基于单片机测距的装置设计

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1、毕 业 设 计（论 文）论文题目：基于单片机测距的装置设计摘 要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点。所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于煤位高度、防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本设计详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S51单片机为核心的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法，由于温度对超声波影响较大，设计中添加

2、了温度补偿电路。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用的要求。关键词：AT89S51； 超声波； 温度； 补偿；整理为word格式ABSTRACT Ultrasonic has strong directional, energy consumption is slow, transmission distance is farther, etc. So, the use of the sensor technology and automatic control technology of combining the

3、measurement program, ultrasonic ranging is the application of the most common one.It is widely used in coal a height, guard against theft, backing up radar, water level measurement, construction site and some industrial field. The design detailed introduces the principle and characteristics of ultra

4、sonic sensors. and the Atmel company AT89S51 as the core of the performance and characteristics.And analysis the ultrasonic ranging based on the theory of the ideas and design ranging system needed to consider the question.The design is given based on AT89S51 as the core of low cost, high precision,

5、 miniaturization digital display ultrasonic rangefinder hardware circuit and software design method. Because the temperature effect is big, so in design add temperature compensation circuit. The system circuit design reasonable, stable, the performance good, detection speed, simple calculation, easy

6、 to do real-time control, and in the measurement precision can reach the requirements of industrial use.keywords：AT89S51； ultrasonic； temperature; compensation;整理为word格式目 录整理为word格式1 绪 论11.1 课题研究意义11.2 测距传感器12 超声波测距设计概述22.1 超声波的基本性质22.2 超声波测距原理32.3 超声波传感器的选型42.4 超声波的影响因素43 系统硬件设计53.1 单片机系统设计53.1.1 单

7、片机的选择53.1.2 单片机引脚功能73.1.3 单片机最小系统103.2 超声波发射和接收电路设计103.2.1 超声波发射电路设计113.2.2 超声波接收电路设计113.3 温度传感器的选择133.3.1 DS18B20的特征143.3.2 DS18B20的引脚分布图及其功能143.4 显示模块的选择164 系统软件设计164.1 超声波测距的算法设计164.2 主程序设计164.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序174.4 温度补偿子程序195 电路的安装与调试215.1 电路安装要注意问题215.2 电路的调试225.2.1 调试电路常用的仪器225.2.2 调试电路前的检查

8、225.2.3 调试步骤225.2.4 调试注意事项236 系统的测量数据及误差分析246.1 实测比较246.2 温度误差分析24整理为word格式6.3 时间误差分析246.4 感应角的误差分析25结 论26参考文献27附录一29附录二30附录三31英文原文38中文译文46致 谢52整理为word格式整理为word格式整理为word格式1 绪 论1.1 课题研究意义由于超声测距是一种非接触检测技术，超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。随

9、着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。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。因此可广泛应用于矿业、纸业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。随着科技水平的不断提高，

10、超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。1.2 测距传感器（1）激光测距传感器激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高。（2）红外线测距传感器红外线测距传感器利用的就是红

11、外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。（3）超声波传感器超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。在

12、中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。根据对以上三种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。超声波传感器测距时具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。整理为word格式2 超声波测距设计概述2.1 超声波的基本性质声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动 以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高

13、于20kHz的声波称为超声波。超声波具有类似光线的一些物理性质：（1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同；（2）超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；（3）能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；

14、（4）功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。2.2 超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计

15、数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离s，即：s=340t/2。 只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图2.1所示：整理为word格式图2.1 超声波的测距原理 （2-1） （2-2） 式中:L-两探头之间中心距离的一半。又知道超声波传播的距离为: (2-3)式中:v超声波在介质中的传播速度; t超声波从发射到接收所需要的时间.将（2-2）、（2-3）代入（2-1）中得： (2-4)其

