【正文】 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 1 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 【摘要】： 基于傳統(tǒng)的方法 在很多特殊場合 ： 如帶腐蝕的液體，強(qiáng)電磁干擾，有毒等惡劣條件下， 測量距離存在不可克服的缺陷， 超聲波測距能很好的解決此類的問題。本論文主要對 單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的原理，單片機(jī)的應(yīng)用等進(jìn)行了分析；對超聲波的發(fā)生電路和 接收 電路， DS18B20 溫度 采集電路， LCD 顯示電路，硬件制作和軟件 設(shè)計(jì) ；對系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析 。 【關(guān)鍵詞】 ：超聲波測距，單片機(jī)， DS18B20 溫度補(bǔ)償， LCD 顯示，軟件設(shè)計(jì)，誤差分析。 Abstract: In many special occasions, traditional methods based on the existence of insurmountable distance measuring defects, such as the measurement of corrosion in the liquid with strong electromagic interference, toxic and other adverse conditions, the ultrasonic range can be a very good solution to the problem of such . In this paper, focused on singlechip microputerbased ultrasonic ranging system, namely the principle of ultrasonic distance measurement, the occurrence of ultrasonic circuit, echo receiver, data acquisition, LCD data show the principle of singlechip applications, system hardware, DS18B20 the temperature pensation ， software design and production were discussed. Key words: ultrasonic ranging, singlechip, DS18B20 the temperature pensation, LCD display, software design, error analysis. 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 2 目 錄 第一章 引言 ……… …………… .…………………… ....................... 6 單 片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 …………… .…… ………… .........................6 超聲波測距系統(tǒng)概述 …………… .… …………… ..........… .......... 7 設(shè)計(jì)任務(wù) 及 主要內(nèi)容 ………… … .……… …… … ..........… .......... 7 第二章 超聲波測距的原理 …… …………… .……… … … ........… ......... 8 超聲波的基本理論 …… ………… .……… … … .........… ........... 8 超 聲波測距系統(tǒng)原理 …………… ………………… ....................10 第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì) ……………………………… … … ......… … 12 方 案 論證與比較 ………………… ……… ………… .................... 12 單 片 機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路 ……………… ……… … … .................... 15 單片機(jī)電路 …………………………………… ..................... 15 復(fù)位電路 ……………………………… ..............……… … 16 時鐘電路 ………………………………… ..............…… …… 16 按鍵電路 ………………… ……………… ..............…… …… 17 蜂鳴器電路 ………………………………… ..............… … ....17 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 3 超聲波發(fā)送電路 ………………………………… ..........… … ...18 超聲波接收電路 …………………………………… ..........… … 18 溫度采集 DS18B20電路 ……………………… … ..........… …… ...20 LCD 顯示電路 …………………………………… ...........… … ...20 電源電路 …………………………………… ..… ..........…… …… .22 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ……………………………… ....…………… … ..25 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu) ………………………………… ....………… … ...25 系統(tǒng)主程序 …………………………………… ....………… … ...25 40KHz 超聲波發(fā)送程序 ……………………… ..…… … … … ..29 超聲波的接收和處理 ………………………………… .....… … ...30 DS18B20 溫度采集程序 ……………… .......................................30 距離計(jì)算程序 ……………………………………… .....…… … ..35 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 ………………………………………… .....… … ...36 LCD 顯示程序 ………………………………………… ...…… .37 基于 Proteus 的軟件仿真 …………………………… ..… … .........42 第五章 PCB 設(shè)計(jì) ………………………………………… ........…… … .....44 元件選擇 …………………………………………… … .....…… … 44 Altium designer 原理圖的繪制 ………………… ..……… … .… 45 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 4 元件封裝制作 …………………………………… .....……… … ...45 PCB 的電磁兼容性設(shè)計(jì) …………………………… ..