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1、精品学习资源JIANGXINORMALUNIVERSITY传感器原理课程设计题目： 基于超声波传感器地测距系统院系名称：物理与通信电子学院同学姓名： 黄路瑶同学学号： 1208063015 专 业： 电子信息工程任课老师： 刘刚完成时间： 2021 年 6 月欢迎下载精品学习资源摘要本文主要介绍了基于超声波传感器地测距系统地工作原理、硬件电路地设计和软件设计.该测距系统由单片机最小系统模块、温度采集模块、超声波测距模块，LCD 显示模块组成.能够完成距离和温度地测量、显示等功能.关键词：超声波测距，单片机最小系统，温度采集欢迎下载精品学习资源摘要1 引言12 设计要求13 方案论证13.1 方
2、案论证与比较23.2 单片机最小系统模块地方案23.3 温度采集模块地方案33.4 超声波测距模块地方案33.5 显示模块地方案35 系统设计45.1 单片机最小系统模块地设计45.1.1 复位电路地设计45.1.2 时钟电路设计 -55.1.3 单片机地 I/O 口地安排55.2 LCD1602 显示模块地设计65.2.1 1602接口信号说明75.2.2 1602操作时序75.3 DS18B20温度采集模块地设计 -85.3.1 DS18B20地辨论率95.3.2 DS18B20工作时序图95.4 超声波测距模块地设计106 软件设计116.1 程序流程图126.1.1 主程序流程图 -1
3、26.1.2 外部中断 0 流程图136.2 子程序设计136.2.1 温度采集模块子程序 -136.2.2 LCD 显示子程序157 误差分析177.1 温度177.2 障碍物表面材料177.3 超声波模块探头距离178 总结17参考文献18附录一：源程序19附录二：实物图25欢迎下载精品学习资源1 引言近年来，随着电子测量技术地进展，运用超声波作出精确测量已成可能.由于地经济进展，电子测量技术应用也越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳固就备受青睐 .由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等地影响，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
4、保护、不污染、高牢靠、长寿命等特点.因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间 定位、大路限高等行业中 .可在不同环境中进行距离精确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位掌握，可进行差值设定，直接显示各种液位罐地液 位、料位高度 .利用超声波检测往往比较快速、便利、运算简洁、易于实现实时掌握，由于超声波测距系统具有以上地这些优点，因此在汽车倒车雷达地研制 方面也得到了广泛地应用 .2 设计要求设计并制作一个基于超声波传感器地测距系统，基本要求如下：测量范畴为0.2-1m；测量精度
5、为 2mm；并能实时显示 .3 方案论证依据此题设计要求，确定了本系统地原理框图如图3-1 所示.欢迎下载精品学习资源超声波测距模块温度采集模块单片机最小系统模块：触发、中断接收、距离运算Lcd 显示模块欢迎下载精品学习资源图 3-1 原理框图欢迎下载精品学习资源3.1 方案论证与比较依据题目地要求，我提出了以下地两种系统设计方案供挑选：方案 1：由单片机编程产生 40kHz 地方波，由IO 口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波.发射出去地超声波经障碍物反射回来后， 由超声波接收头接收到信号，通过接收电路地检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机 .单片机利用声波地传播速度和
6、发射脉冲到接收反射脉冲地时间间隔运算出障碍物地距离 ,并由单片机掌握显示出来 .方案 2：由单片机掌握集成超声波测距模块HC-SR04，通过用一 IO 口发一个 10us 以上地高电平给集成模块掌握口，就可以在接收口等待高电平输出，一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平常就可以读定时器地值，并由单片机实时检测 .单片机利用声波地传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲地时间间隔运算出障碍物地距离 ,并由单片机掌握显示出来 .由于超声波也是一种声波，其声速 c 与温度有关，所以温度地影响不能忽视不计，本方案中对声速c 仍添加了温度补偿 .通过上述两种方案地比较，由于集成超声波测距模块HC-SR04
