基于单片机AT89S52的超声波测距仪的设计.docx

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1、本科毕业论文（设计）论文题目：基于单片机AT89S52的超声波测距仪课程设计任务书批注xb21cn3:论文中不要任务书毕业论文的主要内容和要求：1、选题要求：目前，超声波测距仪技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值。甚至物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合等普遍应用。因此，设计一种以单片机AT89S52为核心的数字显示超声波测距仪系统成为必要。2、研究内容及目标：(1)采集数据(2)硬件设计的原理与方法(3)系统软件设计(4)绘制流程图、原理图等(5)总结分析，对设计结果进行评价3、研究方法及途径(1)查阅资料：熟悉单片机的超声波测距仪系统

2、(2)利用所专业知识完成相关参数计算(3)利用所学专业知识完成系统设计(4)编写设计说明书(5)利用手工或计算机绘图。毕业论文阶段需完成的主要工作：1.查阅文献最少25篇，并在综述中体现内容；2 .完成基于单片机的超声波测距仪系统的方案设计：3 .完成设计计算说明书一份，约5000-8000字左右；4 .完成流程图、原理图(A3)3-6张：5 .完成论文答辩。主要参考文献：1 .可编程控制器原理及应用2 .单片机原理与应用设计3 .数控基础与原理4 .电工电子技术5 .传感器原理与应用毕业论文进程安排序号毕业论文各阶段名称截止日期I阅读任务书、查阅资料、撰写开题报告2021.12.302开题报

3、告修改2022.1.103专业实习、观察相关机构、积累资料2022.3.154设计计算、设计绘图2022.3.305完成初稿一一设计计算说明书、所有图纸2022.4.106检查、修改、完成第二稿2022.4.207修改，完善，设计总结完成第三稿2022.4.308完成第四稿，上交毕业设计结果、申请论文答辩2022.5.69论文答辩2022.5.10指导教师签名：郑隆举院系审核意见：院系毕业设计（论文）领导小组组长签字：年月日注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师填写并交院系毕业论文领导小组审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。批注xb21cn4:改为本论文批注（x

4、b21cn5:取消这个来字除用以AT89S52单片机为核心,网设计一种低成本、高精度、微型化数字显示的超声波测距仪。超声波测距可测出发射和接收之间的时间间隔，利用S=M2就可以算出距离，再在LED上显示出来。而限制超声波测距准确度的因素有：超声波的幅度、反射面的质地、反射面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。根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89S52单片机为主控制器，用LCD1602显示，附之以发射电路与接收电路来实现。通过对外界温度的测量，设计温度补偿电路，对声速进行了修正，提高了测量精度。关键词，AT89S52；超声波；

5、涌距；温度补偿；LCD1602论文类型：A工程设计AbstractAnultrasonicrangefinderwithAT89S52single-chipmicrocomputerasthecoreisdesignedtodesignalow-cost,high-precisionandminiaturizeddigitaldisplay.Ultrasonicrangingcanmeasurethetimeintervalbetweenemissionandreception.ThedistancecanbecalculatedbyusingS=M2,andthendisplayedon(h

6、eLED.Thefactorslimitingtheaccuracyofultrasonicranginginclude:theamplitudeoftheultrasonicwave,thetextureofthereflectionsurface,theanglebetweenthereflectionsurfaceandtheincidentsoundwave,andthesensitivityofthereceivingtransducer.Thedirec(receptioncapacityofthetransducertotheacousticpulsewilldcterminet

7、heminimummeasurabledistance.Accordingtothedesignrequirementsandthesynthesisofvariousfactors,theAT89S52single-chipmicrocomputerisusedasthemaincontroller,displayedwithLCD1602,accompaniedbythetransmissioncircuitandthereceivingcircuit.Throughthemeasurementofexternaltemperature,atemperaturecompensationci

8、rcuitisdesigned,andthesoundspeediscorrectedtoimprovethemeasurementaccuracy.Keywords:AT89S52;ultrasonic;ranging;temperaturecompensation;LCDl602PaperType:AEngineeringDesign目录摘要IAbstractIl1绪论21.1 单片机应用概述21.2 超声波测距仪的研究意义21.3 研究内容及目标：21.4 研究方法及途径22系统概述42.1 超声波测距仪的系统原理42.2 检测方法43系统主要硬件设计63.1 单片机超声波测距系统设计框

