目 录 摘要 1 前言 3
第一章 绪论 4 11 选题背景与意义 4 12 研究现状 4 13 研究内容 5 第二章 总体设计 6 21 系统框图 6
22 超声波测距仪设计要求 6 23 使用元件选择 6 第三章 系统硬件设计 7 31 超声波传感器电路模块 7 maxbook118com HC-SR04实物图 7
maxbook118com HC-SR04的主要技术参数 7 maxbook118com HC-SR04内部结构与工作原理 maxbook118com 发射电路的设计 8 maxbook118com 接收电路的设计 8 32 温度传感器模块 9
maxbook118com DS18B20实物图与引脚定义 9 maxbook118com DS18B20的主要特性 10 maxbook118com DS18B20的工作原理 10
8 33 数码管显示模块 11
maxbook118com 七段数码管的结构与工作原理 11 maxbook118com 七段数码管的驱动和显示方法 11 34 STC单片机最小系统模块13
maxbook118com STCC51单片机最小系统13 maxbook118com STCC51单片机的主要特性13 第四章 系统软件设计 15 41 系统软件总设计 15 42 传播时间的获取 16 43 DS18B20对温度的补偿 17 44距离的计算 21 第五章 总结与分析 22 参考文献 23 致谢 24 附录 25 摘 要
随着科学技术的飞速发展超声波在生产生活中的应用范围越来越广目前离我们生活最近的超声波应用就是测距超声波测距主要应用于倒车提醒建筑工地工业现场等的距离测量
本论文设计了一种基于STCC51单片机的超声波测距仪该仪器以空气中超声波的传播速度为已知条件利用反射超声波测量待测距离本设计利用超声波传感器HC-SR04发射超声波并接收回波的方式
统计超声波传输的时间采用STCC51单片机作为控制核心结合温度传感器DS18B20采集的温度信息将声速做相应的补偿并计算出距离最后通过4位数码管将所测距离信息显示出来
根据结果显示该设计达到了预期要求基于STCC51单片机的超声波测距仪可以实现
关键词STCC51 超声波传感器 DS18B20 Abstract
With the rapid development of science and technology the scope of application of ultrasound in the production and everyday life is wider At present what is the most common to our life in the application of ultrasound is the distance measurement Ultrasonic distance measurement is mainly used in reversing reminder construction sites industrial sites and other distance measurement
This paper designed a ultrasonic range finder based on STCC51 the instrument treats the speed of ultrasonic propagation in the air as the known conditions using the reflected ultrasonic measurement testing distance This design uses ultrasonic sensor HC-SR04 emission ultrasonic and receiving the echo statistics ultrasonic transmission time using the STCC51 as the control core Combined with the collected temperature information which will be the speed of
sound corresponding compensation And calculate the distance Finally the measured distance information will be displayed by 4 digital tube
According to the result this design reach the expected requirements the ultrasonic range finder based on the STCC51 can be achieved
Key words STCC51 ultrasonic sensor DS18B20 前言
实际生产生活中人们往往需要对物体间的距离进行精确测量本论文设计了一个可以实时看到距离的超声波测距仪测距精度为2cm最远距离可以达到2m
本设计的测距仪分为多个模块超声波传感器模块温度测量模块微处理器模块和数码管显示模块超声波传感器中的发射电路模块发出超声波遇到障碍物返回并被接收电路模块接收到单片机统计出声波传输所用时间结合温度传感器所测温度计算出实时的声速并得到正确的待测距离最后通过数码管模块将待测距离显示出来
以下为章节安排
第一章提出了本论文的背景和选题意义国内外超声波测距仪的发展现状以及本设计研究的主要内容
第二章总体设计包括系统框图和设计要求
第三章本设计的硬件部分包括超声波传感器电路模块温度传感器模块微处理器模块和数码管显示电路模块
第四章本设计的软件部分包括系统软件的设计流程图DS18B20驱动模块数码管显示和声速的计算
第五章总结分析 第一章 绪论 11 选题背景与意义
超声波可用于非接触测量具有不受光电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点利用超声波在和之间的传输来测量距离对被测目标无损害而且超声波传播速度在大范围内与频率无关超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视 目前对于超声波精确测距的需求也越来越大油库和水箱液面的精确测量和控制物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等在机械制造电子冶金航海宇航石油化工等工业领域也有广泛地应用此外在材料科学医学生物科学等领域中也占具重要地位12 研究现状
国内从五十年代起对超声波测距进行了较多的研究并取得了可喜的成果近年来得益于电子技术的快速发展尤其是单片微机技术的应用和扩展使得原来复杂的超声物位测量仪的设计有了大幅简化的可能如采用zilog公司Z86E08单片机控制的超声波测距数显装置以8098单片机为核心的智能物位测量仪等从而使得超声物位测量仪的应用得到更多的普及
近十年来国内外科研人员在超声波回波信号处理方法新型超声波换能器研发超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析和研究并针对超声测距的常见影响因素提出了温度补偿接收回来串入自
动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施