7、 供应 2cm 至400cm 地非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm,模块自身包括超声波发射器、接收器与掌握电路 ,且编程和制作相比方案一简洁很多 .因此本超声波测距系统地设计采纳方案 2.3.2 单片机最小系统模块地方案方案 1：采纳 PIC 单片机.PIC 单片机地各个型号地兼容性强，功能全，型号多，抗干扰才能强 .缺点： PIC 单片机价格贵，烧写器较贵，烧写程序比较麻烦.方案 2：采纳 MCS-51 单片机.MCS-51 系列单片机是 8 位增强型 .51 单片机具有功能强，体积小，牢靠性好和价格廉价地优点，并且编程较为简洁，程序地烧写也较为简洁 .综合上面两个方案以及本人日常学习
8、到地单片机，挑选方案二作为本设计地核心处理模块 .欢迎下载精品学习资源3.3 温度采集模块地方案采纳温度传感器 DS18B20.DS18B20 具有体积小、质量轻、精密度高、全数字化、性能稳固等优点 .它地测量范畴在 -50至+125，在 -10至+85范畴内精度为 0.5，当电源电压在 5-10V 之间，稳固度为 1时，其各方面特性都满意了本系统地设计要求 .此外 DS18B20 可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理，可以简化硬件电路和提高牢靠性.3.4 超声波测距模块地方案采纳 HC-SR04 超声波模块 .本模块性能稳固，测度距离精确，模块高精度，盲区小地优点 .本模块使用方法简洁
9、 ,一个掌握口发一个 10US 以上地高电平 , 就可以在接收口等待高电平输出 .一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平常就可以读定时器地值 ,此时就为此次测距地时间 ,这样就可算出距离 .3.5 显示模块地方案方案一：选用数码管显示，用一般地数码管显示简洁地数字、字母，数码管分时显示距离和温度 .方案二：选用液晶显示 ,显示地内容更加地丰富 .依据所学学问与方案显示内容地设定，我挑选了方案二 .4 工作原理测距原理如图 4-1 所示：s超声波发射探头hd测量目标欢迎下载精品学习资源超声波接收探头2图 4-1欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源被测距离 ds2h2.式中： s 为超声
10、波传播距离地一半， h 为发射探头欢迎下载精品学习资源和接受探头之间地距离 .由于 s 远大于 h，因此可近似认为 d=s，就 d=s=ct2，t为发射超声波与接收超声波地时间间隔，c 为超声波在空气中地传播速度 .在空气中，常温下超声波地传播速度是334ms，但其传播速度 c 易受空欢迎下载精品学习资源气中温度地影响，声速与温度关系如表4-1 所示，由此可修正超声波传播速度为c331.50.607T表 4-1 声速与温度关系表温度（）声（m/s）速-30313-20319-10325033210338203443035040356可见，只要测得超声波发射和接收回波地时间差t 以及环境温度 T
11、，就能得到较为精确地距离 .测温是通过 DS18B20 来实现，通过程序将温度读出并送到LCD 显示，并将此温度作为测距地温度补偿 .5 系统设计本系统选用地模块包括：单片机最小系统模块、温度采集模块、超声波测距模块、 LCD1602 显示模块 .5.1 单片机最小系统模块地设计此次地课程设计地核心部分是单片机地掌握，本次选用地是 ATMEL 公司生产地芯片 STC89C52,主要是它地价格廉价 ,而且在学习中接触较多比较熟识 ,简洁获得.5.1.1 复位电路地设计复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开头运行.STC89C52 地 RST 引脚为复位端，该引脚连续保持2 个机器周期（ 24
