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基于51单片机的超声波测距系统设计.doc
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本科毕业设计论文
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基于 51 单片机的超声波测距系统设计
摘要:基于传统的方法在很多特殊场合:如带腐蚀的液体,强电磁干扰,有毒等恶
劣条件下,测量距离存在不可克服的缺陷,超声波测距能很好的解决此类的问题。本
论文主要对单片机超声波测距系统的原理,单片机的应用等进行了分析;对超声波的
发生电路和接收电路,DS18B20 温度采集电路,LCD 显示电路,硬件制作和软件设
计;对系统进行误差分析。
关键词:51 单片机,超声波测距系统,DS18B20 温度补偿,误差分析
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 single-chip microcomputer-based 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 single-chip applications, system hardware,
DS18B20 the temperature compensation ,software design and production were discussed.
Key words: 51 single-chip, ultrasonic ranging,DS18B20 the temperature compensation,
error analysis.
目录
本科毕业设计论文
1
第一章 引言…………………………….……………………....................... 4
1.1 单片机系统概述…………….………………….................................5
1.2 超声波测距系统概述…………….…………………..........….......... 6
1.3 本设计任务主要内容…………….…………………..........….......... 7
第二章 超声波测距的原理…………………….……………........…........... 8
2.1 超声波的基本理论…………………….…………….........…........... 7
2.2 超声波测距系统原理…………………………………....................10
第三章 系统主要硬件设计……………………………………......……….12
3.1 方案论证与比较………………………………………....................12
3.2 单片机主机系统电路…………………………………....................15
3.2.1 单片机系统…………………………………….........................15
3.2.2 复位电路……………………………..............…………….......16
3.2.3 时钟电路…………………………………..............…………...16
3.2.4 按键电路…………………………………..............…………...17
3.2.5 蜂鸣器电路…………………………………..............…….......17
3.3 超声波发送电路…………………………………..........……...…...18
3.4 超声波接收电路……………………………………..........………..18
3.5 温度采集 DS18B20 电路…………………………..........………....20
3.6 LCD 显示电路……………………………………...........……......20
3.7 电源电路……………………………………..…..........…………....22
第四章 系统软件设计………………………………....………………...…25
本科毕业设计论文
2
4.1 系统程序结构…………………………………....……………...….28
4.2 系统主程序……………………………………....……………...….25
4.3 40KHz 超声波发送程序………………………..……………..….29
4.4 超声波的接收和处理………………………………….....……...…30
4.5 DS18B20 温度采集程序………………..........................................30
4.6 距离计算程序……………………………………….....………..….35
4.7 数据转换程序………………………………………….....……...…36
4.8 LCD 显示程序…………………………………………...…….…..37
4.9 基于 Proteus 的软件仿真……………………………..…….............42
第五章 PCB 设计…………………………………………........……….....44
5.1 元件选择……………………………………………….....………...44
5.2 DXP 原理图的绘制…………………..………….….........................45
5.3 元件封装制作…………………………………….....…………...…45
5.4 PCB 的电磁兼容性设计……………………………..……………46
5.5 布局布线………………………………………………......………..48
5.6 制造文件输出……………………………………….…......…….....49
第六章 设计心得…………………………………………………………...52
致 谢 ……………………………………………………………………….53
附录………………………………………………………………..………...54
I 系统原理图………………………………………….....…..……...55
II C 源程序……………………………………………….…………56
参考文献………………………………………………………..…………...66
本科毕业设计论文
3
外文资料………………………………………………………..…………...67
第一章 引言
本科毕业设计论文
4
1.1 单片机系统概述
单片机(Microcontroller,徽控制器)的出现无疑是近代计算机技术发展史上的重
要事件,它使嵌入式计算机系统实现了单片集成,并促进通用微处理器(CPU)向嵌
入式微处理器发展,如今,嵌入式微控制器与嵌入式微处理器形成了嵌入式系统中两
个重要组成部分。它的形成与发展,使现代电子技术进入到一个崭新的智能化时代,
并推动了计算机外围器件的发展。这些外围器件包括诸如传感器接口通道的大信号输
出的传感器,数字化、智能化、集成化传感器、各种类型的模数转换器,集成化数据
采集器,V/F 转换器、跟踪/保持器、多路选择器、基准电源等,人机对话的各种键盘
驱动器、LED/LCD 显示驱动器及相应的显示模块,语音合成器件、伺服控制通道接
口的数据转换器、F/I 转换器、以及形形色色的电子电力集成器件、数据通信通道接
口各类电平转换与驱动等等。
而单片机作为嵌入式控制模块,它应用于许多电器之中,如冰箱、微波炉、彩电、
空调等,还有其他大型电器。单片机已成为高科技领域中的有力工具,已开始在工业
测、控系统,机器人感觉系统、行走系统,分布式测控系统,快速多机实时处理系统
和图像系统中成为不可缺少的重要组成部分。
超声波传感技术可以方便的应用在工业测、控系统,机器人感觉系统、行走系统
中人类的耳朵只能分辨频率为 20 至 2 万赫兹的声音,频率比人的听频范围高的声波
就叫做超声波。不同的动物可听到的声波频率范围不尽相同。超声波对于蝙蝠更为重
要,这种动物是靠超声波来“看”世界! 蝙蝠先会发出一连串超声的尖叫声,声波遇
到障碍物便会反射,就像我们向山谷拍手会听到回声一样。由于超声波的频率高,相
对较少出现绕射现象,所以回声十分清晰。蝙蝠分析回声的方向和回传时间,便可以
知道环境的精确图像。同样的道理,可以更改频率获得能在空气中传播的超声波,这
样的声波遇到障碍物的时候返回,因此,通过分析时间间隔的大小可以获得本体与障
碍物间的距离,这样的检测称为无接触测量技术,有广泛的运用场合。
因此超声波装置尤其适用于存在/非存在监测、精确距离监测,或其它类型传感
技术不能很好的发挥作用的应用领域,如监测透明或发光物体、充满雾气或尘埃的空
气,或是喷射状液体,而且随着性能的提升,可以进一步取代其他的检测方式,以其
便捷性和精度高等优势成为一种理想和被推荐的检测,有更广的应用前景。
目前,人们已经制成了许多超声波发生器。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。
嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的 IT 应用之一。嵌入式系统的
应用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品,使其成为具有“生命”的现
代化智能系统。嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的设备中,单片机作为嵌
入式系统的核心部件,其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果,常常无需
对硬件资源做任何改动,只需更新系统软件就能使系统功能升级。现代社会中嵌入式
系统无处不在,早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域,主要
可以归纳为以下几个方面。
(1)军事装备:各种武器控制(火炮控制、弹道控制、炮弹引信等),坦克、舰
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