9、图63.2 单片机AT89S526321主要性能73.2.2引脚说明7引脚号第二功能（表3.2.2）：83.3 液晶显示器LCD160293.3.1 显示原理93.3.2 技术参数103.3.3 连接方式103.4 超声波发送电路与接收电路113.4.1 压电传感器113.4.2 发送电路原理图113.4.3 超声波接收电路123.5 超声波显示电路123.6 温度补偿电路133.7 报警电路144系统程序设计154.1 测距仪的算法设计154.2 总体方案设计154.3 程序流程图及程序164.4 温度补偿系统的效果16总结18参考文献19致谢201绪论1.1 单片机应用概述单片微型计算机简

10、称单片机(MCU)较多应用于控制领域，也叫做微控制器。这个芯片级的计算机，它的技术是将计算机中的输入输出I/O接口电路、中断控制器、CPU、RAM、ROM定时器、调制解调器、模数/数模转换器等芯片集成在这一个芯片上。计算机技术从通用型的计算领域迈入到智能化的控制领域正是因为单片机的出现和发展。当今社会计算机技术正在飞速发展，并正在潜移默化地改变着我们的生活。而在我们现代化生活中嵌入式技术方心未艾，嵌入式技术是当前最具发展前景、最热门的IT应用之一。应用嵌入式技术可以加速社会进入智能化时代，它较常应用于具有较高实时响应要求的电子产品中。单片机作为嵌入式技术的核心，它的广泛应用促使电子系统的智能化

11、达到了高速发展。比如系统更新升级，我们无需对硬件系统做出任何改动，只需对系统软件更新升级即可完成。在当今社会嵌入式系统所在多有，它已经被应用于我们日常生活的各个领域，不断地优化我们的生活，使人类发展史上的一个里程碑。1.2 超声波测距仪的研究意义生活中有很多传统测距方法无法解决的问题。比如，液面测量采用的方法是传统电极法，而他具体利用的是差位分布电极，检测液面的方法是给电或脉冲。而这种方法要求电极长期处于各种液体内，因此电极极其容易被电解、腐蚀损害，进而破坏或丧失灵敏性。再有现在我们生活中常见的车辆安全系统，它需要在车体距离障碍物不足或接近危险距离时作出提醒，他正是运用我们的超声波技术来完成。

12、这一运用的实现可以减少车辆损耗，也可提高交通安全系数。而超声波比光速慢、易于定向发射、强度好控制、方向性良好、不受外界光、电磁场等一系列因素的影响，在不太完美的环境下也基本可以维持正常工作。目前，超声波测距仪技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值。甚至物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合等普遍应用。但是传统超声波测距仪采用的传统数字和模拟电路，它们的构建系统调试困难、可靠性差、不易于扩展，因此，设计一种以单片机AT89S52为核心的数字显示超声波测距仪系统成为必要。1.3 研究内容及目标：(1)了解超声波测距仪的原理(2)硬件设计的原理与方

13、法(3)系统软件设计(4)绘制流程图、原理图等(5)总结分析，对设计结果进行评价1.4 研究方法及途径(1)查阅资料：熟悉单片机的超声波测距仪系统（2）利用所专业知识完成相关参数计算（3）利用所学专业知识完成系统设计（4）编写设计说明书（5）利用手工或计算机绘图。2系统概述1.1 超声波测距仪的系统原理超声波测距的原理是利用超声波的发射以及接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。人耳可听到的声频为20HZ20KHZ,也叫做可听声波，除此之外的声波称为不可听波。而超过2OKHZ的称为超声波，它沿直线传播，频率越高，反射能力越强。超声波传感器就是利用了这种特性。超声波的传播主要受空气密度的影响

14、，空气的密度越高其速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。实现超声波测距的方法有很多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。本设计的控制电路和技术实现方面采用AT89S52单片机，实现方式是超声波测距、LCD16O2液晶显示器显示结果。2. 2检测方法本测距系统采用的是超声波渡越时间检测法，其原理为：检测出从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即“渡越时间”。渡越时间t与气体中的声速V相乘，就是声波传输的距离S。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，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