16、中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(2-4)变为: (2-5) 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.2.3 超声波传感器的选型本设计选用的是通用型的TCT40-16T/R1压电陶瓷超声传感器，测量范围在0.2m20m,标称频率是40KHz,在3085的温度范围内，发射声压及灵敏度（在中心频率下）与初始值相比的变化，不大于6dB。适用于家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；超声测距及汽车倒车防撞装置；液面探测；超声波近接开关及其它应用的超声波发射与接收。2.4 超声波的影响因

17、素稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件。而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响。其中温度影响最大，因此要采用整理为word格式温度补偿，以减少错误。现在最需要温度监测系统的温度传感器的方法。超声波波速与温度的关系如表2-1.超声波波速与温度的关系表2-1温度（）-30-20-100102030100声速（ms）313319325331338344349386可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。3 系统硬件设计硬件电路主要由单片机系统、显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成，本系统采用AT89C51单片

18、机作为主控制器，使用4位数码管作为系统显示屏，超声波发射驱动需要的40 kHz脉冲由单片机P1.0发出，使用定时器进行计时和控制，超声波接收使用CX20106A作为接收主控芯片，选用合适的温度传感器进行温度校正。超声波测距的系统框图如图3.1示。图3.1 超声波测距的系统框图3.1 单片机系统设计3.1.1 单片机的选择一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。目前，市面上的单片

19、机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有：（1）单片机最基本性能参数指标。例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。（2）单片机的某些增强的功能。（3）单片机的存储介质。例如：对于程序存储器来说，最好选用的是Flash的存储器。（4）单片机的封装形式。封装的形式多种多样，例如：双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。（5）单片机对工作的温度范围的要求。例如：在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。（6）单片机的功耗。例如，如果信号线取电只能提供几mA的电流，所以为了能满

20、足低功耗的要求这个时候选用STC的单片机是最合适的。整理为word格式（7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。（8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。（9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。51系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源等方面与标准的52系列的单片机可以完全的兼容。51系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90 MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程,不占用用户的资源。根据本系统设计的实际要求，选择AT89S51单片机做为本设计的单片机使用，它是由ATMEL公司生产的高性

21、能、低功耗的CMOS 8位单片机。89S51单片机具有以下几个性能特点：4 k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。单片机的引脚功能图如图3.2所示。图3.2 51单片机的引脚功能图3.1.2 单片机引脚功能（1）电源引脚Vcc（40脚）：正电源的引脚，工作电压是5 V。GND（20脚）：接地端。（2）时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2为了产生时钟信号，在89S51单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就

22、是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端 。单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。时钟信号电路如图 3.3所示。整理为word格式图3.3 时钟信号电路（3）复位RST（9脚）当振荡器运行时，只要有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么51单片机芯片就会循环不断地进行复位。复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零。本课题设计的单片机复位电路

23、如图3.4所示。图3.4 单片机复位电路图（4）输入输出口（I/O口）引脚P0口是一个三态的双向口，既可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口。P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正的双向口；而在没有外部扩展存储器时，P0口也可以作为通用的I/O接口使用，但此时只是一个准双向口；另外，P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力即输出电流不小于800 uA。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一种功能，而且P1口能驱动4个LSTTL负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置整

24、理为word格式1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用。对于输出功能，在单片机工作的时候，可以通过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平。例如：指令CLR是清零的意思，CLR P1.0的意思就是让单片机的P1.0端口输出低电平；而指令SETB是置1的意思，SETB P1.0的意思就是让单片机P1.0端口输出高电平。P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力。P2端口置1时，内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平，作为输入口使用；在对内部的Flash程序存储器编程时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部程序和16位外部数据存储器时

25、，P2口就送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容在此期间不会改变。P3口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。P3口作为通用I/O口接口时，第二功能输出线为高电平。P3口置1时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作输入口使用；在对内部Flash程序存储器编程时，此端接控制信息。P3口的第二功能，如表3.1所示。表3.1 P3口第二功能表P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入口（RXD）P3.1串行通讯输出口（TXD）P3.2外部中断0请求输入端（ INT0）P3.3外部中断1请求输入端（INT1）P3

