基于单片机的超声波测距智能控制系统设计.docx
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1、摘 要 超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴。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。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。 系统的设计主要包括两部分,即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和温度补偿电路,另外还有复位电路和通讯电路等。硬件电路以AT89S52单片机为核心,并具有低成本、微型化、带LCD液晶显示等特点。整个电路采用模块化设计,由信号发射和接收、温度测量
2、、显示、语音播报等模块组成。发射探头的信号发射出去,单片机的计时器开始计时,然后当单片机接收回波时,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正, 结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、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。它控制单片机进行数据发送与接收,在一定温度下对超声波速度的校正,实现数据显示在LCD上。 关键词:AT89S52;超声波传感器;测距仪;温度补偿;LCDAbstractSound frequencies above 20kHz is called Ultrasound, it belongs to the scop
3、e of mechanical wave.Ultrasound can also follow the general mechanical wave propagation in an elastic medium, as in the medium occurs at the interface reflection and refraction, absorption of the medium into the medium occurred after attenuation. Ultrasound can be used for distance measurement with
4、these properties. With the continuous improvement of technological level, ultrasonic distance measurement techniques are widely used in daily work and life.System design includes two parts, namely, hardware and software programs. Hardware circuit includes a microcontroller circuit, transmitter circu
5、it, receiver circuit, display circuit and temperature compensation circuit, in addition to reset circuit and communication circuit. AT89S52 microcontroller is the core of hardware which is low cost,miniaturization,with LCD liquid crystal display and so on. The modular design of the livelong circuit
6、contains the signal transmission and reception, temperature measurement, display, voice broadcast and other modules.The microcontroller timer starts time when the probe launch ultrasound, after the original ultrasound was reflected, ultrasound will be incepted by the probe,then microcontroller stop
7、working and get time. After sending the temperaturemeasurement to the microcontroller, process of correction will revise the speed.It can achieve the function of ultrasonic ranging by combining the anterior time and speed. Main software program include preset subroutine, subroutines launch, receive
8、routine, display routines and other modules. It controls the microcontroller to send and receive data, velocity correction on the ultrasonic at a certain temperature, data displaying on the LCD.Key Words:AT89S52;Ultrasonic wave;Ensor,Range Finder;Tempearture compensation;LCD目 录摘 要IAbstractII第1章 概述1