15、停止计时，再由单机计算出距离，在LCDI60液晶显示器上显示测量结果。超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值(如表1)。根据计时器记录的超声波传播时间(见图1),以及超声波在相应介质中的传播速度就可以计算出发射点距障碍物的距离S(S=V*t2),其中V为超声波在空气中的传播速度，I为声波往返所用的时间。本系统设置了温度补偿环节，设超声波速度为V,往返时间为3温度为T,则有V=331.5+0.61T,因此测距距离S为S=(331.5+0.61T)*t/2(2.1)表1声速与温度的关系温度(C)-30-20-100102030100声速(ms)313319325323338344349386

16、3系统主要硬件设计3.1单片机超声波测距系统设计框图该系统由AT89S52单片机控制模块、DS18B20温度补偿电路、超声波发射模块、供电电源、超声波接收电路、报警电路和显示电路。超声波测距仪的硬件设计的系统框图如图2所示。3. 2单片机AT89S52单片机系统由CPUAT89S52和具有一定功能的外围电路组成，具体有复位电路（为单片机提供复位电压）、晶振（提供系统频频率）。本系统采用的是Atmel公司的AT89S52单片机。AT89S52是一款低功耗、高性能的CM0S8位微控制器，具有8KB在系统可编程的FlaSh存储器，256字节的内部RAM,该芯片具有ISP功能，非常便于开发调试，广泛应

17、用众多嵌入式控制应用系统。使用高密度非易失性存储器技术制成，可完全兼容工业80C51产品指令和引脚（芯片内部图如下图3,管脚图见下图4）.C3l(hVcc二 C 三一 0I曲曲 9=XTALI2M呼rPLOVCCPllPOOPl 2PO!Pl 3P02pi.4mPUP04Pl 6P05PIMJCK P06RSTP07P30XDEA押 PP403920N:GRlfTXD P32flNTO P33NTI P34) P35ffl P36WR P37JRD XTAU XTALl GHD奖”3635343332K3O2928刀2625242322X-T(T2)P1.OC (T2EX)P1.1CP1.2C

18、P1.3CP14C (MOSI)Pl 5 C (MiSO)Piec (SCK)PlJCRsr (RXD) P3.0 C (TxD)P3匚 丽P3.2匚 (Wn)P3 3 匚 (TO) P34C (TI)P3.5 匚 (WR)PieC (RD)P3 7 匚XTAL2： XTALlCGNDC3 VCC3 PO.O(ADO) 3PO.1 (ADl) JP02(AD2) 1PO3(AD3) JP0.4(AD4) 3P0.5(AD5) JP0.6(AD) 3P0.7(AD7) JEXW ZJAlMTO3 PSEN JP27(A15)3P2,(Al4)P2.5(A13)3P24(A12)1P2.3(A11

19、) JP22(A1O)DP2,1(A9)JP2.0(A8)图4 AT89S52管脚图图3单片机AT89S52芯片图3. 2.1主要性能1、与MCS-51单片机产品兼容；2、8K字节在系统可编程FlaSh存储器;3、IooO次擦写周期：4、全静态操作：OHz-33MHz;5、三级加密程序存储器：6、32个可编程I/O口线；7、三个16位定时器/计数器；8、8个中断源；9、全双工UART串行通道；10、低功耗空闲和掠电模式：11、掉电后中断可唤醒；12、看门狗定时器：13、双数据指针；14、掉电标识符。3. 2.2引脚说明AT89S52具有以下标准功能:8KBFIash、256BRAM、32位I/

20、O口线、2个数据指针、片内晶振及时钟电路、看门狗定时器、三个16位定时器/计数器、全双工串行口、1个6向量2级中断结构。另外AT89S52可降至OHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择的节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM定时器、RAM计数器、中断系统及串行通信口继续工作。在掠电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。PO口：PO口是一个8位漏极开路的三态（高电平、低电平、高电阻）双向I/O口。它作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑电平。它可用作高阻抗输入、用作低8位地址/数据复、用来接收指令字节、输出指令字节。程序校验时，福要