26、.4定时器0输入端(T0)P3.5定时器1输入端(T1)P3.6外部数据存储器写选通信号输出端（/WR）P3.7外部数据存储器写选通信号输出端（/RD）（5）其它控制或复用引脚（a）ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输出端。在访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在不访问片外存储器的时候，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6),而在访问片外数据存储器时，ALE脉冲会跳空一个,此时是不可以做为时钟输出。对片内含有EPROM的机型在编程时，这个引脚用于输入编程脉冲/PROG的输入端。（b

27、）/PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平时有效。当89S51从外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。但在访问片外数据存储器时，/PSEN将不会有脉冲输出。（c）/EA/Vpp（31脚）：/EA为片外程序存储器访选用端。当该引脚访问片外程序存储器时，应该输入的是低电平，要使89S51只访问片外程序存储器,这时该引脚必须保持低电平；而在对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压。整理为word格式3.1.3 单片机最小系统单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础，单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最

28、小配置系统即单片机能工作的系统。对于80S51单片机，由于片内已经自带有了程序存储器，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就可以组成了单片机的最小系统了。单片机的应用系统如图3.5所示。图3.5 单片机应用系统原理图3.2 超声波发射和接收电路设计超声波是一种振动频率超过20 kHz的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。由于超声波的以上几个特点，所以超声波被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面。而且，超声波的测量是一种比较理想的的非接触式的测距方法。3.2.1 超声波发射电路设计超声波发射电路是由超声

29、波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波发生器的一个电极，另一路经两级反向器送到超声波的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波发生器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，超声波发射电路如图3.6所示整理为word格式图3.6 超声波发射电路工作时，由单片机产生40 kHz的脉冲从P1.0

30、口向超声波的发射电路部分发出信号，再经74LS04放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。3.2.2 超声波接收电路设计由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制

31、的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。超声波接收电路如图3.7所示。CX20106管脚图如图3.8所示。图3.7 超声波接收电路整理为word格式图3.8 CX20106管脚图以下是CX20106A的管脚注释。 1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k

32、。 2脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R13或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C7的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7，C1=1F。 3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。 4脚：接地端。5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200

33、k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。 6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚：电源正极，4.55V。3.3 温度传感器的选择 方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲

34、线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。方案二：采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。因此本次设计采用方案二较合理。整理为word格式3.3.1 DS18B20的特征温度对声速的影响较大，若不进行补偿，将会带来测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。系统采用数字温度传感器DS18B20来采集温度，DS18B20是美国DALLAS公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同，D

35、S18B20可直接将被测温度转化成数字信号，以供单片机处理，它还具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。DS18B20具有以下特点：1、采用单线技术，与单片机通信只须一个引脚；2、通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，简化了分布式温度检测的应用。3、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。4、可通过数据线供电，电压范围为35.5V；5、不需备份电源；6、测量范围为-55+125度，在-10+82度范围内的误差为0.5度7、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择，可配置实现912V的温度读数；8、将12位的温度值转换为数字量所需

36、时间不超过750ms;9、用户定义的、非易失性的温度告警设置，用户可自行设定告警的上下限温度；10、告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出设计预设告警界限的器件。数字式温度传感器和模拟温度传感器最大的区别是：将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲时隙；写“0”、读“1”时隙，读“0”、读“1”时隙。初始化后，传感器输出两个字节的温度，进行数据处理后得到实际温度的值，利用公式3-1可计算补偿声速。 c=331.4+0.61T （3-1）式中，T为实际温度()，c为补偿后的声速。3.

