超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計總體 《傳感器與檢測技術(shù)》課程設(shè)計報告

1、吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)課程設(shè)計報告設(shè)計題目： 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名： 朱玉 學(xué) 號： 10311103 指導(dǎo)教師： 王超 高曉紅 設(shè)計時間： 2014.6.162014.6.27 教師評語：成績 評閱教師 日期 目錄第1章 緒論1 1.1 課題設(shè)計的背景和意義1 1.2 主要設(shè)計內(nèi)容和要求1第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案2 2.1 設(shè)計系統(tǒng)框圖2 2.2 設(shè)計器件選擇2第3章 硬件電路設(shè)計4 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 4 3.2 超聲波發(fā)射電路6 3.3 超聲波檢測接收電路7 3.4 顯示單元電路 83.5 語音播報電路8第4章 系統(tǒng)

2、軟件設(shè)計10 4.1 超聲波測距儀的算法設(shè)計10 4.2 主程序流程圖 10 4.3 超聲波發(fā)生子程序與超聲波接受中斷程序11總 結(jié) 14參考文獻(xiàn)15附錄1 總電路圖16附錄2 程序清單17第1章 緒論1.1課題設(shè)計的背景和意義1.1.1設(shè)計的背景隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前的水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展?jié)M足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢，研制具有更高定位精度

3、的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需求。毋庸置疑，無線的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。1.1.2設(shè)計的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展。但是，由于許多不可預(yù)見因素城市給排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此，箱涵的排污疏通對城市給排水系統(tǒng)的污水處理顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機(jī)器人的自動控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機(jī)器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心

4、部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的意義。1.2主要設(shè)計內(nèi)容和要求1.2.1主要設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計主要是基于at89s51芯片為核心的超聲波測距儀，74ls04組成的超聲波發(fā)射電路、并有超聲波處理模塊cx20106a、液晶顯示等器件組成，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、led顯示電路和語音播報電路。1.2.2主要設(shè)計要求設(shè)計一個超聲波測距儀主要要求：（1）具有超聲波測距功能。（2）實時顯示測量的距離，顯示格式為：xxxx。（3）具有實時語音播報功能，實時播報測量距離數(shù)值,實時播報時間間隔10s，實時播報聲音清晰明亮、

5、無明顯失真，在1m距離處人耳能準(zhǔn)確分辨。語音播報要與顯示同步。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1設(shè)計系統(tǒng)框圖根據(jù)設(shè)計任務(wù)、控制對象和現(xiàn)有條件系統(tǒng)電路采用由單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路以及語音播報電路構(gòu)成。本超聲波測距儀的具體工作過程如下：單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生40khz的頻率信號來驅(qū)動超聲傳感器。每次發(fā)射包含6個脈沖左右,當(dāng)?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后,計數(shù)器開始計數(shù),在檢測到第一個回波脈沖的瞬間,計數(shù)器停止計數(shù)，得到從發(fā)射到接收的時間t后,單片機(jī)利用測距公式可計算出被測距離，同時單片機(jī)進(jìn)行顯示和語音播報。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。超聲波接收電路超聲波發(fā)射電路震蕩電路單片機(jī)at

6、89s51復(fù)位電路電源電路語音播報電路4位led顯示電路 圖1系統(tǒng)框圖2.2設(shè)計器件選擇設(shè)計主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)及顯示電路、語音播報電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接受電路五部分。主要用到的器件有：超聲波傳感器led液晶模塊單片機(jī)at89s51和 wt588d系列的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。 （1）超聲波傳感器：以超聲波作為檢測手段必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。超聲波發(fā)射器由反相器74ls04和超聲波發(fā)射換能器t構(gòu)成，接收主要由cx20106

7、a完成。（2）顯示液晶模塊：顯示單元部分采用led液晶模塊，根據(jù)設(shè)計的要求，用于顯示測量距離補(bǔ)償溫度以及危險保持安全等警告信號。 （3）語音播報芯片wt588d：wt588d是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除燒寫的語音單片機(jī)芯片，可對液晶顯示的內(nèi)容進(jìn)行語音播報。（4）單片機(jī)at89s51：有4k字節(jié)flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個i/o口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口和片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，at89s51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷

8、系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。第3章 硬件電路設(shè)計3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)主要采用的單片機(jī)是at89s51。at89s51是具有低電壓，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（eprom）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(ram)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，其引腳圖如圖2所示。3.1.1 at89s51主要性能參數(shù) 與mcs51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； 4k字節(jié)可以重復(fù)擦寫flash閃速存儲器； 1000次擦寫周期； 全靜態(tài)操作：0hz24hz