本文针对国内外超声波测距研究开发的状况研制了一种低成本精度较高的基于STCC51单片机的超声波测距仪
13 研究内容
该超声波测距仪中的超声波传感器HC-SR04中的发射电路模块发出超声波遇到障碍物返回并被接收电路模块接收到STCC51单片机统计出声波传输所用时间结合温度传感器DS18B20所测温度计算出实时的声速并得到正确的待测距离最后通过数码管模块将待测距离显示出来该超声波测距仪的设计要求如下
1 设计制作超声波发射和接收电路 2 设计制作单片机系统带有数码管显示电路 3 编写单片机程序计算和显示距离 第二章 总体设计 21 系统框图
本设计超声波传感器使用HC-SR04温度传感器使用DS18B20微处理器使用STCC51单片机显示部分采用共阳数码管超声波传感器HC-SR04中集成的发射电路模块发出超声波遇到障碍物返回最后被接收电路模块接收STCC51单片机统计出声波传输所用时间结合温度传感器DS18B20所测温度计算出实时的声速并得到正确的待测距离最后通过4个共阳数码管将待测距离显示出来
图21 系统基本框图 22 使用元件选择
由于测量距离的精度和长度要求不是很高精度达到2cm测量距离达到2m即可因此超声波传感器选用价格低廉且实用的HC-SR04即可
控制核心部分选择实用的STCC51单片机即可满足计算和控制要求
用于温度补偿的温度传感器选择普遍且实用的DS18B20 因为显示只需要将距离显示出来就可以了所以显示部分选择了四只共阳数码管
第三章 系统硬件设计
该超声波测距系统硬件设计包括以下模块超声波传感器电路模块微处理器模块温度传感器模块和数码管显示电路模块
31 超声波传感器电路模块
HC-SR04超声波传感器模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能测距精度可高达3mm模块包括超声波发射器接收器与控制电路
maxbook118com HC-SR04实物图 图31 HC-SR04超声波模块实物图 maxbook118com HC-SR04的主要技术参数 所用工作电压直流5V电压 工作静态电流小于2mA
电平输出高电平为5V低电平为0V 感应角度不大于15度
探测距离及精度2cm-450cm 高精度可达3mm
maxbook118com HC-SR04内部结构与工作原理 图31 HC-SR04发射电路图
图32 HC-SR04接收电路图 该超声波传感器的内部结构及电路工作原理如图所示该传感器主要包括两大部分发射电路和接收电路采用IO触发测距给至少10us的高电平信号模块自动发送8个40kHz的方波并自动检测是否有信号返回当接收到回波时通过IO输出一高电平高电平持续的时间t就是超声波从发射到返回的时间测试距离s tv 2v是超声波在空气中传播的速度
maxbook118com 发射电路的设计
超声波传感器的发射电路主要由方波发生芯片40kHz的晶振和MAX232芯片构成单片机给方波发生芯片触发信号后方波发生芯片开始工作产生40kHz的方波信号电平转换芯片MAX232将TTL电平转换成可以驱动振荡器的高电压进而产生所需的40kHz的超声波
maxbook118com 接收电路的设计
本设计中选用的TL740C芯片采用了前置放大电路带通滤波电路后级放大电路将接收到的波形经过整形积分检波滤波和限幅放大等实现接收超声波的功能
当距离较远时回波信号会非常微弱转换后的信号电平幅值很小故要经过若干级放大使输出功率达到一定要求并且为了防止信号出
现较大的失真接收电路可以保证有4MHz的带宽放大后的交流信号送入比较器后输出一个方波信号并使触发器触发向CPU发出中断请求在中断服务程序中读取计数器的计数值结合温度补偿后的声速计算出测距仪距离障碍物的距离
32 温度传感器模块
maxbook118com DS18B20实物图与引脚定义
图33 DS18B20实物图 DS18B20各引脚描述
管脚号 符号 功 能 1 GND 电源地 2 DQ 数据输入输出 3 VDD 电源可选
表31 DS18B20管脚描述
DS18B20数字温度计以9位数字量的形式反映器件的温度值通过一根单线接口发送和接收信息因此在单片机和DS18B20之间仅需一条连接线加上地线用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得无需外部电源
maxbook118com DS18B20的主要特性 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯 简单的多点分布应用 无需外部器件 可通过数据线供电 零待机功耗
测温范围-55℃～125℃华氏器件-67℉～257℉以09℉递增
温度以9位数字量读出
温度数字量转换时间200ms典型值 用户可定义的非易失性温度报警设置
报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度温度报警条件的器件
应用包括温度控制工业系统消费品温度计或任何热感测系统 maxbook118com DS18B20的工作原理
图34 DS18B20测温原理
DS18B20测温原理如图34所示图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变所产生的信号作为计数器2的脉冲输入计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数当计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1计数器1的预置将重新被装入计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数如此循环直到计数器2计数到0时停止温度寄存器值的累加此时温度寄存器中的数值即为所测温度
33 数码管显示模块
maxbook118com 七段数码管的结构与工作原理
七段数码管一般由8个发光二极管组成其中由7个细长的发光二极管组成数字显示另外一个圆形的发光二极管显示小数点
当发光二极管导通时相应的一个点或一个笔画发光控制相应的
二极管导通就能显示出各种字符其控制简单使用非常方便发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管阴极连在一起的称为共阴极数码管
图34 7段数码管内部字段LED和引脚分布 maxbook118com 七段数码管的驱动和显示方法
发光二极管LED是一种由砷化镓等半导体材料制成的能直接将电能转变成光能的发光显示器件当期内部有电流通过时就会发光
图35 数码管显示电路 34 STC单片机最小系统模块
maxbook118com STCC51单片机最小系统
STCC51单片机是一种高性能低功耗8位单片机片内含kbytes只读存储器它的的最小系统由时钟电路复位电路电源电路及单片机构成单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准复位操作则使单片机的片内电路初始化使单片机从一种确定的初态开始运行
12MHz与两个30pF的电容组成振荡电路为系统提供准确的时钟信号复位电路接在RESET口开关打开时RESET口为高电平开关闭合时RESET口变为低电平就产生复位
图35 STCC51时钟电路与复位电路 maxbook118com STCC51单片机的主要特性 增强型流水线精简指令集结构8051CPU 工作电压34V55V 5V单片机 20V38V 3V单