37、3.2 DS18B20的引脚分布图及其功能DS18B20的引脚图如图3.9所示。整理为word格式图3.9 DS18B20引脚图引脚功能说明：NC（1、2、6、7、8脚）：空引脚，悬空不使用；VDD（3脚）：可选电源脚，电源电压范围35.5V。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地；DQ（4脚）：数据输入/输出脚。漏极开路，常态下高电平。DS18B20采集电路如图3.10所示。采用数字式温度传感器DS18B20，它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用P1.3与DS18B20的I/O口连接加一个上拉电阻,Vcc接电源,GND接地。图3.1

38、0 DS18B20采集电路3.4 显示模块的选择方案一：采用LED液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多,所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。方案三：采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用的单片机口线少。所以采用了LED数码管作为显示。4 系统软件设计超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生

39、子程序、超声波接收子程序、显示子程序及温度补偿子程序组成。下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接收中断程序，温度补偿程序逐一介绍。 整理为word格式4.1 超声波测距的算法设计超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。声速c与温度有关，应通过温度补偿的方法加以校正。然后根据公式4-1计算出结果。 S=(331.4+0.61T)T0/20000 (4-1)式中S为被测物的距离，T为实际温度()，T0为计数器T0的计数值。 4.

40、2 主程序设计主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按公式4.1计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离。测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED,然后再发送超声波脉冲重复测量过程。主程序流程图如图4.2所示。 开始 系

41、统初始化 发送超声波脉冲 等待发射超声波 计算距离 显示结果图4.2 主程序流程图整理为word格式4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。定时中断子程序流程图如图4

42、.3所示，外部中断子程序流程图如图4.4所示。 外部中断入口 关外部中断 读取时间值 计算距离 结果输出 开外部中断返回 发送完否？ 定时中断入口 定时初始化 发射超声波 停止发射 返回NY 图4.3 定时中断子程序流程图 图4.4 外部中断子程序流程图部分程序如下：/*发送程序*/void TIMER1() interrupt 3vout=!vout;k+;if(k=4)/*超声波肪冲个数控制（为赋值的一半）*/k=0;TR1=0;ET1=0;for(j=200;j0;j-);/*1ms延时避开盲区*/for(j=200;j0;j-);for(j=200;j0;j-);整理为word格式EX

43、0=1;/*开启外部中断0*/*接收程序*/void PINT0(void) TR0=0;TR1=0;ET1=0;EA=0;EX0=0;rec_flag=1;/*接收成功标志位置1*/time=TH0;time=time*256+TL0;time=time-120;/*补偿软件或硬件带来的误差*/distance=time*0.017;4.4 温度补偿子程序/*ds18b20延迟子函数*/void delay_18B20(uint i)while(i-);/*ds18b20初始化函数*/void Init_DS18B20(void) uchar x=0;DQ=1; /DQ复位 ds18b20通

44、信端口 delay_18B20(8); /稍做延时DQ=0; /单片机将DQ拉低delay_18B20(80); /精确延时 大于 480usDQ=1; /拉高总线delay_18B20(4);x=DQ; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败delay_18B20(20);/*ds18b20读一个字节*/uchar ReadOneChar(void)uchar i=0;uchar dat=0;整理为word格式for (i=8;i0;i-) DQ=0; / 高电平拉成低电平时读周期开始 dat=1; DQ=1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; delay

45、_18B20(4);return(dat);/*ds18b20写一个字节*/void WriteOneChar(uchar dat) uchar i=0; for (i=8;i0;i-) DQ=0; /从高电平拉至低电平时,写周期的开始 DQ=dat&0x01; /数据的最低位先写入 delay_18B20(5); /60us到120us延时 DQ=1; dat=1; /从最低位到最高位传入/*读取ds18b20当前温度*/void ReadTemperature()uchar a=0;uchar b=0;uchar t=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);

46、 / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换delay_18B20(100); / this message is wery importantInit_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） delay_18B20(100);a=ReadOneChar(); /读取温度值低位b=ReadOneChar(); /读取温度值高位整理为word格式 temp1=b4; /低8位中的高4位值加上高8位中后三位数的值 /temp1室温整数值/t

