接口實驗報告基于AT89S51單片機的超聲波測距系統(tǒng)

1、接口實驗報告 題題 目目： 超聲波測距 院院 （系）（系）： 電子工程與自動化學(xué)院 專專 業(yè)業(yè)： 測試計量技術(shù)及儀器 學(xué)生姓名學(xué)生姓名： 學(xué)學(xué) 號號： 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師： 職職 稱稱： 教授 2011 年 8 月 13 日 1 目目 錄錄 摘要摘要.1 第第 1 1 章章 緒論緒論 .3 3 1.11.1 課題背景，目的和意義課題背景，目的和意義 .3 3 1.21.2 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng).3 3 1.31.3 課題主要內(nèi)容課題主要內(nèi)容.4 4 第第 2 2 章章 超聲波測距原理概述超聲波測距原理概述 .5 5 2.12.1 超聲波傳感器超聲波傳感器.6 6

2、2.1.1 超聲波發(fā)生器 .6 2.1.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理 .6 2.1.3 單片機超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成.7 第第 3 3 章章 設(shè)計方案設(shè)計方案 .8 8 3.stc89c523.stc89c52 單片機單片機.8 8 3.23.2 超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成 .9 9 3.2.13.2.1 超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系統(tǒng) .1010 3.2.23.2.2 超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射、接收電路 .1010 第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 .1111 4.14.1 主程序設(shè)計主程序設(shè)計 .1111 4.44.4 超聲波測距程子序流程圖超聲波測距程子序

3、流程圖 .1212 第第 5 5 章章 調(diào)試及性能分析調(diào)試及性能分析 .1313 5.15.1 調(diào)試步驟調(diào)試步驟.1313 5.25.2 調(diào)試結(jié)果調(diào)試結(jié)果.1414 參考文獻參考文獻 .1515 2 摘要摘要 超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優(yōu)點，所以，在利用傳感 器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種， 它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車雷達、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。 本課題詳細介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 stc 公司的 stc89c52 單片機 的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計測距系統(tǒng)的思路 和所需

4、考慮的問題，給出了以 stc89c52 單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字 顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計合理、工作穩(wěn)定、性 能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工 業(yè)實用的要求。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：超聲波 單片機 測距 stc89c52 abstractabstract ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme

5、 of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , building construction site and some industrial scen

6、es extensively。 this subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer stc89c52 of atmel company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and qu

7、estions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking stc89c52 as the core ,this circuit of system is reasonable in design, worki

8、ng stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , apt to accomplish real-time control ,and can reach industrys practical demand in measuring the precision 。 key words: ultrasonic wave; one-chip computer; range finding; stc89c52 3 第第 1 1 章章 緒論緒論 1.11.1 課題背景，目的和意義課題背景，目的和意義

9、 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計算機技術(shù)、通信技 術(shù)和傳感器技術(shù)，計算機技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相 當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳 感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利 用單片機控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且 測量精度較高。 超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工 地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng) 的原理有著很大的現(xiàn)實意義。對本課題的研究與設(shè)計，還能進一步

10、提高自己的電路設(shè) 計水平，深入對單片機的理解和應(yīng)用。 1.21.2 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機編程產(chǎn)生頻率為 40khz 的方波，經(jīng) 過發(fā)射驅(qū)動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經(jīng)反射物 反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機中斷口。 其系統(tǒng)框圖如圖 2-1 所示。 圖 1-1 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)框圖 這種以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和收到 反射波的時間。當(dāng)收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片 機的外部中斷源輸入口產(chǎn)

11、生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部 4 中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離，結(jié)果輸出給 led 顯示。 利用單片機準確計時，測距精度高，而且單片機控制方便，計算簡單。許多超聲 波測距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計方法。 1.31.3 課題主要內(nèi)容課題主要內(nèi)容 通過上節(jié)介紹我們知道，以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計簡單、方便，而 且測精度能達到工業(yè)要求。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。 通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，超 聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立 即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)

12、計時器記錄的時間t，就可以計算 出發(fā)射點距障礙物的距離。 本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。 系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器，利用定時器 的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波的反射波時， 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，單片機檢測到這個負跳變信號后，停止內(nèi)部計時器 記時，讀取時間，計算距離,測量結(jié)果輸出給 led 顯示。 利用本測距系統(tǒng)測量范圍應(yīng)在 5cm199cm，其誤差 1cm。 5 第第 2 2 章章 超聲波測距原理概述超聲波測距原理概述 超聲波是由機械振動產(chǎn)生的,可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。