12、 个时钟振动周期）以上高电平，就可以使单片机复位 .单片机地外部复位有上电复位和按键电平复位.由于单片机运行过程中，其本身地干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按复位键重新开头运行 .考虑到本系统地运行和调试，复位电路采纳按键复位方式，如图5-1 所示.欢迎下载精品学习资源图 5-1 复位电路5.1.2 时钟电路设计时钟电路是单片机地心脏，它掌握着单片机地工作节奏.STC89C52 内部有一个反相振荡放大器， XTAL1和 XTAL2分别是该反向振荡放大器地输入端和 输出端.本设计采纳地晶振频率为 12MHZ.51 系列单片机仍可使用外部时钟 ,在使用外部时钟时，外部时钟必需从XTAL1 输入
13、，而 XTAL2 悬空.图 5-2 为晶振电路图 5-2 晶振电路5.1.3 单片机地 I/O 口地安排第一对 LCD 和单片机地连接安排I/O 口， LCD 地 E,RW,RS端分别为 P0.0-P0.2，然后再对 HC-SR04 进行 I/O 口安排， HC-SR04 地触发掌握信号输入口Trig 为 P1.4,回响信欢迎下载精品学习资源号输出口 Echo 为 P3.2；DS18B20 温度传感器是单总线地结构，和单片机地通讯只需要一个 I/O 口，可以设置 P1.3 为 DS18B20 温度传感器地总线和单片机地通讯接口.5.2 LCD1602 显示模块地设计在本设计中采纳 LCD 16
14、02 来充当显示地作用，对 LCD 模块地电路地设计得先明白 LCD 地各个引脚然后再设置其各个引脚和单片机连接地地I/O 口.LCD1602 液晶显示模块地读写操作，屏幕和光标地操作都是通过指令编程来实现地 .1602 液晶模块内部地掌握器共有 11 条掌握指令，如表 5-1 所示:7址00011011DDRAM ）从 CGRAM 或DDRAM 读数1011读出地数据内容表 5-1 LCD1602 液晶模块内部地掌握器共有 11 条掌握指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/
15、关掌握0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*置字符发生存贮器地字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址写数到 CGRAM 或01BF要写地计数器地址数据内容依据 LCD1602 地引脚定义和资料设计了测距系统地显示模块，电路图如下图5-3欢迎下载精品学习资源图 5-35.2.1 1602接口信号说明1602 接口信号说明如表 5-2 所示表 5-2 1602 接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据口2VDD电源正极10D3数据口3VO液晶显示对比度调剂端11D4数据口4RS数据/命
16、令挑选端12D5数据口5R/W读写挑选端13D6数据口6E使能端14D7数据口7D0数据口8D1数据口5.2.2 1602操作时序1602 地操作时序图（见图 5-4）欢迎下载精品学习资源图 5-4 1602 操作时序分析时序图可知 1602 液晶地流程如下（1） 通过 RS 确定是写数据仍是写命令 .写命令包括液晶地光标显示 /不显示、光标闪耀/不闪耀、需不需要移动屏幕、在液晶什么位置显示等 .写数据是指要显示什么内容 .（2） ）读/写掌握端设置为写模式，即低电平 .（3） ）将数据或命令送至数据线 .（4） ）给 E 一个高脉冲将数据送入液晶掌握器，完成写操作.5.3 DS18B20 温
17、度采集模块地设计DS18B20 地管脚排列如图 5-5 所示， DQ 为数字信号输入 /输出端； GND 为电源地； VDD 为外接供电电源输人端 .本温度掌握系统采纳外接供电方式，电路图如下图 5-6 所示图 5-5 DS18B20 管脚图欢迎下载精品学习资源图 5-6 DS18B20 电路图5.3.1 DS18B20 地辨论率DS18B20 温度传感器可完成对温度地测量，温度辨论率地设定能够影响到温度传感器地转换时间和转换地精确度.温度地辨论率设置如表5-3 所示.表 5-3：温度辨论率设置表R1R0辨论率温度最大转换时间009 位93.75ms0110 位187.5ms1011 位375
18、ms1112 位750ms由于本系统地主要误差是温度影响声速，故对温度采集地精度要求较高， 所以挑选 DS18B20 地辨论率位 12 位，在 12 位辨论率地时候地温度采集精度是0.0625 度，满意系统精度地要求，所以R1 和 R0 地设置分别为 R1=1,R0=1.5.3.2 DS18B20 工作时序图（1）初始化（时序图见 5-7）欢迎下载精品学习资源图 5-7 初始化时序（2） ）写数据（时序图见图5-8）图 5-8 写数据时序（3） ）读数据（时序图见图5-9）图 5-9 读数据时序5.4 超声波测距模块地设计超声波测距测距模块采纳 HC-SR04 模块，其芯片如图 5-10 所示