47、emp2=a&0x0f; /小数的值/xs=temp2*0.0625*10; /小数位,若为0.5则算为5来显示 xs小数5 电路的安装与调试5.1 电路安装要注意问题电路设计完成以后要进行电路的安装，在安装要注意以下几个方面的问题。(1)准备好常用的工具和材料。要将各种电子元器件及结构各异的零部件装配成符合要求的电子产品，一套基本的工具是必不可少的，如烙铁、钳子、改锥、镊子和焊锡。正确使用得心应手的工具，可大大提高工作效率，保证装配质量。(2)所有的电子元器件在安装前要全部测试，有条件的还要进行元器件老化处理，以保证元器件的质量。(3)有极性的电子元器件安装时其标志最好方向一致，以便于检查和

48、更换。集成电路的方向要保持一致，以便正确布线和查线。(4)布线要按信号的流向有序连接，连接要做到横平竖直，不允许跨接在集成电路上。另外导线的选择要粗细适中，避免导线与电路板之间接触不良。5.2 电路的调试5.2.1 调试电路常用的仪器(1)万用表。它可以测量交直流电压、交直流电流、电阻、电容、半导体二极管和三极管，具有精度高、使用方便、应用广泛等特点。(2)示波器。利用示波器可以对电路中的各点电位进行测量和观察波形，同时可以比较任意两点波形的相位关系。示波器具有高的灵敏度、高的交流阻抗、对负载影响小等特点，使用示波器时应注意的是使用示波器的频率一定要大于被测信号的频率。(3)信号发生器。应为经

49、常要在加信号的情况下进行测试，则在调试和故障诊断时最好备有信号发生器，如FG-63型函数发生器，它可以产生正弦波、三角波及方波等波形。5.2.2 调试电路前的检查电路安装完以后，不要急于通电，首先要根据电路原理图认真的检查电路板正确连接。主要直接观察电源、地线、信号线、元器件之间连接是否短路，连接是否有接触不良，元器件是否漏焊，二极管、三极管和电解电容的极性有无错误等。整理为word格式5.2.3 调试步骤对电子系统的调试一般采用化整为零，分块调试，一般分为以下几个步鄹。(1) 不通电检查电路焊接安装完毕后，不要急于通电，先要认真检查电路板连接是否正确，是否有虚焊、漏焊和错焊的地方，包括错线、

50、少线和多线。直观检查电源线、地线、信号线以及元件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良；二极管、三极管及电解电容等引脚有无错误连接，集成电路是否插对等。为了避免作出错误的判断通常采用两种查线方法：一是按照设计的电路图检查焊接电路，把电路图上的连线按一定的顺序在焊接好的电路板上逐一对应检查，这种方法比较容易找出错误；另一种方法是按照实际电路来对照电路原理图，按两个元器件的引脚连线去检查。(2) 通电检查在确认电路连接没有错误的情况下接通电源。电源接通后不要急于测量数据，而是首先观察是否有无异常现象，如有无冒烟，是否闻到异常味道、手摸元器件是否发烫，电源是否有短路现象等。如有异常应立即关断电源，排除

51、故障后再重新通电测试。(3) 分块调试把电路按照功能分成不同的模块，分别对不同的模块进行调试。调试顺序通常是按照信号的流向进行，这样可把前级测试过的输出作为后一级的输入信号，为最后统调创造条件。分块调试包括静态调试和动态调试，静态调试是在没有外加信号的条件下测试电路各点电位，通过静态测试可以及时发现已损坏的器件或其他故障；动态测试是在信号源的作用下，借助示波器观察各点波形，进行波形分析，测量动态指标。把动态和静态测试的结果与设计的指标加以比较，经深入分析后，对电路与参数提出合理的修正。调试电路过程中应对测试结果做详尽的记录。(4) 整机调试各单元电路调试好以后，还要将它们连接成整机进行调试。整

