测试技术基础课程设计报告-超声测距装置的研制.doc

机械工程与应用电子技术学院测试技术基础课程设计报告 中文题目 超声测距装置的研制 英文题目 姓 名 学 号 同组成员 指导老师 成 绩 2013年 6月 7 日中文摘要 本文旨提出了一种基于51单片机的超声波测距系统。本系统通过超声波模块进行数据测量，后经单片处理和计算，最终通过数码管显示出测头与物体实际距离。通过实际测试表明，本系统运行可靠，可以实现超声波这种非接触的测距功能。关键词：51单片机 超声波 测距 English abstract This paper aim to put forward a kind of ultrasonic ranging system based on 51 single chip microcomputer. After this system through the ultrasonic module data measurement, and calculation by the single chip processing, finally through digital tube display the actual distance measuring head and the object. Through the practical test shows that this system reliable operation, can achieve the function of ultrasound to the non-contact ranging. Key words: 51 single chip microcomputer ultrasonic wave ranging 第一章 绪论 1.1 研究背景 随着科技的迅猛发展越来越多的科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。本设计就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性来为我们服务。声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 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。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。超声波测量技术利用回波测距原理，技术发展已经成熟，应用也积累了很多经验。 超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时监控，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。 1.2研究意义 随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广。展望未来，超声波测距仪作为一种非常重要的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。1.3研究基本思路 研究思路如下图所示图1 结构框图第二章 研究原理或基本理论2.1主要元器件选择与芯片介绍表1 主要元器件列表元器件名称单片机STC89C52HC-SR04超声波测距模块四位数码显示管数量1112.1.1 STC89C52介绍 STC89C52是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，2个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外, STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 其PDIP封装如图：图2 STC89C52引脚图2.1.2HC-SR04介绍HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：(1)采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈。(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2;超声波发射接收电路如下图： . 图3 超声波发射电路 图4 超声波接收电路2.1.3四位数码管 图5 数码管结构 图6 常见数码管 图7 四位数码管引脚图其中，6,8,9,12,引脚是四位数码管的四个公共端，控制着四个关键，就可以控制数码管的关断和导通。第三章 系统的设计方案3.1单片机最小系统的设计 最小系统是指能进行正常工作的最简单电路。STC89C52最小应用系统电路如图3.1所示。它包含五个电路部分：电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。其中电源电路、时钟电路、复位电路是保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路，缺一不可。 图8 STC89C52最小应用系统下面简单介绍下单片机最小系统的三个主要部分：电源电路 芯片引脚VCC一般接上直流稳压电源+5V，引脚GND接电源+5V的负极，电源电压范围在45.5之间，可保证单片机系统能正常工作。为了确定单片机是否供上电，在VCC和地之间连接了一个发光二极管和1K的电阻。时钟电路 单片机引脚18和引脚19外接晶振及电容， STC89C52芯片的工作频率可在233MHz范围之间选，单片机工作频率取决于晶振XT的频率，通常选用11.0592MHz晶振。两个小电容通常取值30pF，以保证振荡器电路的稳定性及快速性。复位电路 一般若在引脚RST上保持24个工作主频周期的高电平，单片机就可以完成复位，但为了保证系统可靠地复位，复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平。如图复位电路带有上电自动复位功能，当电路上电时，由于C1电容两端电压值不能突变，电源+5V会通过电容向RST提供充电电流，因此在RST引脚上产生一高电平，使单片机进入复位状态。随着电容C1充电，它两端电压上升使得RST电位下降，最终使单片机退出复位状态。正常运行时，可按复位按钮对单片机复位3.2超声波测距显示电路系统设计 本设计采用了四位共阳极数码管作为显示的器件，6,8,9,12引脚是数码管的位选信号端，1，2,3,4,5,7,10,11控制数码管的位选，四位数码管分别用一个S9015三极管进行驱动。 图9 四位数码管接线图3.3 超声波系统设计 图10 超声波模块引脚简图同时，本次课设我也负责了软件部分的制作。下面是LABVIEW程序截图： 图11 LABVIEW界面第四章 结果分析本报告介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的设计。给出了硬件和软件的设计方案。 超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、结构、检测方式以及它的一些特性。只有深入地了解超声波传感器的工作原理，才能更好的设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用STC89C52单片机。通过检测发射和接受的时间差值，通过计算得到距离。本系统的LED显示当前的距离。单片机内部采用C语言编程，方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出都由单片机编程完成。 本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从1cm到500cm，测量精度在3mm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。参考文献:1 秦曾煌, 姜三勇. 电工学-电子技术M. 高等教育出版社. 2 熊诗波, 黄长艺. 机械工程测试技术基础M. 机械工程出版社.感想和体会这次课设我主要负责的内容是软件功能部分和硬件选材、焊接电路。软件上预期通过LABVIEW采集出距离曲线，最终求导而得到速度曲线。但是在实践过程中我发现由于超声波模块本身的性质等原因，测距一次后中间需要间隔60ms才能发射第二次波形以避免干扰，这就