基于51單片機超聲波測距設計的設計論文(已修改)

　

【正文】 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)實現(xiàn) 【摘要】：基于傳統(tǒng)的方法在很多特殊場合：如帶腐蝕的液體，強電磁干擾，有毒等惡劣條件下，測量距離存在不可克服的缺陷，超聲波測距能很好的解決此類的問題。本論文主要對單片機超聲波測距系統(tǒng)的原理，單片機的應用等進行了分析；對超聲波的發(fā)生電路和接收電路，DS18B20溫度采集電路，LCD顯示電路，硬件制作和軟件設計；對系統(tǒng)進行誤差分析。【關鍵詞】：超聲波測距，單片機，DS18B20溫度補償，LCD顯示，軟件設計，誤差分析。Abstract: In many special occasions, traditional methods based on the existence of insurmountable distance measuring defects, such as the measurement of corrosion in the liquid with strong electromagnetic interference, toxic and other adverse conditions, the ultrasonic range can be a very good solution to the problem of such . In this paper, focused on singlechip microputerbased ultrasonic ranging system, namely the principle of ultrasonic distance measurement, the occurrence of ultrasonic circuit, echo receiver, data acquisition, LCD data show the principle of singlechip applications, system hardware, DS18B20 the temperature pensation ，software design and production were discussed.Key words: ultrasonic ranging, singlechip, DS18B20 the temperature pensation, LCD display, software design, error analysis. 目錄第一章 引言…………………….……………………....................... 6…………….……………….........................6 超聲波測距系統(tǒng)概述…………….………………..........….......... 7 設計任務及主要內容…………….………………..........….......... 7第二章 超聲波測距的原理………………….……………........…......... 8 超聲波的基本理論……………….…………….........…........... 8 超聲波測距系統(tǒng)原理………………………………....................10第三章……………………………………......…… 12 …………………………………….................... 12 單片機主機系統(tǒng)電路…………………………….................... 15 單片機電路……………………………………..................... 15 復位電路………………………………..............………… 16 時鐘電路…………………………………..............…………16 按鍵電路…………………………………..............…………17 蜂鳴器電路…………………………………..............……....17 超聲波發(fā)送電路…………………………………..........……...18 超聲波接收電路……………………………………..........……18 溫度采集DS18B20電路…………………………..........………...20 LCD顯示電路……………………………………...........……...20 電源電路……………………………………..…..........………….22第四章………………………………....………………..25 系統(tǒng)程序結構…………………………………....……………...25 系統(tǒng)主程序……………………………………....……………...25 40KHz超聲波發(fā)送程序………………………..……………..29 超聲波的接收和處理………………………………….....……...30 DS18B20溫度采集程序……………….......................................30 距離計算程序……………………………………….....………..35 數(shù)據(jù)轉換程序………………………………………….....……...36 LCD顯示程序…………………………………………...…….37 基于Proteus的軟件仿真……………………………..…….........42第五章 PCB設計…………………………………………........……….....44 元件選擇……………………………………………….....………44 Altium designer原理圖的繪制…………………..………….…45 元件封裝制作…………………………………….....…………...45 PCB的電磁兼容性設計……………………………..…………46 布局布線………………………………………………......……48 制造文件輸出……………………………………….…......……..51第六章 元件采購……………………………………………......…….......52 BOM文件導出……………………………………....……….…52 元件采購……………………………………………......…...……53第七章 樣機制作……………………………………………......………..54 裝配圖……………………………………………….....…………54 焊接和檢查……………………………………………......……...55 樣機圖…………………………………………………......……...56 單片機學習板的使用.......................................................................56第八章 實驗分析……………………………………………..…………….60 實驗測試………………………………………………...........……64 實驗數(shù)據(jù)………………………………………………........….......65 誤差分析………………………………………………........….......66 改進……………………………………………………........