9、1.1选题背景及意义3 1.2现阶段本课题相关研究现状4 1.3本设计完成的工作4 1.4本文结构安排3第2章 总体方案设计3 2.1主控制器模块选择3 2.2电源模块选择3 2.3显示模块选择3 2.4温度补偿模块选择4 2.5报警模块选择4 2.6本章小结3第3章 系统硬件设计3 3.1主控制模块设计3 3.2单片机的时钟电路及复位电路设计4 3.3超声波测距模块设计4 3.4声音报警电路的设计3 3.5显示模块设计3 3.6温度补偿电路设计3第4章 系统软件设计5 4.1DS18B20初始化程序流程图5 4.2超声波温度与速度的关系6第5章 系统的安装与调试9结论9参考文献11附录11致
10、 谢12第1章 概述1.1 选题背景及意义 在一般的建筑工地中,施工工人需要每天测量数以千计数以万计的建筑尺寸,而由于自己的疏忽大意即使一个数据测量过程出现问题导致测量数据失准,那导致的后果也是不能想象的。建筑工地精确测距智能报警系统就是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的系统。目前它已经广泛地应用在了工业、通信、医疗等许多行业中。其在建筑工地应用的背景也很广阔,就是在一些在建设施内如建筑工地毛坯房、装潢施工区域等,将其对准要测量的墙体立刻就能在液晶屏上读出读数,这个读数就是要测量的墙体到本设计的水平距离。但由于超声波传播声时难于精确捕捉,温度对声速的影响等原因
11、,使得超声波测距的精度受到了很大的影响,限制了建筑工地精确测距智能报警系统在测量精度要求更高的场合下的应用。 距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波能以各式各样的传播模式(纵波、横波、表面波、薄板波)在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播,也可在光不能通过的金属、生物体中传播,是探测物质内部的有效手段。而且由于超声波与电磁波相比速度慢,对于相同的频率波长短,容易提高测量的分辨率。由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大,所以,反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态。 建筑工地精确测距智能报警系统的基本原理是利用某种待测的
12、非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液位、厚度、缺陷等)之间存在着的直接或间接的关系,在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。正是在这种工作原理下,我们可以充分地利用超声波的各种特性来研制超声波传感器,配合不同的信号处理与显示电路完成许多待测量的检测工作。然而正因为它是非接触式的,所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉,温度对声速的影响等原因,使得超声波测距的精度受到了很大的影响,限制了建筑工地精确测距智能报警系统在测量精度要求更高的场合下的应用。所以需要进行系统的硬件和软件设计,分析了影响建筑工地
13、精确测距智能报警系统精确度的多种因素,来有效提高建筑工地精确测距智能报警系统的精度。1.2 现阶段本课题相关研究现状 F.GALton在1876年进行了气哨实验,代表着人类第一次产生的高频声波。而我国于1956年开始超声的大规模研究。迄今,我国对超声已经广泛地在的各个领域得到发展和应用,特别要提出的是,其中一些项目能够与国际水平相接近。超声波测距与定位技术是关于声学以及仪器科学的综合性大学科,由超声波换能器、超声波发射和接收电路、控制电路等组成了利用超声波来测量距离值的精确测距智能报警系统。目前在各个领域中都得到了使用,并取得了很好的成果。 R.Kuc.1提出了三维的仿生声纳系统,系统可以利用
14、超声波自动地寻找被测目标物体。在它内部共有五个超声传感器来构成这个系统最主要的感知装置。发射超声波的换能器安装在十字架交叉点,有四个换能器用来接收超声波,并分别安装在十字架的边缘位置上。这样,被测目标的距离与方位能够依据空间几何关系算出。 R.X.Gao和C.Li研制了专门为盲人服务的超声测距系统,该系统利用微处理器的作为主控制芯片,回波包络采用特殊的发射波形来获得,设置一定的回波阈值,电平采用自动增益的控制放大器放大回波波形,这些措施有效地提高超声波的探测精度。 G.Bucci和C.Landi提出了一种对于输入超声波信号的功率谱算法,该算法利用了信号进行傅里叶变换后功率谱密度中所包含的信号特
15、征来确定回波的前沿,更加精确地确定渡越时间。 R.Demirli,J.saniie的文章是利用峰值出现的时刻来估算出信号的传播时间,从而提出相关估计法,这个方法又叫做通过匹配的方式来得到结果,在这里主要用到了返回波信号的幅值与形状。如果在这个过程中,波形没有畸变,且高斯白噪声叠加在返回波上,则此方法的精确度均高于阈值检测法。 F.Devand,G.Hayward和J.Soraghan受蝙蝠在夜空中捕食启发,提出了一种具有独特优点的自适应超声成像聚焦系统,对超声成像中图象畸变的消除有重要价值,通过使用重叠的频率调制信号提高了超声图像的分辨率,而且使用了不同频率的超声波。基本理论基础是使用时间和频
16、率信息并且通过改进的算法来解决频域中的合成干涉图,因此该超声成像系统在三维空间内有提高分辨率的特点。国内一些学者也作了相关研究。同济大学设计了基于伪随机码的时延两步相关估计法。该方法采用PRBS(伪随机二进制信号序列)作为发送信号,通过求互相关函数确定传播时间,由此达到非常高的抗干扰能力。引入PRBS还节约了用于计算互相关函数通常所必需的乘法。此外还设想并实现了一个两步相关法以减少处理时间。借助于数学分析阐述了PRBS的生成、特点和参数选择,这些思路在测量装置上得以实现。通过用模拟的噪声信号进行的测试结果表明,测量装置具有很强的抗干扰能力。 哈尔滨工业大学分为两次进行粗测距和精测距。粗测距先大
