基于单片机测距的装置设计

毕 业 设 计（论  文） 论文目：基于单片机测距的装置设计 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中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于煤位高度、防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本设计详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S51单片机为核心的性能和特点，并在了超声波测距的原理的基础上，设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法，由于温度对超声波影响较大，设计中添加了温度补偿电路。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、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用的要求。 关键词：AT89S51； 超声波； 温度； 补偿； ABSTRACT Ultrasonic has strong directional, energy consumption is slow, transmission distance is farther, etc. So, the use of the sensor technology and automatic control technology of combining the measurement program, ultrasonic ranging is the application of the most common one.It is widely used in coal a height, guard against theft, backing up radar, water level measurement, construction site and some industrial field. The design detailed introduces the principle and characteristics of ultrasonic sensors. and the Atmel company AT89S51 as the core of the performance and characteristics.And analysis the ultrasonic ranging based on the theory of the ideas and design ranging system needed to consider the question.The design is given based on AT89S51 as the core of low cost, high precision, miniaturization digital display ultrasonic rangefinder hardware circuit and software design method. Because the temperature effect is big, so in design add temperature compensation circuit. The system circuit design reasonable, stable, the performance good, detection speed, simple calculation, easy to do real-time control, and in the measurement precision can reach the requirements of industrial use. keywords：AT89S51； ultrasonic； temperature;  compensation; 目    录 1 绪  论    1 1.1 课题研究意义    1 1.2 测距传感器    1 2 超声波测距设计概述    2 2.1 超声波的基本性质    2 2.2 超声波测距原理    3 2.3 超声波传感器的选型    4 2.4 超声波的影响因素    4 3 系统硬件设计    5 3.1 单片机系统设计    5 3.1.1 单片机的选择    5 3.1.2 单片机引脚功能    7 3.1.3 单片机最小系统    10 3.2 超声波发射和接收电路设计    10 3.2.1 超声波发射电路设计    11 3.2.2 超声波接收电路设计    11 3.3 温度传感器的选择    13 3.3.1 DS18B20的特征    14 3.3.2 DS18B20的引脚分布图及其功能    14 3.4 显示模块的选择    16 4 系统软件设计    16 4.1 超声波测距的算法设计    16 4.2 主程序设计    16 4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序    17 4.4 温度补偿子程序    19 5 电路的安装与调试    21 5.1 电路安装要注意问题    21 5.2 电路的调试    22 5.2.1 调试电路常用的仪器    22 5.2.2 调试电路前的检查    22 5.2.3 调试步骤    22 5.2.4 调试注意事项    23 6 系统的测量数据及误差分析    24 6.1 实测比较    24 6.2 温度误差分析    24 6.3 时间误差分析    24 6.4 感应角的误差分析    25 结  论    26 参考文献    27 附录一    29 附录二    30 附录三    31 英文原文    38 中文译文    46 致  谢    52 1 绪  论 1.1 课题研究意义 由于超声测距是一种非接触检测技术，超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴，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。随着经济发展，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，性能稳定则备受青睐。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后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。因此可广泛应用于矿业、纸业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品、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。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。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 1.2 测距传感器 （1）激光测距传感器 激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信号，从而并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高。 （2）红外线测距传感器 红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。 （3）超声波传感器 超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。 根据对以上三种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。超声波传感器测距时具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。 2 超声波测距设计概述 2.1 超声波的基本性质 声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动 以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20kHz的声波称为超声波。 超声波具有类似光线的一些物理性质： （1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同； （2）超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体； （3）能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器； （4）功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。 2.2 超声波测距原理 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。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 最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离s，即：s=340t/2。    只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图2.1所示： 图2.1 超声波的测距原理          （2-1）