單片機(jī)課程設(shè)計--超聲波測距儀

1、課程設(shè)計成果說明書題 目： 超聲波測距儀的設(shè)計 學(xué)生姓名： 王超然 學(xué) 號： 130407206 學(xué) 院： 船舶與海洋工程學(xué)院 班 級： A13電信 指導(dǎo)教師： 樓然苗 2015年11月20日摘要由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到日常使用的要求。 超聲波測距儀，可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。利用超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超

2、聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實(shí)時控制。   本設(shè)計的超聲波測距儀利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，采用以STC12C5A單片機(jī)為核心進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，最終完成超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計。該測距儀主要由超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器電路、單片機(jī)控制電路、系統(tǒng)電源電路及顯示電路構(gòu)成。整個程序采用模塊化設(shè)計，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測距器的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個功能模塊。 關(guān)鍵詞：超聲波；測距；傳感器1. 選題背

3、景隨著科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，自動測量技術(shù)不斷更新，非接觸式測量技術(shù)也有了長足的發(fā)展。在很多工控場合，測量的物體是不能夠直接接觸到的，或者是測量物體不宜直接接觸, 這個時候就要用到非接觸式的測量儀器。自物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此超聲波技術(shù)得到廣泛運(yùn)用。而在超聲波測量領(lǐng)域，尤其是在測距領(lǐng)域，結(jié)合各種其他技術(shù)的應(yīng)用，超聲波測量變得十分普及。 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，傳播速度僅為光波的百萬分之一，縱向分辨率較高。超聲波對色彩、光照度、外界光線和電磁場不敏感，因此超聲測距對于被測物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強(qiáng)電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下

4、有一定的適應(yīng)能力，在液位測量、機(jī)器人避障和定位、倒車?yán)走_(dá)、物體識別等方面有著廣泛的運(yùn)用。與其他測距方法相比，超聲波測距方法有其自己的特點(diǎn)： (1) 相對于聲波，超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中的衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)勢。 (2) 相對于光學(xué)方法，超聲波的波速小，可以直接測量較近目標(biāo)的距離，縱向分辨率較高；對色彩、光照度、電磁場不敏感，被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。特別是在海洋勘測方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 (3) 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來越廣。但

5、就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術(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。2. 設(shè)計思路超聲波測距系統(tǒng)包括超聲波的發(fā)射與接收系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：超聲波接收單片機(jī)控制器LED顯示掃描驅(qū)動報警裝置超聲波發(fā)射2-1 超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)的設(shè)計主要分為系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計和系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計兩部分。系統(tǒng)硬件電路部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、語音報警模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊組成。單片機(jī)為系統(tǒng)主控芯片，超聲波傳感器作為測量器件，通過單片機(jī)進(jìn)行程序處理，最后通過顯示模塊顯示出測量的距離值并進(jìn)行報警。如圖：3-1超聲波測

6、距系統(tǒng)軟件框圖。圖3-1超聲波測距系統(tǒng)軟件框圖3. 基本原理 超聲波測距系統(tǒng)能夠在必要的時候（例如：汽車倒車）通過單片機(jī)控制發(fā)射電路發(fā)射超聲波，超聲波向前傳播。當(dāng)超聲波遇到障礙物時會反射回來，由接收電路接收。接收電路會把信號傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。所得到的結(jié)果會通過LED數(shù)碼管顯示出來。如果距離小于一個特定的值，單片機(jī)會發(fā)出指令讓報警裝置發(fā)出相應(yīng)的警報聲。在此過程中，如果發(fā)射裝置與障礙物之間有相對運(yùn)動，那么LED數(shù)碼管會不斷地顯示兩者之間最新的距離。而單片機(jī)會對距離的變化情況發(fā)出不同的指令。如果兩者的距離超出一定的范圍（本次設(shè)計是四米），就不再會進(jìn)行報警。但是如果

7、兩者之間的距離不斷縮小，那么報警的聲音就會發(fā)生變化，以便能夠給人們提示。超聲波測距器是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止時。通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差T，然后求出距離L。 基本的測距公式為： S=(T/2)*V  其中式中：  S ：為被測距離；     T：為發(fā)射波和反射波之間的時間間隔；

8、0;       V ：為超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s 。聲速確定后，只要測出超聲波往返的時間，即可求得S 。超聲波測距原理圖如圖：圖 1.1超聲波測距原理圖4. 超聲波測距模塊工作原理這一部分采用HC-SR04超聲波測距模塊。超聲波測距模塊可提供 2cm-4m的非接觸式距離感測功能，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理為給予此超聲波測距模塊一觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波投射到物體而反射回來時，模塊輸出一回響信號，以觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來判定物體的距離。1) 基本工作原理：

