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1、徐州工程学院毕业设计(论文)图书分类号：密 级：毕业设计(论文)基于AT89C51单片机超声波测距仪的设计BASED ON AT89C51 ULTRASONIC RANGEFINDER DESIGN学生姓名严海波学院名称信电工程学院专业名称电子信息工程技术指导教师高玉芹摘要超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的，其频率在20000Hz以上。由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点，因此常用于测量物体的距离。本文介绍了基于AT89C51单片机的超声波测距仪的软硬件设计，整个系统分为单片机控制模块、发射模块和接收模块组成。程序采用模块化设计，由主程
2、序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。超声探头接收的信号经单片机综合分析处理后，实现了超声波测距仪的各种功能。关键词 超声波 AT89C51 测量距离目 录1 绪论11.1 研究背景11.2 研究内容12 相关知识22.1 超声波发生器22.2.单片机的任务22.3 AT89C51单片机主要特性和引脚功能23理论分析与计算53.1测量与控制方法53.3超声波测距误差分析64系统硬件电路设计84.1单片机系统及显示电路84.1.1 74LS244的简介94.2超声波发射电路94.3超声波监测接收电路104.4显示电路原理115系统软件设计125.1主程序125.2超声波发
3、生子程序和接收子程序135.3 超声波的接收与处理146单片机系统的可靠性156.1测试单片机系统的可靠性156.2单片机的抗干扰性157软硬件调试167.1调试167.2提高精度的方案及系统设计168系统的扩展188.1 DS18B20的简介188.11DS18B20的主要特性188.12 DS18B20的外形和内部结构188.13 DS18B20的工作原理198.14 DS18B20有4个主要的数据部件198.2 DS18B20与单片机的连接208.3 DS18B20与51单片机的连接程序21结论27致谢28参考文献29附录30附录1电路原理图30附录2程序源代码31111 绪论1.1 研
4、究背景由于社会不断进步发展，许多传统的测距方法已经无法满足我们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，在这种情况下一种新的测距方法诞生了-超声波测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子
5、冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。1.2 研究内容 超声波测距仪主要以单片机AT89C51为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时 ，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，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。本系统的一个亮点就是利用超声波测量距离，超声波具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的
6、干扰的优点，而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。2 相关知识2.1 超声波发生器我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离比较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。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、电动型；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，目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。2.2.单片机的任务单片机的任务是指以单片机
7、为核心，构建硬件部分和软件部分组成，配以一定的外围电路和软件，实现某几种功能，完成相应的任务。硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用，从而完成应用系统所要完成的基础。一般来讲，所要完成的任务不同，相应的硬件配置和软件配置也就不同。因此，单片机的设计应包括硬件设计和软件设计两大部分。2.3 AT89C51单片机主要特性和引脚功能AT89C51是带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（EPEROM）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器（俗称单片机）。该单片机与工业标准的MCS-51型机的指令集和输出引脚兼容。AT89C51将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为很多
8、嵌入式控制提供了灵活性高且价格低廉的方案。AT89C51的主要特性如下：寿命达1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24MHz；三级程序存储器锁定；128 * 8位内部RAM；32可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；AT89C51引脚排列如图1所示，引脚功能如下图2-1所示：图2-1AT89C51引脚图VCC(40):+5V.GND(20):接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器
9、，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将
10、输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/P
11、ROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数
12、据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3理论分析与计算3.1测量与控制方法声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源
13、到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波传感器的结构如图3-1所示。图3 -1 超声波传感器结构超声波测距器的系统框图如图3-2所示：图3-2超声波测距器的系统框图超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，表3-3列出了几种不同温度下的超声波声速。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 表3-3 不同温度下超声波声速表温度/c-30-20-100102030100声速c/(m/s)3133193253233
14、383443493863.2理论计算图3-4 测距的原理如图3-4所示为反射时间法，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式S=C*(T/2) 其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T=T1+T2），可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。这样可以求出距离：S=C(T1-T2)/23.3超声波测距误差分析(1) 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 TR40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频
15、率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为：由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 (2) 当地声速对测量精度的
