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1、福建电力职业技术学院毕业设计报告题 目 超声波测距仪设计数码管显示机电工程系 电气自动化 专业 10 级 1班学 号 201001033133姓 名 郑文瑛指导教师 徐志保讲师完成日期2013 年 1 月目 录ii摘 要随着科学技术脚步的快速前进，超声波凭借着其方向性好、穿透能力强、能够传递信息、易于获得较集中的声能及在水中传播距离远等特点，在医学、军事、工业、农业上的应用中越来越广泛。但就目前技术水平来说，人们对超声波技术的利用还十分有限，例如超声波在测距仪方面的应用。本论文详细介绍了超声波测距的工作原理与组成，以及STC89C52单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距原理的基础上，指出了
2、设计超声波测距系统的思路和所需要考虑的问题，给出了以STC89C52单片机为核心、数码管显示的超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、性能良好、检测速度快、计算简单、易于控制。本课题的研究与设计，不仅进一步提高了我的电路设计水平和程序编程能力，同时也加深了我对单片机的理解和应用。本课题所设计的超声波测距仪可以很方便的实现距离的采集和显示，使用起来相当方便，适合于我们日常生活和工农业的距离测量，也可以作为距离处理模块嵌入其他系统中，作为其它系统的辅助扩展。关键词：超声波超声波测距仪 STC89C52目录目 录第一章 绪论.11.1 课题选题意义.11.2 国内外研究现状.11.
3、3 设计主要工作.1第二章 硬件设计.32.1 系统组成.32.1.1系统原理框图.32.1.2 超声波测距仪的工作原理.32.2 单片机最小系统.42.3 数码管显示电路.52.3.1数码管简介.52.3.2数码管动态显示原理.52.4 HC-SR04超声波测距模块硬件设计.62.4.1HC-SR04简介.62.4.2超声波发射电路.62.4.3超声波接收电路.7第三章 软件设计.73.1 数码管软件设计.73.2 HC-SR04超声波测距模块软件设计.93.3 主程序设计.10第四章 总结.114.1 本文工作总结.114.2 存在不足.11参考文献.12致谢.13附录一.14附录二.17
4、福建电力职业技术学院 毕业论文-1-第一章 绪论1.1 课题选题意义在我们的现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在着很多的缺陷，可用性不高。比如，传统的液面测量是采用电极法中的差位分布电极，它是通过给电或脉冲来检测液面，但是由于电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性，为了更好的进行液面测量人们研制出了利用超声波进行液面测量从而弥补了传统测量的不足。但由于目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵、体积过大且精度也不高等因素，使得超声波测距仪在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于STC89C52单片机的低成本、
5、微型化、具有较强的适应能力且易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点的超声波测距仪。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。1.2 国内外研究现状由古至今人们测量距离的方法有很多，曾经有人做过一个著名的实验：利用石头往下掉做自由落体运动的原理来测量井的深度；也有人利用脚的跨度来测量物体的大概距离；经验丰富的人还可凭借经验用目测法来测量距离。随着社会不断的发展，人们开始使用各种尺子、数学方法等来测量距离。如今，随着技术要求不断的提高，我们对距离的测量精度要求越来越高，人们开始采用激光、涡流和无线电测距等方法。由于外界光及电磁场等因素的影响，人们开始寻找一种更好的距离测量方式即
6、利用超声波测距。我国从五十年代起对超声波测距进行了较多的研究，并且取得了巨大的成果。近年来由于电子技术的飞速发展，特别是单片机技术的应用，使得原来非常复杂的超声物位测量仪的设计有了大幅简化的可能，为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。如采用zilog公司的z86E08单片机控制的超声波测距数显装置
7、，以8098单片机为核心的智能物位测量仪等，从而使得超声物位测量仪的应用得到更多的普及。近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向:1、由定性的判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像;2、向在线自动检测和仪器的智能化发展，其中非接触超声测试技术取得突破进展; 3、超声测试技术和材料的物性评价相结合，材料的设计、加工和工程应用迅速发展1.3 设计主要工作福建电力职业技术学院 毕业论文-2-本次设计超声波测量仪是利用STC89C52单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波
8、。同时控制定时器产生超声波脉冲并计时。超声波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给数码管显示。(1)查阅相关资料，理解最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路和数码管显示电路等结构和工作原理。(2)介绍硬件部分（单片机最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路和数码管显示电路）的组成与工作原理，且画出单片机最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路和数码管显示电路框图。(3)介绍软件部分的组成，以及它的流程图、时序图
9、。(4)编写程序，把其程序烧入硬件中，完成数码管的显示，以及它的流程图和时序图。(5)编写整个系统的程序，编译生成，调试直至完成原先预想的结果为止。(6)根据论文格式，要求完成论文。福建电力职业技术学院 毕业论文-3-第二章 硬件设计2.1 系统组成2.1.1系统原理框图整个硬件部分由最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。软件部分主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序等部分组成。图2.1为系统原理框图。图2.1系统原理框图上图中单片机STC89C52负责提供脉冲，超声波测距模块负责数据的采集，数码
10、管显示器负责显示所测得的距离。2.1.2超声波测距仪的工作原理超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差，然后求出距离。由于超声波也是一种声波，其声速与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。表1.1为超声波传播速度与温度福建电力职业技术学院
11、毕业论文-4-的关系表。 表2.1 超声波传播速度与温度关系表项目 数值温度 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 100声速/( ms) 313 319 325 332 338 344 350 356 361 367 388由表可知温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s。2.2 单片机最小系统单片机最小系统（或最小应用系统），是指用最小的元件组成的单片机可以工作的系统。对52系列单片机来说，最小系统一般包括：单片机、晶振电路、复位电路。单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后
12、遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后求出距离。单片机最小系统其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。其原理图如图2.2所示。P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78R S T9P 3 0 / R x D1 0P 3 1 / T x D1 1P 3 2 / I N T 01 2P 3 3 / I N T 11 3P 3 4 / T 01 4P 3 5 / T 11 5P 3 6 / W R1 6P 3 7 / R D1 7X T A L 21 8X T A L 11 9P 2 02 1P 2 12 2P 2 22
13、3P 2 32 4P 2 42 5P 2 52 6P 2 62 7P 2 72 8P S E N2 9A L E3 0E A3 1P 0 73 2P 0 63 3P 0 53 4P 0 43 5P 0 33 6P 0 23 7P 0 13 8P 0 03 9V C C4 0G N D2 0U 1S T C 8 9 C 5 2123456789R M 11 0 * 8R 31 0 KV C CV C CR S T福建电力职业技术学院 毕业论文-5-2.3数码管显示电路2.3.1数码管简介数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管（共阴极与共阳极字型码如图2.3所示）。本论文数码管显示电路采用的是共阳极数码管，由四位LED组成动态扫描电路。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。图2.3 数码管的共阴极与共阳极字型码2.3.2数码管动态显示原理共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成