17、概估测测距范围,具体的操作是先发送一串超声波,回波信号在控制器计算分析处理。根据处理的结果设定尽可能合理的鉴幅阈值。精测距是在此基础之上控制器发送另一串超声波,按照在粗测距中设定的阈值,精测距中的回波前沿被捕捉,实现精确测距目的。 中国科学院上海声学实验室文章介绍两个不同频率的超声波在测距的时候先后被发射出去,其中频率较大的超声波用于测量较近的距离,对回波信号进行分析处理,并自动设定合理的鉴幅阈值,再发送频率较小的测较远的距离,捕捉回波前沿某一固定位置的信号,从而达到精确测距之目的,这样可实现在较大的范围内实现较高的测距精度。这样,把远程测距与近程测距分开进行,就可以克服测距范围与测距精度之间
18、的固有矛盾。 目前,超声技术和扩频通信技术的结合在某些方面已经得到了应用。西北工业大学应用扩频原理设计了一种液位测量系统,可控声源被应用在其中。从国内外研究状况可以看出,影响超声波检测精度的因素是测量的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度。国内外的研究成果使得超声波检测的精度得到了提高,这些处理方法都得到了很好的效果。 由于超声波也是一种声波,其声速V与温度有关。在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。1.3 本设计完成的工
19、作1.熟悉51单片机集成开发环境,运用C语言编写工程文件;2.熟练应用所选用单片机的内部结构、资源,以及软硬件调试设备的基本方法;3.自行构建基于单片机的最小系统,完成相关硬件电路的设计实现;4.了解超声波测距原理,实现在建筑物内部能够快速准确地测量经过温度补偿后的长、宽、高等数据,并以数字的形式将此数据呈现在液晶显示屏上;当物体处于智能报警范围内时,系统自动报警;引导车辆及设备在盲区内作业等功能。1.4 本文结构安排第1章,概述。主要研究本论文的选题背景和国内外的研究现状。 第2章,总体方案设计。主要研究总体硬件设计和确定最终方案。第3章,系统硬件设计。主要完成系统硬件设计,包括主控制模块设
20、计单片机的时钟电路及复位电路设计超声波测距模块设计声音报警电路的设计显示模块设计温度补偿电路设计。第4章,系统软件设计。完成系统的方框图,完成程序的编写和烧录。第5章,系统的安装与调试。完成硬件系统的安装,并且完成实验数据的测定与分析。第2章 总体方案设计 根据设计要求并综合各方面因素,可以采用AT89S52单片机作为主控制器,超声波驱动信号用单片机的定时器完成,其中硬件部分主要由单片机主系统及超声波发射模块、超声波接受模块、温度补偿模块、语音播报模块、LCD显示模块几部分组成。采用AT89S52来实现对各个子模块的控制。由单片机计数器所计的数据就是超声波所经历的时间,结合超声波声速通过换算就
21、可以得到传感器与障碍物之间的距离,并将距离和温度补偿模块所测得的环境温度在LCD屏幕上予以显示。软件部分主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。具体的硬件、软件设计细节,将在本文第三章和第四章中详细阐述。电源STC89C52主控制器模块超声波传感器模块按键控制DS18B20温度补偿LCD1602液晶显示模块蜂鸣器报警模块图2-1 主程序方框图2.1 主控制器模块选择方案1: 选用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作为系统的核心部件,如图2-2实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点,可利用VHDL语言进行编写开发。但CP
22、LD在控制上较单片机有较大的劣势。同时,CPLD的处理速度非常快,而超声波测距对处理速度要求不可能太高,那么对系统处理信息的要求也就不会太高,在这一点上,MCU就已经可以胜任了。若采用该方案,必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此,我们不采用该种方案,进而提出了第二种设想。 图2-2 CPLD方案2: 采用单片机作为整个系统的核心,用其处理超声波数据,以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统,其关键在于实现超声波测距,而在这一点上,单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来,单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可进行位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此,
23、这种方案是一种较为理想的方案。 在综合考虑了传感器等诸多因素后,我们决定采用一片单片机,充分利用STC89C52单片机的资源。图2-3 STC89C52单片机2.2 电源模块选择 由于本系统采用电池供电,我们考虑了如下几种方案为系统供电。方案1: 采用12V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大,在使用极为不方便。因此我们放弃了此方案。图2-4 蓄电池方案2: 采用3节1.5 V干电池共4.5做电源,经过实验验证系统工作时,单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求,而且电池更换方便。图2-5 电池盒2.3 显示模块选择 由于我们要通
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