13、由于超聲波指向 性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量， 如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲測距是一種非接觸式的檢測 方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。 對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng) 能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。 特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的 結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高;而且 超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等

14、特點。利用超聲波檢測往往比 較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用 的要求。 超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。 相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限; 聲波幅值檢測法易受反射波的影響。 本測距系統(tǒng)采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為: 檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的 超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速 相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同 時單片機開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接 收器收到反射波就立即停止計時。再由單

15、機計算出距離，送 led 數(shù) 碼管顯示測量結(jié)果。 超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對應(yīng)值如表 2-1 ，根據(jù)計時器記錄的 時間 t (見圖 2-1)，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離( s ) ，即: s = v t / 2 。 表 2-1 聲速與溫度的關(guān)系 溫度()302010 0102030100 聲速(m/s) 313319325323338344349386 6 圖 2-1 超聲波測距時序圖 2.12.1 超聲波傳感器超聲波傳感器 2.1.12.1.1 超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講， 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:

16、一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn) 生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等; 機械方式有加爾統(tǒng)笛、液 哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途 也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 2.1.22.1.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng) 和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所 謂壓電逆效應(yīng)如圖 2-2 所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若 在圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b 所

17、示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶 瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電 陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖 c 所示那 樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。 7 圖 2-2 壓電逆效應(yīng)圖 2.1.32.1.3 單片機超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成單片機超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成 單片機 stc89c52 發(fā)出短暫的 40khz 信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射 后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟 動單片機中斷程序，讀出時間 t，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié) 果被送至

18、led 數(shù)碼管進行顯示。 限制超聲波系統(tǒng)的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、 反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接 接收能力將決定最小可測距離。 開始測量 超聲波信號 開定時器 關(guān)定時器 數(shù)據(jù)運算 顯示器 接收檢測電聲換能器 電聲換能器驅(qū)動電路 圖 2-3 超聲波測距系統(tǒng)框圖 8 第第 3 3 章章 設(shè)計方案設(shè)計方案 按照系統(tǒng)設(shè)計的功能的要求，初步確定設(shè)計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、 超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。 單片機主控芯片使用 52 系列 stc89s52 單片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也 是在單片機課程設(shè)計中

19、經(jīng)常使用到的控制芯片。 發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。 接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調(diào)試工作小較小。 圖 3-1：系統(tǒng)設(shè)計框圖 硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收 電路、報警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機采用 stc89c52，系統(tǒng)晶振采用 12mhz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 p1.6 端口輸 出超聲波換能器所需的 40khz 的方波信號，p3.2 端口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回 信號。 3.stc89c523.stc89c52 單片機單片機 stc89c52是美國atmel公司生產(chǎn)的低

20、功耗，高性能cmos8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲器,器件采用atmel公司的高密度、非易失性 存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲器既可在線編程 （isp）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，atmel公司的功能 超聲波接收模 塊 超聲波發(fā)射模 塊 單片機控制系統(tǒng) （stc89c52 ） 報警模塊 上位機 供電單元 9 強大，低價位stc89c52單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各 種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù)：主要性能參數(shù)： 與mcs-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（i

21、sp）flash閃速存儲器 1000次擦寫周期 4.05.5v的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0hz33mhz 三級程序加密鎖 1288字節(jié)內(nèi)部ram 32個可編程io口線 2個16位定時計數(shù)器 6個中斷源 全雙工串行uart通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（wdt）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（isp字節(jié)或頁寫模式） 3.23.2 超聲波超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成測距系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)由單片機 stc89c52 控制，包括單片機系統(tǒng)、發(fā)射電路與接收放大電路幾部 分組成，如圖 3-1 所示。硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及超聲波發(fā)射電路和超 聲波接收

22、電路三部分。單片機采用 stc89c52。采用 12mhz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn) 定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 p1.6 端口輸出超聲波換能器所需的 40khz 的方 波信號，p3.2 端口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。超聲波接收頭接收到反射的 回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片機 p3.2 輸入一個低電平脈沖。單片機控制著超 聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內(nèi)部計時器 t0 計時，當(dāng)檢測到 p3.2 由高 10 電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止?nèi)部計時器計時。單片機將測得的時間與聲速相乘再除 以 2 即可得到測量值。 3.2.13.2.1 超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系

