基于单片机的超声波检测设计
基于单片机的超声波检测设计[20200410141202]
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，它广泛应用于防盗、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。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机液晶显示测距Ultrasonicinspectionandmeasurement
目 录
1.绪论 1
1.1研究背景 1
1.2课题研究的目的和意义 2
1.3课题研究的主要任务 2
2.总体设计方案 3
2.1方案选择 3
2.2方案设计 3
3.硬件总体设计 5
3.1控制器介绍 5
3.1.1 STC89C52单片机概述 5
3.1.2 单片机管脚说明 5
3.1.3 STC89C52的复位电路 7
3.1.4 STC89C52的时钟电路 7
3.2超声模块介绍 8
3.2.1 HC-SR04简介 8
3.2.2 HC-SR04工作原理 9
3.2.3 HC-SR04发射电路设计 10
3.2.4 HC-SR04接收电路设计 10
3.3温度传感器介绍 11
3.3.1 DS18B20简介 11
3.3.2 DS18B20电路设计 11
3.4 LCD显示电路设计 12
3.4.1 LCD1602 简介 12
3.4.2 LCD1602显示电路 13
4.软件总体设计 14
4.1测距方案设计 14
4.2系统软件总体设计 14
4.3温度检测模块 16
4.3.1 DS18B20初始化 16
4.3.2 DS18B20数字温度传感器的时序 17
4.3.3 DS18B20读取温度的流程 18
4.4显示模块设 20
4.4.1 LCD时序配置 20
4.4.2 LCD读写函数 20
5.系统调试 22
5.1仿真软件的调试 22
5.2硬件电路板调试 22
总结 25
致谢 27
参考文献 28
附录I硬件电路图 29
附录II 部分程序 30
1.绪论
1.1研究背景
随着时代的发展，单片机凭借着它的稳定性、高校性、经济性、安全性等几大优点迅速兴起，它代表着一个新时代的到来。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。通过它强大数据处理能力，可以解决许多工业中的难题，而且它的工作效率非常高，被各行各业的人们所喜爱。许多科学家相信单片机的发展潜力并不仅限于此，未来它将更加辉煌。
同时，随着社会进步和发展，各式各样的超声波传感器被应用到生活当中，由于超声检测技术是一种非接触检测技术，在医学和工业生产中有着极其广泛的应用，比如B超检测结石、肝硬化、肿瘤，A超检测金属是否有裂纹气泡等。超声波检测是无损的，而且它穿透能力强、动作迅速、灵敏度高、易于控制，符合工业及医学测量的精度要求。目前，从事汽车雷达技术开发的机构有很多，国内外都已有相应的产品。按照工作方式汽车倒车雷达主要有激光测距雷达、超声波测距雷达和红外测距雷达等。它们通过不同的探测方法判断车与障碍物的相对距离，再根据定义好的危险等级做出相应的预警措施。
下面简单介绍几种测距技术：
（1）激光测距雷达：激光具有良好的单色性，相干性，方向性，以及很小的光扩散角，光束的能量集中，传输距离远等特点。但是激光测距方式容易受外界环境的影响降低探测距离和精度，所以激光测距雷达没有得到广泛的应用。
（2）红外线测距雷达：红外线的宏观效应即热辐射。红外线测距通常是将红外线的发射功率调制在一个较低的频率上，根据发射波与回波的相位差计算回波时间，从而达到探测距离的目的。红外线测距雷达成本较低，但是和激光测距雷达一样，容易受到各种环境因素的干扰和影响，特别是在恶劣的环境中探测距离更会受到严重的影响。
（3）超声波测距雷达：超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性极强，由于它的能量衰减比较缓慢，反射能力强，因此它相对于其它两种测距方式具有在介质中传播距离远的优点。超声波测距属于非接触式距离测量，测量方法十分简单，并且用于超声测距的传感器种类繁多，这给开发带来了极大的便利。
1.2课题研究的目的和意义
本文介绍了基于单片机的超声波检测设计。该仪器有效结合了单片机的实时控制和数据处理功能，以及传感器技术、超声波测距技术，经过测量将被控对象与障碍物之前的距离显示到LCD上。此设计可以安装在汽车上，作为汽车测距仪，这样可以让驾驶员直接了解与障碍物间的距离，帮助驾驶员克服后视系统存在的视觉盲区和视线模糊的缺陷，极大程度上提高了驾驶的安全性，符合社会进度的需要。
1.3课题研究的主要任务