….......67第九章總結……………………………………………………………...68致謝……………………………………………………………………69 附錄………………………………………………………………..…70 A 系統(tǒng)原理圖………………………………………….....…..…….70B C源程序……………………………………………….………71參考文獻………………………………………………………..………82 第一章引言 單片機應用系統(tǒng)概述 單片機是一個單芯片形態(tài)、面向控制對象的嵌入式應用計算機系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計算機技術從通用型數(shù)值計算領域進入到智能化的控制領域。從此，計算機技術在兩個重要領域——通用計算機領域和嵌入式計算機領域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的社會。 嵌入式系統(tǒng)無疑是當前最熱門、最具有發(fā)展前景的IT應用之一。嵌入式系統(tǒng)的應用可以使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)升級成為智能化的電子產(chǎn)品，使其成為具有“生命”的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應用于對實時響應要求較高的設備中，單片機作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其應用使電子系統(tǒng)的智能化出現(xiàn)了意想不到的效果，常常無需對硬件資源做任何改動，只需更新系統(tǒng)軟件就能使系統(tǒng)功能升級。現(xiàn)代社會中嵌入式系統(tǒng)無處不在，早已被應用在國防、國民經(jīng)濟、以及人們日常生活的各個領域，主要可以歸納為以下幾個方面。 （1）軍事裝備：各種武器控制（火炮控制、彈道控制、炮彈引信等），坦克、艦船、轟炸等各種電子裝備，雷達、電子對抗、軍事通訊裝備等。 （2）家用電器：各種家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視、機頂盒、數(shù)碼相機、VCD、DVD、可視電話、洗衣機、電冰箱、手機、智能玩具等。 （3）工業(yè)控制：各種智能儀器儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、分布式控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、機電一體化設備、汽車電子設備等。 （4）商用設備：各種收款機、POS系統(tǒng)、電子秤、條形碼閱讀器、商務終端、IC卡輸入設備、自動柜員機、防盜系統(tǒng)等。 （5）辦公用品：復印機、打印機、傳真機、掃描儀、手機、個人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調設備、通信終端、程控變換機、網(wǎng)絡設備等。 （6）醫(yī)療電子設備：各種醫(yī)療電子儀器，如X光機、超聲診斷儀、心臟起搏器、監(jiān)護儀器等，以及輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。 單片機應用系統(tǒng)的設計包括單片機基本擴展、外圍電路設計和程序設計、單片機應用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性設計、電磁兼容性設計等內容。通常開發(fā)一個單片機系統(tǒng)的步驟如下：圖 設計步驟 超聲波測距系統(tǒng)概述在基于傳統(tǒng)的測力距離存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強度大，方向性好等特點，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術在工業(yè)控制、勘探測量、機器人定位和安全防范等領域得到了廣泛的應用。超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構建的系統(tǒng)往往可靠性差，調試困難，可擴展性差，所以基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進行測距補償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 1超聲波測距儀設計要求如下： 1） 測量距離6m； 2） 精度優(yōu)于1%； 3） 進行溫度補償； 4） 顯示方式采樣LCD； 5） 具有抗干擾能量； 6） 體積小、功耗低、便于嵌入到其他系統(tǒng)。2 硬件電路的設計 1) 方案的論證。 2) 元件的選擇。 3) 用Altium designer繪制原理圖。 3 系統(tǒng)的PCB制作 1) PCB布局布線； 2) PCB實驗板的焊接。 4 系統(tǒng)軟件的編寫 1) 軟件的編寫和編譯檢查； 2) 基于Proteus的軟件仿真。 5 實驗測試 1) 實驗檢查； 2) 測試數(shù)據(jù)。6 誤差分析 1）誤差的分析； 2）改進。第二章超聲波測距的原理 超聲波的基本理論 超聲波是一門以物理、電子、機械、以及材料科學為基礎的、各行各業(yè)都要使用的通用技術之一。該技術在國民經(jīng)濟中，對提高產(chǎn)品質量，保障生產(chǎn)安全和設備安全運作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。超聲技術是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。超聲波是聽覺閾值之外的振動，其頻率范圍在10——10Hz，其中通常的頻率大約在10——3之間。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的范圍）傳播時，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質中，超聲波自由地向外擴散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用：1 超聲波的傳播速度超聲波在介質中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波——質點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波——質點振動方向與傳播方向一致的波；表面波——質點振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟āM波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。 超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質密度和彈性特性有關。