…… …… 46 布局布線 ……………………………………………… ......… … 48 制 造文件輸出 ……………………………………… .… ......… … ..51 第六章 元件采購 …………………………………………… ......… … .......52 BOM 文件導(dǎo)出 …………………………………… ....…… … .… 52 元件采購 …………………………………………… ......… ...… … 53 第七章 樣機(jī)制作 …………………………………………… ......… … … ..54 裝配圖 ……………………………………………… .....… … … … 54 焊接和檢查 …………………………………………… ......… … ...55 樣機(jī)圖 ………………………………………………… ......… … ...56 單片機(jī)學(xué)習(xí)板的使用 .......................................................................56 第八章 實(shí)驗(yàn)分析 …………………………………………… ..……… …… .60 實(shí)驗(yàn)測試 ……………………………………………… ...........… … 64 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) …………………………………………… … ........… .......65 誤差分析 …………………………………………… … ........… .......66 改進(jìn) …………………………………………………… ........… .......67 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 5 第九章 總結(jié) ……………………………………………………… … … ...68 致謝 ……………………………………………………………… … … 69 附 錄 ……………………………………………………………… ..… 70 A 系統(tǒng)原理圖 …………… …………………………… .....… ..… … .70 B C 源程序 ……………………………………………… .…… … 71參考文獻(xiàn) ……………………………………………………… ..… … … 82 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 6 第 一 章 引言 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 單片機(jī)是一個單芯片形態(tài)、面向控制對象的嵌入式應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計(jì)算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。從此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在兩個重要領(lǐng)域 —— 通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展 ,并 正在深深地改變著我們的社會。 嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門、最具有發(fā)展 前景 的 IT 應(yīng)用之一。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)升級成為智能化的電子產(chǎn)品，使其成為具有“生命”的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于對實(shí)時響應(yīng)要求較高的設(shè)備中，單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其應(yīng)用使電子系統(tǒng)的智能化出現(xiàn)了意想不到的效果，常常無需對硬件資源做任何改動，只需更新系統(tǒng)軟件就能使系統(tǒng)功能升級?，F(xiàn)代社會中嵌入式系統(tǒng)無處不在，早已被應(yīng)用在國防、國民經(jīng)濟(jì)、以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，主要可以歸納為 以下 幾個方面。 （ 1）軍事裝備：各種武器控制（火炮控制、彈道控制、炮彈引信等），坦克、艦船、轟炸等各種電子裝備，雷達(dá)、電子對抗、軍事通訊裝備等。 （ 2）家用電器：各種家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)、 VCD、 DVD、可視電話、洗衣機(jī)、電冰箱、手機(jī)、智能玩具等。 （ 3）工業(yè)控制：各種智能儀器儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、分布式控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化設(shè)備、汽車電子設(shè)備等。 （ 4）商用設(shè)備：各種收款機(jī)、 POS 系統(tǒng)、電子秤、條形碼閱讀器、商務(wù)終端、IC 卡輸入設(shè)備、自動柜員機(jī)、防盜系統(tǒng)等。 （ 5）辦公用品：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀、手機(jī)、個人數(shù)字助理（ PDA）、變頻空調(diào)設(shè)備、通信終端、程控變換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 （ 6）醫(yī)療電子設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器，如 X 光機(jī)、超聲診斷儀、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀器等，以及輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括單片機(jī)基本擴(kuò)展、外圍電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等內(nèi)容。通常開發(fā)一個單片機(jī)系統(tǒng)的步驟如下： 圖 設(shè)計(jì)步驟 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 7 超聲波測距系統(tǒng)概述 在基于傳統(tǒng)的測力距離存在不 可克服的缺陷。例 如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單 片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補(bǔ)償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 本設(shè)計(jì)任務(wù)的主要內(nèi)容 1 超聲波測距儀設(shè)計(jì)要求如下 ： 1） 測量距離 6m； 2） 精度優(yōu)于 1%； 3） 進(jìn)行溫度補(bǔ)償； 4） 顯示方式采樣 LCD； 5） 具有抗干擾能量； 6） 體積小、功耗低、便于嵌入到其他系統(tǒng)。 2 硬件電路的設(shè)計(jì) 1) 方案的論證 。 2) 元件的選擇 。 3) 用 Altium designer 繪制原理圖。