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超声波测距课程设计报告.doc
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超声波测距课程设计报告.doc
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目录
前言
1 课题设计目的及意义-----------------------------------------------1
1.1 设计的目的-----------------------------------------------------1
1.2 设计的意义-----------------------------------------------------1
1.3
课题设计的任务和要求
-------------------------------------------1
正文
1
课程的方案设计
-------------------------------------------------2
1.1 系统整体方案---------------------------------------------------2
1.2
系统整体方案的论证
--------------------------------------------2
2
系统的硬件构造设计
-------------------------------------
2
2.1 51 系列单片机的功能特点及测距原理------------------------------3
2.1.1 51 系列单片机的功能特点-------------------------------------3
2.1.2 单片机实现测距原理 -----------------------------------------3
2.2 超声波电路构造------------------------------------------------4
2.3 超声波测距系统的硬件电路设计----------------------------------4
2.4 PCB 幅员设计----------------------------------------------------5
3
系统软件的设计
-----------------------------------------
6
3.1 超声波测距仪的算法设计----------------------------------------7
3.2 主程序流程图---------------------------------------------------7
3.3 单片机局部 C 语言程序--------------------------------------------8
3.4 超声波测距局部 C 语言程序--------------------------------------11
4 实物制作------------------------------------------------17
4.1 电路板焊接及连线图---------------------------------------------17
4.2 实物调试效果图------------------------------------------------18
4.3 焊接电路板时所遇问题-------------------------------------------19
5 总 结-------------------------------------------------20
6 致谢--------------------------------------------------20
附录-------------------------------------------------------------20
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- -
前言
1 课题设计目的及意义
1.1 设计的目的
随着科学技术的快速开展,超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目
前技术水平来说,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在
蓬勃开展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来,超声波测距仪作为一种新
型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的开展空间,它将朝着更加高定位高
精度的方向开展,以满足日益开展的社会需求,如声纳的开展趋势根本为:研制具
有更高定位精度的被动测距声纳,以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要;继续开
展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳,实现超远程的被动探测和识别;研制
更适合于浅海工作的潜艇声纳,特别是解决浅海水中目标识别问题;大力降低潜艇
自噪声,改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑,未来的超声波测距仪将与自动化智
能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。随着测距仪的技术进步,
测距仪将从具有单纯判断功能开展到具有学习功能,最终开展到具有创造力。在新
的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
1.2 设计的意义
查找与超声波测距有关的资料,通过对资料的理解开发设计一种简单的单片机超声
波测距装置。设计完成后,制作 PCB 幅员,最后完成实物的连线。通过设计稳固
对单片机知识的运用,并加强自我动手的能力。
1.3
课题设计的任务和要求
了解和掌握超声波传感器的原理、构造、特性和使用方法,超声波探测系统相
关产品及及其国内外研究进展情况,利用单片机、Proteus 和 Keil C51 工具设计
出一种相应的探测识别系统,制作实物并进展测试。
1、了解和掌握该系统相关传感器〔3-5 种〕的技术资料,包括其技术指标、
原理图、封装形式、价格等;
2、查找系统相关产品〔3-5 种〕的技术资料,包括其技术指标、原理图、封
装形式、价格等;
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- -
3、查找与本系统相关论文〔最近几年〕〔3-5 篇〕;
4、选择一种传感器,利用单片机、Proteus 和 Keil C51 工具设计出一种相应
的探测识别系统,制作实物并进展测试;
5、完成论文。
1
课程的方案设计
1.1 系统整体方案
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波
经常用于距离的测量。利用超声波检测距离,设计比拟方便,计算处理也较简单,
并且在测量精度方面也能到达农业生产等自动化的使用要求。
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、和声波特性各不一样,因而用途
也各不一样。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求
并综合各方面因素,本文采用 AT89C51 单片机作为控制器,用动态扫描法实现
LED 数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器。
1.2
系统整体方案的论证
超声波测距的原理是利用超声波的发射和承受,根据超声波传播的时间来计算
出传播距离。实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一
端接收的直接波方式,适用于身高计;一种是发射波被物体反射回来后接收的反射
波方式,适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。
测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应
的传感器,常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减,
衰减的程度与频率的上下成正比;而频率高分辨率也高,故短距离测量时应选择频
率高的传感器,而长距离的测量时应用低频率的传感器。
2
系统的硬件构造设计
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检
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测接收电路三局部。单片机采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 11MHz 高精度的
晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。单片机用 P3.0 端口输出超声波换
能器所需的 40kHz 的方波信号,利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回
信号。显示电路采用简单实用的 3 位共阴 LED 数码管,段码用 74LS244 驱动,位
码用 PNP 三极管 8550 驱动。
2.1 51 系列单片机的功能特点及测距原理
2.1.1 51 系列单片机的功能特点
5l 系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用 40 引脚双列直插封装(DIP)形式,内部
由 CPU,4kB 的 ROM,256 B 的 RAM,2 个 16b 的定时/计数器 TO 和 T1,4
个 8 b 的工/O 端 I:IP0,P1,P2,P3,一个全双功串行通信口等组成。特别是
该系列单片机片内的 Flash 可编程、可擦除只读存储器(E~PROM),使其在实际中
有着十分广泛的用途,在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
5l 系列单片机提供以下功能:4 kB 存储器;256 BRAM;32 条工/O 线;2 个
16b 定时/计数器;5 个 2 级中断源;1 个全双向的串行口以及时钟电路。
空闲方式:CPU 停顿工作,而让 RAM、定时/计数器、串行口和中断系统
继续工作。
掉电方式:保存 RAM 的内容,振荡器停振,制止芯片所有的其他功能直到
下一次硬件复位。
5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低本钱的解决方法。充分利用他
的片内资源,即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
2.1.2 单片机实现测距原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后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 tr,然后求出距离 S=Ct/2,式中的 C 为
超声波波速。
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限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素:超声波的幅度、反射的质地、反
射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接
接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差,可
采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波属
于声波范围,其波速 C 与温度有关。
2.2 超声波电路构造
超声波接收电路
2.3 超声波测距系统的硬件电路设计
本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时
间的计时,单片机选用 AT89C51,经济易用,且片内有 4K 的 ROM,便于编程。
单片机发出 40kHZ 的信号,经放大后通过超声波发射器输出;超声波接收器
将接收到的超声波信号经放大器放大,用锁相环电路进展检波处理后,启动单片机
中断程序,测得时间为 t,再由软件进展判别、计算,得出距离数并送 LED 显示。
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超声波发射器
放大电路超声波接收器
放大电路
锁相环
检波电路
定时器
单 片机
控制
显示器
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- 2hangJX2022-05-18不行,别买别买别买
pyhm63
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