本文旨在设计一个基于单片机的汽车倒车测距仪，要求该装置能测量并显示与障碍物的距离，本设计主要完成的内容如下：
1. 确定合理的设计方案；
2. 根据课题要求，选择适用的单片机做主控制器；
3. 选择合适的测距模块；并设计其周围的硬件电路；
4. 以单片机为主设计相关程序；
5. 经过调试，基本完成任务。
主要解决的技术难题为：
1、一个硬件电路设计中的关键问题：测量结果受到环境因素的影响。
2、用软件编程实现超声波测距，并通过仿真来验证。
2.总体设计方案
2.1方案选择
目前，非接触式测距仪常采用超声、激光、红外等方式。红外线测距仪比较容易受到各种环境因素的干扰和影响，使测量结果不是很准确。激光测距仪的成本比较高，而且用起来比较麻烦，不适合在汽车上适用，超声波测距仪相对于以上两种测距仪就更加中庸一些，用起来也比较方便，所以选择超声波测距仪作为本次设计的研究对象。
超声波测距的方法大致有三种，分别是声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间检测法。声波幅值检测法的抗干扰能力不是很强，而相位检测法虽然精度比较高，但检测的范围比较小，本系统选择的是超声波渡越时间检测法。这种方法是计算由超声波发射器发出超声波经过气体介质遇到障碍物再返回接收器的时间来计算出障碍物与车辆的距离，这段时间也叫渡越时间。超声波的传输距离就等于渡越时间与气体中声波传输速度的乘积，该距离的计算公式如下：
d=s/2=vt/2 (2-1)
其中，d为障碍物与车辆之间的距离，s为声波传输的路程，v为声速，t为声波来回的传输时间。由于外界温度会影响超声波的传输速度，所以还需要通过测量外界温度值进
行补偿。超声波传输速度与外界环境温度的关系如下：
v=334.1+0.01t （2-2）
2.2方案设计
本设计选择单片机STC89C52作为主控制器，其发射端的主要工作器件是芯片74HC14里的六路施密特触发反相器。超声波发射器向某一方向发射出超声波，在超声波发送后开始计时，超声波在传播过程中一遇到障碍物就立即返回，当接收器接收到反射后的波形时就立刻停止计时。通常，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 ，通过时间t,很简单就可以得到与障碍物之间的距离。（s=340*t/2）
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，它广泛应用于防盗、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。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机液晶显示测距Ultrasonicinspectionandmeasurement
目 录
1.绪论 1
1.1研究背景 1
1.2课题研究的目的和意义 2
1.3课题研究的主要任务 2
2.总体设计方案 3
2.1方案选择 3
2.2方案设计 3
3.硬件总体设计 5
3.1控制器介绍 5
3.1.1 STC89C52单片机概述 5
3.1.2 单片机管脚说明 5
3.1.3 STC89C52的复位电路 7
3.1.4 STC89C52的时钟电路 7
3.2超声模块介绍 8
3.2.1 HC-SR04简介 8
3.2.2 HC-SR04工作原理 9
3.2.3 HC-SR04发射电路设计 10
3.2.4 HC-SR04接收电路设计 10
3.3温度传感器介绍 11
3.3.1 DS18B20简介 11
3.3.2 DS18B20电路设计 11
3.4 LCD显示电路设计 12
3.4.1 LCD1602 简介 12
3.4.2 LCD1602显示电路 13
4.软件总体设计 14
4.1测距方案设计 14
4.2系统软件总体设计 14
4.3温度检测模块 16
4.3.1 DS18B20初始化 16
4.3.2 DS18B20数字温度传感器的时序 17
4.3.3 DS18B20读取温度的流程 18
4.4显示模块设 20
4.4.1 LCD时序配置 20
4.4.2 LCD读写函数 20
5.系统调试 22
5.1仿真软件的调试 22
5.2硬件电路板调试 22
总结 25
致谢 27
参考文献 28
附录I硬件电路图 29
附录II 部分程序 30
1.绪论
1.1研究背景
随着时代的发展，单片机凭借着它的稳定性、高校性、经济性、安全性等几大优点迅速兴起，它代表着一个新时代的到来。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。通过它强大数据处理能力，可以解决许多工业中的难题，而且它的工作效率非常高，被各行各业的人们所喜爱。许多科学家相信单片机的发展潜力并不仅限于此，未来它将更加辉煌。