19、：欢迎下载精品学习资源图 5-10HR-SR04 超声波集成模块工作原理采纳地是I/O 触发测距，给至少 10 us地高电平信号 .另外，此模块可以自动发送 8 个 40 kHz 地方波脉冲，并能够自动检测是否有信号返回，假如检测到有信号返回就通过I/O 口输出低电平，高电平地连续时间就是超声波从发射到返回所用地时间，就所测量地距离=（高电平常间声速） /2，时序图如图 5-11.图 5-11此模块不宜带电连接，假如要带电连接，就先让模块地Gnd 端先连接 .测距时，被测物体地面积不少于0.5 平方 M 且要尽量平整 .否就会影响测试结果 .6 软件设计欢迎下载精品学习资源数据初始化定时器初始
20、化显示初始化进入 while 循环温度运算声速运算超声波测量触发否等待中断是否触发距离清零是读取定时器值距离运算Lcd 显示6.1 程序流程图6.1.1 主程序流程图欢迎下载精品学习资源6.1.2 外部中断 0 流程图外部中断 0 入口读取当前定时器值置测量胜利标志返回6.2 子程序设计子程序包括了 LCD 显示模块程序， DS18B20 温度采集模块程序 .6.2.1 温度采集模块子程序依据 DS18B20 地相关资料编写了温度采集程序void dsresetvoid/DS18B20 初始化uint i；DS=0；i=103；whilei0i- ；DS=1；i=4；whilei0i- ；bi
21、t tmpreadbitvoid/读一位uint i；bit dat；DS=0；i+；/小延时一下DS=1；i+；i+ ；dat=DS；i=8；欢迎下载精品学习资源whilei0i- ；return dat；uchar tmpreadvoid/读一个字节uchar i,j,dat；dat=0；fori=1；i=8 ；i+j=tmpreadbit；dat=j1； / 读出地数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在 DAT 里returndat；/将一个字节数据返回void tmpwritebyteuchar dat/写一个字节uint i；uchar j；bit testb；forj=1；j1；
22、iftestb/ 写 1 部分DS=0；i+；i+ ；DS=1；i=8；whilei0i- ；elseDS=0；/写 0 部分i=8；whilei0i- ；DS=1；i+；i+ ；void tmpchangevoid /发送温度转换命令欢迎下载精品学习资源dsreset；/初始化 DS18B20delayb1；/延时tmpwritebyte0xcc； / 跳过序列号命令tmpwritebyte0x44； /发送温度转换命令int tmp / 获得温度int temp；uchar a,b；dsreset；delayb1；tmpwritebyte0xcc；tmpwritebyte0xbe； /发送
23、读取数据命令a=tmpread；/连续读两个字节数据b=tmpread；temp=b；temp=8；temp=temp|a；/两字节合成一个整型变量 .return temp；/返回温度值6.2.2 LCD 显示子程序依据 1602 地资料编写了距离、温度显示模块地程序void write_comuchar common/1602写指令函数RS=0；P0=common；delay1；EN=1；delay1；EN=0；void write_datauchar Data/1602 写数据函数RS=1；P0=Data；delay1；EN=1；delay1；EN=0；欢迎下载精品学习资源void in
24、it_1602/ 初始化 1602RW=0；/只写不读EN=0；write_com0x38；/7*5 2*16 ； 八位数据接口write_com0x0c； /开显示，无光标write_com0x06；/地址自动加一write_com1；/清屏void displayuint temp /显示函数欢迎下载精品学习资源uchar ge,shi,bai,qian,；i qian=temp/1000；bai=temp%1000/100；shi=temp%100/10；ge=temp%10；/分别为距离地千、百、十、个位欢迎下载精品学习资源write_com0x80；/光标在第一行第一列fori=0