23、統(tǒng) 超聲波測距單片機系統(tǒng)主要由：stc89c52 單片機、晶振、復(fù)位電路、max232 部分構(gòu)成，如圖3-3。 圖 3-3：超聲波測距單片機系統(tǒng) 3.2.23.2.2 超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射、接收電路 超聲波發(fā)射電路主要由反相器74ls04和超聲波換能器構(gòu)成,單片機p1.6端口輸出的 40khz方波信號一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反相 器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器 兩端可以提高超聲波發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，可以提高驅(qū)動能力。上 拉電阻r1、r2一方面可以提高反相器74ls04輸出高電平的驅(qū)動能力，另

24、一方面可以增 加超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其自由振蕩的時間。 超聲波接收電路主要由cx20106a構(gòu)成。集成電路cx20106a是一款紅外線檢波接收 的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38khz與 11 測距的超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，實驗證明， 用cx20106a接收超聲波（無信號時輸出高電平）具有很高的靈敏度和抗干擾能力。適 當(dāng)?shù)母碾娙輈11的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 圖 3-4：超聲波測距發(fā)送單元 該測距電路的 40khz 方波信號由單片機 stc89c52 的 p1.6 發(fā)出。方波的周期為

25、 1/40ms，即 25s，半周期為 12.5s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便 可產(chǎn)生 40khz 方波。由于單片機系統(tǒng)的晶振為 12m 晶振，因而單片機的時間分辨率是 1s，所以只能產(chǎn)生半周期為 12s 或 13s 的方波信號，頻率分別為 41.67khz 和 38.46khz。本系統(tǒng)在編程時選用了后者，讓單片機產(chǎn)生約 38.46khz 的方波。 圖 3-5：超聲波測距接收單元 12 第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.14.1 主程序設(shè)計主程序設(shè)計 超聲波測距的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯 示子程序組成。超聲波測距的程序既有較復(fù)雜的

26、計算（計算距離時） ，又要求精細計算 程序運行時間（超聲波測距時） ，所以控制程序可采用 c 語言編程。 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定時器 0 為計數(shù)，設(shè)定時器 1 定時。置位總 中斷允許位 ea。進行程序主程序后，進行定時測距判斷，當(dāng)測距標志位 ec=1 時，測量 一次，程序設(shè)計中，超聲波測距頻度是 4-5 次/秒。測距間隔中，整個程序主要進行循 環(huán)顯示測量結(jié)果。當(dāng)調(diào)用超聲波測距子程序后，首先由單片機產(chǎn)生 4 個頻率為 38.46khz 超聲波脈沖，加載的超聲波發(fā)送頭上。超聲波頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟 動內(nèi)部計時器 t0 進行計時，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波

27、觸發(fā)，這時，單片機需要延時約 1.5 -2ms 時間（這也就是超聲波測距儀會有一個最小 可測距離的原因，稱之為盲區(qū)值）后，才啟動對單片機 p3.2 腳的電平判斷程序。當(dāng)檢 測到 p3.2 腳的電平由高轉(zhuǎn)為低電平時，立即停止 t0 計時。由于采用單片機采用的是 12 mhz 的晶振，計時器每計一個數(shù)就是 1s，當(dāng)超聲波測距子程序檢測到接收成功的 標志位后，將計數(shù)器 t0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算，即可得 被測物體與測距儀之間的距離。 設(shè)計時取 15時的聲速為 340 m/s 則有： d=(ct)/2=172t0/10000cm 其中，t0 為計數(shù)器 t0 的計算值。 測出距離后結(jié)果將以十進制 bcd 碼方式送往 led 顯示約 0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重 復(fù)測量過程。 13 4.44.4 超聲波測距程子序流程圖超聲波測距程子序流程圖 y 標志=1? 發(fā)送超聲波 延時避開盲區(qū) 收到回波否？ 預(yù)設(shè)時間？ 啟動計時器 t0 停止計時 計算測量值 超聲波測距 結(jié)束 n n y y n 14 第第 5 5 章章 調(diào)試及性能分