同时，随着社会进步和发展，各式各样的超声波传感器被应用到生活当中，由于超声检测技术是一种非接触检测技术，在医学和工业生产中有着极其广泛的应用，比如B超检测结石、肝硬化、肿瘤，A超检测金属是否有裂纹气泡等。超声波检测是无损的，而且它穿透能力强、动作迅速、灵敏度高、易于控制，符合工业及医学测量的精度要求。目前，从事汽车雷达技术开发的机构有很多，国内外都已有相应的产品。按照工作方式汽车倒车雷达主要有激光测距雷达、超声波测距雷达和红外测距雷达等。它们通过不同的探测方法判断车与障碍物的相对距离，再根据定义好的危险等级做出相应的预警措施。
下面简单介绍几种测距技术：
（1）激光测距雷达：激光具有良好的单色性，相干性，方向性，以及很小的光扩散角，光束的能量集中，传输距离远等特点。但是激光测距方式容易受外界环境的影响降低探测距离和精度，所以激光测距雷达没有得到广泛的应用。
（2）红外线测距雷达：红外线的宏观效应即热辐射。红外线测距通常是将红外线的发射功率调制在一个较低的频率上，根据发射波与回波的相位差计算回波时间，从而达到探测距离的目的。红外线测距雷达成本较低，但是和激光测距雷达一样，容易受到各种环境因素的干扰和影响，特别是在恶劣的环境中探测距离更会受到严重的影响。
（3）超声波测距雷达：超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性极强，由于它的能量衰减比较缓慢，反射能力强，因此它相对于其它两种测距方式具有在介质中传播距离远的优点。超声波测距属于非接触式距离测量，测量方法十分简单，并且用于超声测距的传感器种类繁多，这给开发带来了极大的便利。
1.2课题研究的目的和意义
本文介绍了基于单片机的超声波检测设计。该仪器有效结合了单片机的实时控制和数据处理功能，以及传感器技术、超声波测距技术，经过测量将被控对象与障碍物之前的距离显示到LCD上。此设计可以安装在汽车上，作为汽车测距仪，这样可以让驾驶员直接了解与障碍物间的距离，帮助驾驶员克服后视系统存在的视觉盲区和视线模糊的缺陷，极大程度上提高了驾驶的安全性，符合社会进度的需要。
1.3课题研究的主要任务
本文旨在设计一个基于单片机的汽车倒车测距仪，要求该装置能测量并显示与障碍物的距离，本设计主要完成的内容如下：
1. 确定合理的设计方案；
2. 根据课题要求，选择适用的单片机做主控制器；
3. 选择合适的测距模块；并设计其周围的硬件电路；
4. 以单片机为主设计相关程序；
5. 经过调试，基本完成任务。
主要解决的技术难题为：
1、一个硬件电路设计中的关键问题：测量结果受到环境因素的影响。
2、用软件编程实现超声波测距，并通过仿真来验证。
2.总体设计方案
2.1方案选择
目前，非接触式测距仪常采用超声、激光、红外等方式。红外线测距仪比较容易受到各种环境因素的干扰和影响，使测量结果不是很准确。激光测距仪的成本比较高，而且用起来比较麻烦，不适合在汽车上适用，超声波测距仪相对于以上两种测距仪就更加中庸一些，用起来也比较方便，所以选择超声波测距仪作为本次设计的研究对象。
超声波测距的方法大致有三种，分别是声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间检测法。声波幅值检测法的抗干扰能力不是很强，而相位检测法虽然精度比较高，但检测的范围比较小，本系统选择的是超声波渡越时间检测法。这种方法是计算由超声波发射器发出超声波经过气体介质遇到障碍物再返回接收器的时间来计算出障碍物与车辆的距离，这段时间也叫渡越时间。超声波的传输距离就等于渡越时间与气体中声波传输速度的乘积，该距离的计算公式如下：
d=s/2=vt/2 (2-1)
其中，d为障碍物与车辆之间的距离，s为声波传输的路程，v为声速，t为声波来回的传输时间。由于外界温度会影响超声波的传输速度，所以还需要通过测量外界温度值进
行补偿。超声波传输速度与外界环境温度的关系如下：
v=334.1+0.01t （2-2）
2.2方案设计
本设计选择单片机STC89C52作为主控制器，其发射端的主要工作器件是芯片74HC14里的六路施密特触发反相器。超声波发射器向某一方向发射出超声波，在超声波发送后开始计时，超声波在传播过程中一遇到障碍物就立即返回，当接收器接收到反射后的波形时就立刻停止计时。通常，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 ，通过时间t,很简单就可以得到与障碍物之间的距离。（s=340*t/2）
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4204.html
