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基于51单片机超声波测距系统设计

 PAGE \* MERGEFORMAT 19 1 设计任务 本文采用超声波传感器,IAP15单片机以及LCD显示模块设计了一种超声波测距显示器,可以实现测量物体到仪器距离以及显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的超声波距离测量器,具有一定的实用价值。 2 设计思路 2.1 超声波测距 2.1.1 超声波 超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴。近年来,随着电子测量技术的发展,运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量精确高,成本低,性能稳定则备受青睐。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量中。 随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求,因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的位置信息(距离和方向)。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点,因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。 2.1.2 超声波测距原理 最常用的超声测距的方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物面的距离s,即:s=340t/2。 由于超声波也是一种声波,其声速V与温度有关。在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。 距离计算公式: d=S2=C×T2 (2-1) 其中d为被测物与测距器的距离,s为声波的来回路程,c为声波,t为声波来回所用的时间。其中声速c与温度有关。 C=331.5+0.607T (2-2) 如果要提高测距精确度,则必须考虑温度的影响,也可取室温简化电路设计,将温度传感器作为扩展电路,在力所能及的情况下完成。 2.1.3 超声波测距模块HC-SR04 HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm的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、接收器与控制电路。实物如图2-1所示: 图2-1 HC-SR04模块实物图 HC-SR04工作原理及说明: 1、给Trig触发控制信号IO端口至少10us的高电平信号。 2、模块自动发送8个40khz的方波,并自动检测是否有信号返回。 3、有信号返回时,Echo回响信号输出端口输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 4、两次测距时间间隔最少在60ms以上,以防止发射信号对回响信号的影响。 如图2-2所示: 图2-2 HC-SR04工作原理 2.2 LCD1602显示屏 LCD1602显示屏实物如图2-3所示: 图2-3 LCD1602显示屏 LCD1602电路原理图如图2-4所示: 图2-4 LCD1602电路原理图 2.3 IAP单片机 IAP15F2K61S2单片机为增强型8051CPU,具有1个单时钟/机器周期,其工作电压为4.2V~5.5V,速度比普通的8051快8~12倍;61K字节片内FLASH程序存储器,片内大容量2048字节的SRAM,大容量的片内EEPPOM,擦写次数在10万次以上;一共有8道10位高速ADC,速度高达30万次/s,3路PWM还可当3路DA使用;共有3通道比较单元,内部高可靠复位,8级可选复位门槛电压,彻底省掉外部复位电路;内部高精度RC时钟,内部时钟从5MHz~35MHz可选,相当于普通8051的60MHz~420MHz;两组高速异步串行通信端口,可以在5组管脚之间进行切换,分时复用可当5组串口使用;各种接口扩展齐全,一根USB线实现系统供电、程序下载及通信功能。单片机实物图及引脚图如图2-5、图2-6所示: 图2-5 IAP单片机实物图 图2-6 IAP单片机引脚图 2.4 单片机最小系统 对于一个单片机系统,能够工作的前提是具有最小系统模块,最小系统一般包括单片机、晶

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