52、机调试主要观察和测量动态性能，把测量结果与设计指标逐一对比，找出问题的解决方法，然后对电路及参数进行修正，直到整机的性能完全符合设计要求为止。5.2.4 调试注意事项 (1) 超声波探头表面严禁用手及其它物体触摸以免产生信号滞后性及损坏。(2) 所有集成器件最好拔下烙铁插头再焊接,以免损坏。(3) 通电调试时要接5V直流电源。(4) 接收电路应用铁皮屏蔽以增加抗干扰的性能。(5) 被测物体表面必须平坦。(6) 测量时在超声波测距仪周围没有其他可发射超声波的物体。(7) 在测距中应保证测距仪与被测物体距离为定值,要和被测物体成一条直线,使测得距离读数的准确性。整理为word格式6 系统的测量数据

53、及误差分析6.1 实测比较根据实物测量出一些数据，它与标准值之间的比较如表6-1。表6-1 实际测量值与标准值的比较实测值标准值0.31m0.30m0.51m0.50m0.72m0.70m0.93m0.90m1.23m1.20m1.53m1.50m1.74m1.70m 实测值：用做出的实物测的到障碍物的距离值； 标准值：用直尺测出到障碍物的距离值。因受发射功率限制，测量范围在0.2m-2.5m。6.2 温度误差分析超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进

54、去。 美国国家半导体公司的DS18B20温度传感器的温度测试分辨率为0.0625，-55至+125准确度为1.0，I2C总线接口。用AT89S51的通用I/O端口能很容易的模拟I2C总线的读写时序，DS18B20的高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。6.3 时间误差分析当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907ms。 在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体

55、作时钟基准的AT89S51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用AT89S51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。整理为word格式6.4 感应角的误差分析两个超声波探头即发射探头和接收探头和障碍物之间存在一个几何角度，反射波入射到探头存在一定的角度，当这个角度过大时，这就会造成测量较大的误差，或者说根本接收不到回波信号。特别是在障碍物的距离较小的时候这个误差就成为了距离测量的主要误差的原因，但是这种误差是可以尽量减小的，利用发射能力强、散射小的探头，或者多用几个探头。整理为word格式结 论本设计介绍的是基于单片机的测距装置设计，文中给出了具体的系统的硬件和软件的设计思路方

56、案。而超声波测距模块是设计中的关键模块，超声波驱动电路使用的是74LS04放大电路对信号放大转换发射超声波去进行测距，超声波回波经过CX20106A芯片增益整形放大滤波最终输到单片机相应端口并执行中断程序,并用DS18B20芯片进行温度补偿，本设计中测距显示模块采用的是单片机动态扫描方式将测得距离通过4位共阳极数码管显示出来的。设计的程序是利用Keil编程软件来完成的，程序所用的语言是C语言，程序内容包括40 kHz方波信号的产生、读取超声波传送回波的时间、温度补偿、计算距离、数码管显示等模块。毕业设计是当代大学生学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的电子设计，我摆脱

57、了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，增加了经验，并且意志力，耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。设计的过程中，虽然遇到的问题非常多，但在经过任老师的指导和同学们的帮助下，最终顺利完成了本设计。整理为word格式参考文献1 阎石. 数字电子技术基础M. 北京：高等教育出版社，2004.2 侯媛彬. 凌阳单片机原理及其毕业设计精选M. 科学

58、出版社，2006.3 李建忠. 单片机原理及应用M. 西安：西安电子科技大学出版社，2008.4 胡汉才. 单片机原理及其接口技术M. 北京：清华大学出版社，2010.5 霍孟友等. 单片机原理与应用M. 北京：机械工业出版社，2004.6 陆冬妹. 基于温度补偿的超声波倒车测距系统的设计J. 齐齐哈尔大学学报，2011.7 卿太全，郭明琼. 最新传感器选用手册M. 北京：中国电力出版社，2009.8 李朝青. 单片机原理及接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.9 高海生，杨文焕. 单片机应用技术大全M. 成都：西南交通大学出版社，1996.10 张友德，赵志英，涂时亮. 单片机微型机原理、应用与实验M. 上海：复旦大学出版社，1992.11 谢自美.电子电路设计M.武汉：华中理工大学出版社，2000. 12 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计M.北京：北京航空航天大学出版 社，2004.13 何立民.MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，1990.14 刘守义.单片机应用技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2003.1