9、； 三級加密程序存儲器； 128*8字節(jié)內(nèi)部ram； 32個可編程i/o口線； 5個中斷源； 可編程串行uart通道； 低功耗空閑和掉電模式。3.1.2 at89s51功能特性概述 4k字節(jié)flash閃速存儲器； 128字節(jié)內(nèi)部ram； 32個i/o口線； 兩個16位定時器/計時器； 一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)； 一個全雙工串行口通信； 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。圖2 at89s51單片機(jī)3.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)組成單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由at89s51單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和+5v電源組成，如圖3所示。在外部振蕩電路中，單片機(jī)的xtal1和xtal2管腳分別接至由12mhz晶振和兩個30pf電容

10、構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時鐘脈沖。在復(fù)位電路中，單片機(jī)reset管腳一方面經(jīng)10uf的電容接至電源正極實現(xiàn)上電自動復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān)s接電源，其主要功能除了使系統(tǒng)初始化之外，還有當(dāng)程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，也需要按復(fù)位鍵重新啟動。因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2超聲波發(fā)射電路超聲波換能器的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超

11、聲波接收換能器。反相器74ls04參數(shù)如表1所示。表1反相器74ls04參數(shù)最大額定值電源電壓-0.5 到+7.0vdc輸入電壓-1.5 到vcc+1.5v直流輸出電壓-0.5 到vcc+0.5v鉗位二極管電流20ma直流輸出電流，每個引腳（輸出）25ma功耗600mw發(fā)射電路主要由反相器74ls04和超聲波發(fā)射換能器t構(gòu)成，如圖4所示，單片機(jī)p2.7端口輸出的40khz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。圖4超聲波發(fā)射電路3.3 超聲波檢測接收電路超

12、聲波接收電路cx20106a是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。超聲波接收電路如圖5所示。cx20106a引腳功能如下：1腳in：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳agc：該腳與gnd之間連接rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r或減小c，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但c的改變會影響到頻率特性。3腳c0：該腳與gnd之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)

13、為3.3f。4腳gnd：接地端。5腳rc0：該腳與電源端vcc接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心率，阻值越大，中心頻率越低。6腳c：該腳與gnd之間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pf，如果該電容值太大會使探測距離變短。7腳out：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8腳rc1：電源正極，4.5v5v。圖5 超聲波檢測接收電路3.4 顯示單元電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管led顯示器常用兩種驅(qū)動方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動和動態(tài)顯示驅(qū)動。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動，就是給要點(diǎn)亮的led通以恒定的電流即每一位le

14、d顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的i/o接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中cpu開銷小，但這種驅(qū)動方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而所謂動態(tài)顯示驅(qū)動就是給欲點(diǎn)亮的led通以脈沖電流，即采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的com端，使各個顯示器輪流點(diǎn)亮，這時led的亮度就是通斷的平均亮度?？紤]各種因素，本設(shè)計選用動態(tài)驅(qū)動顯示，其顯示電路如圖6所示。圖6 顯示單元電路3.5 語音播報電路wt588d系列語音單片機(jī)是廣州唯創(chuàng)科技有

15、限公司聯(lián)合臺灣華邦共同研發(fā)出來的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應(yīng)用范圍廣性能穩(wěn)定是wt588d系列語音單片機(jī)的特長，彌補(bǔ)了以往各類語音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷，mp3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制i/o口擴(kuò)展輸出模式，讓應(yīng)用人員能將產(chǎn)品投放在幾乎可以想象得到的場所。wt588d是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除燒寫的語音單片機(jī)芯片。wt588d讓語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機(jī)電路，高度集成的單片機(jī)技術(shù)足于取代復(fù)雜的外圍控制電路。配套wt-app上位機(jī)操作軟件可隨意更換wt588d語音單片機(jī)芯

16、片的任何一種控制模式，把信息下載到spi-flash上即可。軟件操作方式簡潔易懂，撮合了語音組合技術(shù)，大大減少了語音編輯的時間。其中kia1117芯片為wt588d的vcc管腳（存儲器電源輸入腳），提供3.3v電壓?？煽刂频恼Z音地址位能達(dá)到220個。每個地址位里能加載可組合語音為128段語音。只需通過適當(dāng)?shù)脑L問地址就可以實現(xiàn)語音播報，使用方便，語音播報電路設(shè)計如圖7所示。圖7 wt588d語音播報電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運(yùn)