25、；i7 ；i+write_datatable1i ；/显示“ jul：i ”字样write_dataqian+0x30； /显示距离数值write_databai+0x30；write_datashi+0x30；write_datage+0x30；write_com0x80+11；/光标在第一行第 12 列fori=0 ；i2 ；i+write_datatable2i ；/显示“ MM”字母write_com0x80+0x40； /光标在其次行第一列fori=0 ；i8 ；i+write_datatable3i ； /显示“ wend：u ”字样write_dataly_dis0+0x30 ；
26、 /显示温度数值write_dataly_dis1+0x30 ；write_com0x80+0x40+11； /光标其次行第 12 列fori=0 ；i1 ；i+write_datatable4i ； /显示“ C字”母欢迎下载精品学习资源7 误差分析7.1 温度环境温度影响声速是本设计中存在误差最主要地缘由.当温差较大时，前后两次测距地误差确定前后相差较大，故本设计采纳了温度补偿地方法来削减温度地影响 .7.2 障碍物表面材料由于障碍物地发射面比较粗糙会引起发射信号散射开那么回波信号就会减弱，这样就会导致测量结果地误差增大，这是本设计不行防止地误差.7.3 超声波模块探头距离两个超声波探头即
27、发射探头和接收探头和障碍物之间存在一个几何角度， 当两个探头地距离很近并远小于与被测物距离时这个几何角度被忽视不计，这样测得地距离才约等于实际距离，这也是本设计不行防止地误差 .8 总结此测距系统地硬件电路比较简洁，都是使用现成模块搭建.在实际测量中， 性能指标也达到了设计要求 .本次设计地步骤如下：1、依据任务要求挑选合理方案2、元件地挑选3、硬件设计（本设计选用地是 51 开发板和超声波测距集成模块）4、软件设计5、对整个系统进行调试，使其达到要求欢迎下载精品学习资源参考文献郭天祥.51 单片机 C 语言教程 M. 北京：电子工业出版社郁有文 .常健.程继红 .传感器原理及工程应用（第四版
28、）.西安电子科技高校出版社欢迎下载精品学习资源附录一：源程序#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit DS=P13； /定义 DS18B20 接口sbit RS=P22； /1602 管脚sbit RW=P21；sbit EN=P20；sbit Trig=P14； /超声波模块接口sbit Echo=P32； /回波信号接口在外部中断 0 int time；int succeed_flag；int Speed；char ltemp；uchar ly_dis2；uchar timeL；uchar time
29、H；uchar code table1= juli: ；uchar code table3= wendu:；uchar code table2=MM ；uchar code table4=C；void delayuint z/毫秒延时uint x,y；forx=z ；x0；x- fory=110；y0；y-；void delaybuint count/温度延时uint i；whilecounti=200；whilei0 i-；count-；void delay_20us/微秒延时uchar a；fora=0；a100；a+；欢迎下载精品学习资源void write_comuchar commo
30、n/1602写指令函数RS=0；P0=common；delay1；EN=1；delay1；EN=0；void write_datauchar Data/1602 写数据函数RS=1；P0=Data；delay1；EN=1；delay1；EN=0；void init_1602RW=0；/只写不读EN=0；write_com0x38；/7*5 2*16 ； 八位数据接口write_com0x0c； /开显示，无光标write_com0x06；/地址自动加一write_com1；/清屏/显示数据void displayuint tempuchar ge,shi,bai,qian,；i qian=te
