路圖：超聲波接收處理電路采用集成電路CX20106。CX20106為紅外接收專用集成電路,在此利用CX20106作為超聲波傳感器接收信號的放大檢波裝置,亦取得良好的效果。CX20106采用8腳單列直插式塑料封裝,含前置放大、限幅放大、自動偏置、通帶濾波、峰值檢波、積分比較與施密特整形輸出等電路。CX20106的總放大增益約為80 dB,以確保其7腳輸出的控制脈沖序列信號幅值在正常圍。只要CX20106接收到與其中心頻率相符的超聲波信號時, 7腳就輸出低電平。7腳輸出的脈沖下降沿接單片機(jī)INT1口。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)控制流程超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接

14、收中斷程序與顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時間（超聲波測距時），本文控制程序采用C語言編程。主程序調(diào)用了5個主要的子程序，分別是LCD 顯示程序、按鍵掃描與處理程序、溫度采集程序、超聲波發(fā)送子程序、報(bào)警程序。LCD 顯示程序，用于溫度和距離等數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示；按鍵掃描與處理程序，實(shí)現(xiàn)按鍵識別、按鍵輸入與相關(guān)處理；溫度采集程序負(fù)責(zé)把DS18B20所采集的現(xiàn)場溫度讀入到指定的數(shù)組中；超聲波發(fā)送子程序，在P3.4引腳發(fā)出一個低電平，使硬件電路產(chǎn)

15、生40KHZ的方波，從而驅(qū)動超聲波發(fā)射端；報(bào)警程序，對當(dāng)前距離與設(shè)定的報(bào)警距離進(jìn)行比較，若低于設(shè)定值，則蜂鳴器開始報(bào)警。本次單片機(jī)溫控系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。系統(tǒng)軟件的功能又可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件，它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件，它是用來完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測量、顯示等功能。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。本文將各執(zhí)行模塊一一列出，各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。兩軟件分為部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如下圖。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定

16、時中斷服務(wù)子程序完成超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。3.2 超聲波測距儀的算法設(shè)計(jì)主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T1工作模式為16位定時計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口使能端P1.5置位。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷1接收返回的超聲波信號。由于采用的是11.0592 MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個數(shù)時間約為1s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T1中的數(shù)

17、（即超聲波來回所用的時間）按公式計(jì)算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計(jì)測試時取20時的聲速為344 m/s則有：d=(ct)/2=172*T1/10000cm （其中，T1為計(jì)數(shù)器T1的計(jì)算值。）聲速c與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。若測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返時間，即可求得距離。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，可進(jìn)行溫度被償。這里用DS18B20測量環(huán)境溫度，根據(jù)不同的環(huán)境溫度確定一聲速提高測距的穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，可在軟硬件上采用抗干擾措施。不同溫度下的超聲波聲速表：測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制送往

18、LCD1602顯示一段時間，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語言編寫。主要子程序與主程序：void display(uint t_emp) /顯示距離 uint q,b,s,g; q=t_emp/1000; b=(t_emp%1000)/100; s=(t_emp%100)/10; g=t_emp%10; write_1602com(0 x80+0 x40+9); write_1602dat(numq); delay(5); write_1602dat(numb); delay(5); write_1602dat(nums); delay(5)

19、; write_1602dat(numg); delay(5);write_1602dat( );delay(5);write_1602dat(C);delay(5);write_1602dat(M);void alarm(void) /報(bào)警 if(S=0&temp=100&temp=200&temp300)speed=0.01745;S=time*speed-2;display(S); alarm(); ledg=1;delay(10);ledg=0;EA=1; delay(10); 結(jié)束語本文詳細(xì)講述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并給出了相關(guān)程序流程。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，簡單使用，可以應(yīng)用在倒車?yán)走_(dá)、機(jī)

20、器人或小車避障等方面。另外，如果把本設(shè)計(jì)方案的電源電壓提升，則可以測得更遠(yuǎn)的障礙，若使用防水型超聲波探頭，則可以進(jìn)行水下探測，將具有更大的應(yīng)用價(jià)值。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)與顯示電路、超

21、聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用11.0592MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P3.4端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷1口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的LCD1602。超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P3.4端口輸出的低電平信號，40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采

22、兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的TR標(biāo)志。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和