17、行的時間，而超聲波測距儀的程序需要有較復(fù)雜的計算（計算距離時），所以控制程序可采用c語言編程。4.1超聲波測距儀的算法設(shè)計超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器t在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器r所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：d=s/2=(ct)/2 （4-1）其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器t0，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

18、超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在int0或int1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。4.2主程序流程圖軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖8、圖9、圖10所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務(wù)子程序完成單方向超聲波的發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器t0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位ea并給顯示端口p0和p1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接

19、傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷1接收返回的超聲波信號。圖8主程序流程圖 由于采用的是12mhz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)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（4-2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取20時的聲速為344m/s則有：d=(ct)/2=172t0/10000cm （4-2）其中，t0為計數(shù)器t0的計算值。測出距離后結(jié)果將傳給led數(shù)碼顯示約5s，同時測量距離送語音模塊播報。然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容

20、易計算出距離，主程序采用c語言編寫。4.3超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過p2.7端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻率約40khz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時把計數(shù)器t0打開進(jìn)行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確。 圖9定時中斷服務(wù)子程序圖10外部中斷服務(wù)子程序 超聲波測距儀主程序利用外中斷1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即int1引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計時器t0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器t0溢出中斷將外中斷1關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)

21、志字賦值2以表示此次測距不成功。總結(jié)由于時間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計沒有成功做出實物。但是對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。通過此次課程設(shè)計我對傳感器這門課有了更深刻的理解，并且鍛煉了我的實際動手能力。在此我也要感謝王超和高曉紅老師在課程設(shè)計中對我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，同時也感謝本校的一些老師在課程設(shè)計這期間所給予我的幫助。在課程設(shè)計論文寫作期間，各位老師給我提供了種種專業(yè)知識上的指導(dǎo)和日常生活上的關(guān)懷，沒有您們這樣的幫助和關(guān)懷，我不會這么順利的完成課程設(shè)計

22、，借此機(jī)會，向您們表示由衷的感激。通過本次課程設(shè)計也大大的增強(qiáng)了自己的自信心，只要肯努力不斷的敦促自己鍛煉自己就會有很大的進(jìn)步，此后我會一直像這次課程設(shè)計一樣嚴(yán)格要求自己，盡量做到更好。參考文獻(xiàn)1 胡佳文.單片機(jī)課程設(shè)計實例指導(dǎo)m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004。2 劉文濤.單片機(jī)語言c51典型應(yīng)用設(shè)計m.北京：人民郵電出版社，2001。3 郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用m.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000。4 陳新建.pic系列單片機(jī)程序設(shè)計與開發(fā)應(yīng)用m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007。5 張明峰.pic單片機(jī)入門與實戰(zhàn)m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004。6 黃智

23、偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程m.西安：電子工業(yè)出版社，2005。附錄二 程序清單/*函數(shù)名：void displayall()/功能：主顯示函數(shù)*/void displayall() uchar i; delay(2); led_init(); /初始化led led_pos(2,0); /設(shè)置顯示位置為第二行 for(i=0;i16;i+) write(1,dis9i); /led_wdat(dis9i); delay(30); led_pos(3,0); /設(shè)置顯示位置為第三行 for(i=0;i16;i+) write(1,dis10i); /led_wdat(dis10i); d

24、elay(30); delay(1000); clr_screen(); /清屏 delay(500); clr_screen(); /上電，等待穩(wěn)定 led_pos(1,0); /設(shè)置顯示位置為第一行 for(i=0;i16;i+) write(1,dis1i); /led_wdat(dis1i); delay(2); led_pos(3,0); /設(shè)置顯示位置為第三行 for(i=0;i16;i+) write(1,dis3i); /led_wdat(dis3i); delay(2); led_pos(4,0); /設(shè)置顯示位置為第四行 for(i=0;i0;i-)csb=!csb;nop;nop;nop;nop;nop;nop;nop;nop;nop;csb=1;delay_ms(1);ex1=1;delay_ms(30);if(flag=1)distance_count(); dis=temp;flag=0;else dis=0;void tran1()uchar i;th0=0;tl0=0;tr0=1;for(i=20;i0;i-) csb=!csb; nop;nop;nop;nop;nop;nop;nop;nop;nop;csb=1;delay_ms(2);ex1=1;delay_ms(50);