摘 要
机器人通过其感知系统觉察前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉，测量精度较高，不受环境的限制，应用方便，将它与红外传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。
本文介绍了基于STC89C51的超声波测距系统，阐述了超声波测距系统的硬件设计、软件设计及其工作原理。该设计主要由单片机控制模块、数码管显示模块、DS18B20温度补偿模块以及声光报警模块等构成。利用超声波的反射原理，计算超声波在空气中的传播时间的一半再乘以经过温度补偿修正后的速度就可以得出障碍物到传感器之间的距离，并在数码管显示出来。同时，该系统在测量距离小于10cm时能进行声光报警。该系统具有硬件电路简单、成本低、工作可靠、功耗低、体积小、误差小、有良好的测量精度等优点。
目前，超声波清洗技术、雷达技术等在医学、军事上占据着重要地位，因此研究超声波技术具有一定的研究意义。本设计作品基本满足设计的要求，有一定的推广性，同时针对不足，如测量距离过小等，文章在最后提出了一些改进性能的可行性方案。 关键字：单片机；传感器；超声波测距；温度补偿
1 页 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告 第
Abstract
robot through its perception system to detect obstacles that in front of the road and the surrounding environment to achieve the distance around the barrier, auto hunt, range and other functions.Ultrasonic Ranging in terms to other ranging technology is low-cost, high accuracy, without environmental constraints, and convenient, it will be combined together with infrared sensors achieve robot hunt around the barrier function.
This article describes the ultrasonic ranging system based on STC89C51,which elaborate ultrasonic Ranging System hardware design, software design and its working principle.The design is mainly controlled by the microcontroller module,LED display module, DS18B20 temperature compensation module, as well as sound and light alarm module constitute.Using the principle of reflection of the ultrasonic wave,Calculate the ultrasonic propagation time in the air in half and then multiplied by the speed after the correction of the temperature compensation that can be drawn between the obstacle to the sensor distance,And digital display.Secondly, the sound and light alarm when the system measuring distance less than 10cm .The system has an Advantage of Simple hardware circuit, low cost, reliable, low power consumption, small size, the error is small, have a good measurement accuracy, etc..
At present, the ultrasonic cleaning technology, radar technology in medicine, the military occupies an important position,so the research ultrasound technology has a certain significance. This design works basically meet the design requirements, there are certain promotional, while for deficiencies, such as measuring the distance is too small, etc., the article concludes with a number of improvements in the performance of the feasibility of the program.
KeyWords:MCU;Sensor;Ultrasonic Ranging;Temperature compensation
2 页 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告 第
目 录
摘 要 ................................................................... 0
Abstract ................................................................. 1 第一章 绪论 ............................................................ 4
1.1 课题的研究背景 ..................................................... 4 1.2 超声波在国内外的发展现状 ........................................... 5 1.3 研究目的和意义 ..................................................... 6 1.4 研究内容 ........................................................... 6 1.5 论文结构 ........................................................... 7
第二章 系统方案设计 .................................................. 8
2.1 设计要求 ........................................................... 8 2.2设计方案 ........................................................... 8
第三章 硬件设计 ...................................................... 10
3.1 AT89C51单片机简介 .............................................. 10
3.1.1 AT89C51各引脚的含义和功能 ............................................................. 10 3.2 系统硬件设计组成部分 .............................................. 13
3.2.1 AT89C51单片机最小系统 ....................................... 13 3.2.2 数码管显示模块 ............................................... 13 3.2.3 超声波发射接收模块 ........................................... 14 3.2.4 声光报警模块 ................................................. 20 3.2.5 复位电路 ..................................................... 20 3.2.6 DS18B20温度补偿电路 ....................................... 21 3.2.6.1 DS18B20内部结构及测温原理 .......................... 22 3.2.6.2 DS18B20的封装形式及引脚功能 ........................ 24 3.2.6.3 DS18B20的供电方式 .................................. 24 3.2.7 +5V电源模块 ................................................ 26
第四章 软件设计 ....................................................... 27
4.1软件整体设计 ...................................................... 27 4.2 系统主要模块程序设计 .............................................. 28
4.2.1超声波发射程序及接收中断子程序 ............................... 28 4.2.2 DS18B20访问程序 ........................................... 28
3 页 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告 第
第五章 调试与检测 ..................................................... 30
5.1 硬件测试 .......................................................... 30 5.2 软件测试 .......................................................... 31 5.3 结果分析 .......................................................... 31 5.4 误差来源 .......................................................... 31 5.5 解决方案 .......................................................... 32 5.6 本设计所做工作 .................................................... 32
总结与展望 ............................................................. 34 谢 词 .................................................................. 35 参考文献 ............................................................... 35 附 录1 电路原理图及PCB图 .......................................... 37 附 录2 程序清单 ..................................................... 39
4 页 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告 第
第一章 绪 论
超声波以其指向性好、穿透能力强、能量消耗缓慢、环境污染小等优点，因而超声波常用于距离测量。利用超声波检测往往比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。其中，超声波技术首先在欧美兴起并日趋成熟，我国在超声波技术的研究上相对迟缓，但近十年在超声波上的成就也有很大的突破。
本章主要介绍超声波测距的研究背景、超声波技术在国内外的发展现状、研究目的和意义以及本章的研究内容，最后在本章末尾还介绍了本论文的章节安排。 1.1 课题的研究背景
超声波是频率高于20KHZ的声波，它的方向性好，穿透能力强，容易获得较集中的声能，在水中传播的距离远，因而超声波常用于距离测量，在医学、军事、工业、农业等诸多领域中有广泛的应用。例如：立体超声显象、雷达、工业自动化控制、超声的空化作用等。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本高，并且没有显示，操作使用不方便。
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等优点，是通过计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输时间来测量距离的，对被测目标无损害，而且超声波的传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点逐渐受到人们的重视。
超声波传感器根据结构的不同可以分为压电式、电磁式、磁致伸缩式等，超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。超声波是指频率高于20kHz的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
在户外使用传感器的设备中，如果要求精度较高，则需要超声波技术有良好的抑制噪音的能力，能区别噪音和反射信号。如果多个超声波传感器同时工作，则要同时兼顾计算机处理速度和防止传感器之间的干扰。采用模式编码声呐[12]就能很好地解决这个问题。
由于超声波在空气中的传播速度受温度的影响，速度随温度的变化而变化，温度每变化一度，超声波速度变化0.6m/s，近似公式为：C = C0 + 0.607×T，式中：C0为零度时的超声波速度331.5m/s，T为实际温度(℃)：[2]
表1.1列出了超声波在不同温度下的传播速度。在使用过程中，如果精度要求不高，则可以认为传播速度不变。但如果要求精度高，则需要增加温度补偿电路，以达到所需