21、外部上拉电阻。Pl：Pl口是一个具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，pl输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平，对于单片机AT9S52具有特异功能。注：P1.0和P1.1分别作为定时器或计数器的外部计数输入（P1.0/T2）和定时谓或计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在进行flash编程和校验时，Pl口接收的是低8位地址字节OP211:P2是一个具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个TTL管，具有地址传输功能。P3三P3是一个具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，能驱动4个TTL逻辑电平。亦作为AT89S52特殊功能使用，如下表所示。在flash编程和校验时，也接收一些控制信号

22、。引脚号笫二功能（表3.2.2）：引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P3.0RXD串行数据接收端P3.1TXD串行数据发送端P3.2INTO外部中断0请求端，低电平有效P3.3INTI外部中断1请求端，低电平有.效P3.4TO定时/计数器0外部事件计数输入端P3.5Tl定时/计数器1外部事件计数输入端P3.6WR外部数据存储器写信号，低电平有效P3.7PD外部数据存储器读信号，低电平有效RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。变成低电平时，系

23、统将执行程序。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，PO口送出的低8位地址将被锁存于外部地址锁存器。一般情况下，它可对外输出时钟或用于定时目的，因为ALE仍输出固定的脉冲信号（时钟振荡频率的1/6）因此，我们需要注意：访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。必要时，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的Do位进行置位，从而禁止ALE操作。当Do位置位后，只能用MOVX和MOVC指令对ALE激活；同时，该引脚会被小幅度拉高。因此单，当片机执行外部程序时，应对ALE禁止位设置无效。PSEN：程序储存允许

24、输出是外部程序存储器的读选通信号，由外部程序存储器进行读取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个有效低电平脉冲：而访问外部数据存储器时，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。要使CPU仅访问外部程序存储器，EA端须保持低电平（接地）；若EA端为高电平（即接VCC端），CPU则需要先执行内部程序存储器的指令，再访问外部存储器。需注意的是：VPP（+12V）为编程允许电源，使用FLASH编程时接于引脚处。XTAL1：振荡器反相放大器和内部肘钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。编程方法：1 .设置地址、数据、控制信号2 .将编程单元地址信号输入

25、到地址线上3 .将正确的数据输入数据线4 .将相应的控制信号激活5 .将EA/VPP升至12V6 .在FLASH编程时，每写入一个字节给ALE/PR0G一次脉冲。重复上述步骤直至编程结束。3.3液晶显示器LCDI6021.CDI602液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它由LCD、控制主电路HD44780、以及少量电阻、犷展驱动电路HD44100、结构件电容元件、等装配在PCB板上而组成。外观图见卜,图5.IO,75.73.“100000000 16130 9 0图5 LCD1602显示器3. 3. 1显示原理点阵式液晶由MXN个显示单元所组成，若使LCD显示屏有64行，每行12

26、8列，每8列为一组去对应1字节的8位，则可以得到每行有16个字节，共由16X8=128个点组成。显示屏上的64X16个显示单元与显示RAM区的1024字节一一对应，而显示屏上相应位置的明喑与每一字节的内容一一对应。即显示屏第一行的是否亮由RAM区的OooHOOFH位置上所对应的16字节的内容来决定，若（OoOH）=FFH,则屏幕左上角显示为一条短亮线，其长度为8个点；若(3FFH)=FFH,则屏幕右下角显示一条短亮线：若(OOOH)=FFH(OOlII)=OOIkT;intt;t=THO*256+TLO;THO=TLO=0;if(temperature08000)T=temperature*0

27、.625;elseT=temperature*0.625;c=331.5+0.61*T;dist=(t*c(2*100)/100;)4.4温度补偿系统的效果该系统加入后，较好地稳定了测量值。在不同温度条件下得到的系统测量值基本无变化，相对于实际值的误差保持在了1%左右。具体结果如下表(4.4)o表4.4不同温度、不同距离下的实际值与测量值实际距离(cm)测量值(cm)16C192225C1010.110.110.110.15050.650.550.550.58080.780.780.880.7110111110110111140141142142142170172171172171200203

28、202204204240242243243243280283284284284320324324325324380384385384385400405404404405450456456457457500508509509509总结批注xb21cnl3:总结与展望批注xb21cnl4:再补充论文设计内容的优缺点本设计采用以AT89S52单片机为核心，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示的超声波测距仪。超声波测距可测出发射和接收之间的时间间隔，利用S=M2就可以算出距离，再在LED上显示出来。而限制超声波测距准确度的因素有：超声波的幅度、反射面的质地、反射面和入射声波之间的夹角以及接收换能器