31、mp/1000；bai=temp%1000/100；shi=temp%100/10；ge=temp%10；write_com0x80；fori=0 ；i7 ；i+write_datatable1i ；write_dataqian+0x30；欢迎下载精品学习资源write_databai+0x30；write_datashi+0x30；write_datage+0x30；write_com0x80+11；fori=0 ；i2 ；i+write_datatable2i ；write_com0x80+0x40；fori=0 ；i8 ；i+ write_datatable3i ；write_datal
32、y_dis0+0x30 ；write_dataly_dis1+0x30 ；write_com0x80+0x40+11；fori=0 ；i0i- ；DS=1；i=4；whilei0i- ；bit tmpreadbitvoid/读一位uint i；bit dat；DS=0；i+；/小延时一下DS=1；i+；i+ ；dat=DS； i=8；whilei0i- ；return dat；uchar tmpreadvoid/读一个字节欢迎下载精品学习资源uchar i,j,dat；dat=0；fori=1 ；i=8 ；i+j=tmpreadbit；dat=j1；/ 读出地数据最低位在最前面，这样刚好/一个
33、字节在DAT 里returndat；/将一个字节数据返回void tmpwritebyteuchar dat/写一个字节uint i；uchar j；bit testb；forj=1 ；j1； iftestb/ 写 1 部分DS=0；i+；i+ ；DS=1；i=8；whilei0i- ；elseDS=0；/写 0 部分i=8；whilei0i- ；DS=1；i+；i+ ；void tmpchangevoid /发送温度转换命令dsreset；/初始化 DS18B20delayb1；/延时tmpwritebyte0xcc； / 跳过序列号命令tmpwritebyte0x44； /发送温度转换命令
34、欢迎下载精品学习资源int tmp / 获得温度int temp；uchar a,b；dsreset；delayb1；tmpwritebyte0xcc；tmpwritebyte0xbe； /发送读取数据命令a=tmpread；/连续读两个字节数据b=tmpread；temp=b；temp=8；temp=temp|a；/两字节合成一个整型变量 . return temp；/返回温度值void mainuint distance；uint i；Trig=0；/第一拉低脉冲输入引脚EA=1；/打开总中断 0TMOD=0x10 ； /定时器 1，16 位工作方式init_1602 ；while1/温度
35、运算ifi=0/先发转换命令，再读数值，以削减速度慢带来地显示抖动tmpchange；/温度转换ifi=30ltemp=tmp/16；/ 得 到 十进 制 温度 值 ， 因 为DS18B20 可以精确到 0.0625度，这里取整数显示ly_dis0=ltemp/10 ；/显示温度十位值ly_dis1=ltemp%10 ；/显示温度个位值i+ ；ifi=50/3000 一个读取周期i=0；Speed=0.6*ltemp+331.5；EA=0；/关总中断Trig=1；/超声波输入端欢迎下载精品学习资源delay_20us； /延时 20usTrig=0；/产生一个 20us地脉冲whileEcho
36、=0； /等待 Echo回波引脚变高电平succeed_flag=0； / 清测量胜利标志EA=1；EX0=1；/打开外部中断 0 TH1=0；/定时器 1 清零TL1=0；/定时器 1 清零TF1=0；/计数溢出标志TR1=1；/启动定时器 1 delay20；/等待测量地结果TR1=0；/关闭定时器 1EX0=0；/关闭外部中断 0 ifsucceed_flag=1time=timeH*256+timeL ；distance=unsigned longSpeed*time/2000； /毫 Mifsucceed_flag=0欢迎下载精品学习资源distance=0；/没有回波就清零欢迎下载精品学习资源displaydistance；/外部中断 0，用做判定回波电平void exter interrupt 0/ 外部中断 0 是 0 号EX0=0；/关闭外部中断 timeH =TH1 ； /取出定时器地值timeL =TL1 ； /取出定时器地值succeed_flag=1；/至胜利测量地标志/定时器 1 中断,用做超声波测距计时void timer1 interrupt 3TH1=0；TL1=0；欢迎下载精品学习资源附录二：实物图由上图可知：误差达到了 2mm.欢迎下载