29、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。根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89S52单片机为主控制器，用LCD1602显示，附之以发射电路与接收电路来实现。通过对外界温度的测量，设计温度补偿电路，对声速进行了修正，提高了测量精度。超声波测距的原理是利用超声波的发射以及接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。人耳可听到的声频为20HZ20KHZ,也叫做可听声波，除此之外的声波称为不可听波。而超过20KHZ的称为超声波，它沿直线传播，频率越高，反射能力越强。超声波传感器就是利用了这种特性。超声波的传播主要受空气密度的影响，空气的密度越高其速度就越快，而空气的密度乂

30、与温度有着密切的关系。实现超声波测距的方法有很多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。本设计的控制电路和技术实现方面采用AT89S52单片机，实现方式是超声波测距、LCD1602液晶显示器显示结果超声波发射电路的主要功能是为了让反相器74LS04和超声波发射换能器TC140-16T能向外界发40KHZ左右的方波脉冲信号。常用一种方式将方形波信号添加至产生波换能器两端，该信号由单片机P1.0输出后一路经过一级反相器送至超声波换能器的一个电极上；另一路经过两级反相器后送至超声波换能器的另一个电极处。上述方式用于提高超声波的发射强度。输出端我们并联两个反相器进而提高驱动能力。电路中使用

31、的两个上位电阻RIO、Rll可以提高反相器的输出高电平驱动能力、增强超声波换能器阻尼效果，缩短自由振荡时间。由于超声波的传播速度和环境温度有关，本系统采用温度补偿对超声波的传播速度进行校正，以增大应用范围及减小误差。采用美国DalIaS公司DS18B20传感器,DS18B20数字温度传感器采用外部电源供电方式的测温电路图，它具有不受外界干扰、高精确高、测温范围宽等优点。本测距系统采用的是超声波渡越时间检测法，其原理为：检测出从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即“渡越时间”。渡越时间1与气体中的声速V相乘，就是声波传输的距离s。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时

32、刻的同时单片机开始计时，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，再由单机计算出距离，在LCD160液晶显示器上显示测量结果。弁考文献批注xb21cnl5):共计20篇左右，其中5篇左右书籍.15篇左右期刊文献1兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计J.电子测量技术，2013,36(2):85-87.2沈红卫.基于单片机智能系统设计与实现M.北京：电子工业出版社，2005.3林二妹.基于AT89S51单片机的超声波测距系统设计.电子信息技术，2013,310(4)：127-1304田桥,郑颖,基于单片机的汽车倒车测距仪J.计算机产品与流通,201

33、9(6):127.5罗紫阳，陈鹏.基于单片机控制的超声波测距系统设计与实现J.数字通信世界,2019(6):91.致谢光阴荏苒，大学的学习即将完毕，四年的学习生活使我收获颇丰。经过两个多月的磨砺，我的毕业论文终于完稿，回首这段工夫以来搜集、整理、思索、停滞、修正直至最终完成的进程，我接受到了来自身边人的许多的关心和协助.如今要向他们表达我最诚挚的谢意。首先要感激我们学校的各位教师，是你们教会了我们勤劳学习，老实做人，踏实做事，以宽容之心面对生活。指引着我们沿着正确方向行进。在点滴会聚中使我逐步构成正确、成熟的人生观、价值观。特别要感激我的指点教师一一郑隆举教师，给予我的各种协助。在论文的选题、搜集材料和写作阶段，郑隆举教师都倾注了极大的关心和鼓舞。在论文的写作进程中，郑隆举教师也会放下忙碌的教学任务，诲人不倦地指点我；在我初稿完成之后，教师乂在百忙之中抽出工夫对我的论文仔细修改.提出许多珍贵的指点意见，使我在写作进程中不致迷失方向。同时也感激我的家人和同窗们，正是在你们殷切目光的凝视下，我才一步步的完成了求先生涯。是你们，让我拥有一个温馨的家庭，一个幸福的班级人，让我一切的一切都可以在你们这里失掉了解与支持，失掉体谅和分担。你们的支持和鼓舞是我行进的动力，感激你们。