9、 (1) 采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號;(2) 模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回； (3)有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時 間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2; 2) 參數(shù)設(shè)置：（如圖）圖 4-2-1 參數(shù)設(shè)置3) 時序圖的說明：圖 4-3-1超聲波模塊時序圖你只需要提供一個短期的 10uS 脈沖觸發(fā)信號。該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個 40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柺且粋€脈沖的寬度成正比的距離對象?？赏ㄟ^發(fā)射信號到收到的回響信號時間

10、間隔可以計算得到距離。公式: uS/58=厘米或者 uS/148=英寸。建議測量周期為 60ms以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響.5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計：超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件電路的設(shè)計包含著軟件的設(shè)計思路，軟件的設(shè)計又能更好的發(fā)揮硬件的功能。軟件對整個系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的，如果說硬件是一個系統(tǒng)的軀體，那么軟件就是這個系統(tǒng)的靈魂，整個系統(tǒng)的執(zhí)行操作都是在軟件的協(xié)調(diào)指揮下進(jìn)行的。當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來實(shí)現(xiàn)，軟件的設(shè)計在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。5.1 軟件設(shè)計分析系統(tǒng)軟件的設(shè)計，它所需要完成的主要是針對系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。

11、根據(jù)以上所述系統(tǒng)硬件設(shè)計和各個電路功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：1) 信號控制。在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、回波檢測接收電路的設(shè)計。在系統(tǒng)軟件中，要完成發(fā)射脈沖信號及輸出顯示。2) 數(shù)據(jù)存儲。為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數(shù)器的計數(shù)值，然后存儲在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。3) 信號處理。RAM中存儲的計數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，超聲波從發(fā)射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時間，需要通過軟件定時器來記錄。根據(jù)這個時間才能計算出障礙物的距離。4) 數(shù)據(jù)傳輸與顯示。經(jīng)軟件處理得到的距離要以十進(jìn)制的方式送LED顯示。5.2 軟件

12、設(shè)計5.2.1 主程序：系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波脈沖LED顯示結(jié)果計算距離開始圖 5.2.1 主程序框圖結(jié)構(gòu)5.2.2 超聲波產(chǎn)生子程序：5.3 主程序：/* 主程序 */void main()/Ultrasonic_out=0;SP=0X80;P4SW=0x70; /P4.4-P4.6為普通IO口 X111 xxxx;P0M1=0X00; /P0為準(zhǔn)IO口P0M0=0X00; /P0為準(zhǔn)IO口setup(); /液晶上電初始化TMOD=0x11; /16位定時器設(shè)定TH0=0X3C; /50毫秒定時值TL0=0XB0; /50毫秒定時值TH1=0X00; /超聲回波計時用TL1

13、=0X00; /超聲回波計時用/flashing_lamp1=1; /關(guān)指示小燈1LO_lamp=1; /關(guān)指示小燈或蜂鳴器set_flashing_flag=0; /設(shè)定時調(diào)整單元閃爍標(biāo)志，0正常顯示，1熄滅set_time_flag=0; /時間調(diào)整控制，值域：0-8，分別為正常，調(diào)年、月、日、時、分、秒、星期、高溫、低溫second_conter=0; /秒計數(shù)器/BLACK=0; /開液晶背光燈_write(0x80,16,disdata1);/初始開機(jī)畫面,寫液晶第1行_write(0x90,16,disdata2);/初始開機(jī)畫面,寫液晶第2行_write(0x88,16,disd

14、ata3);/初始開機(jī)畫面,寫液晶第3行_write(0x98,16,disdata4);/初始開機(jī)畫面,寫液晶第4行/18B20溫度傳感器開機(jī)時先轉(zhuǎn)換一次ow_reset(); / 18B20復(fù)位write_byte(0xCC); / 18B20Skip ROMwrite_byte(0x44); / 18B20發(fā)轉(zhuǎn)換命令/delay1ms(3000); /LOGO顯示約3秒/讀出EEPROM中存放的高低溫報警設(shè)定值/temp_bj_max = IapReadByte(IAP_ADDRESS); /高溫報警設(shè)定值temp_bj_min = IapReadByte(IAP_ADDRESS+1);

15、 /低溫報警設(shè)定值/Bj_D=IapReadByte(IAP_ADDRESS+2)|(IapReadByte(IAP_ADDRESS+3)<<8); /取報警距離數(shù)據(jù)/初次寫入程序時如數(shù)值不在規(guī)定域內(nèi)則指定一個數(shù)據(jù)if(Bj_D>max_D|Bj_D<min_D)Bj_D=100; /值在100mm-4000mm內(nèi)if(temp_bj_max>max_temp|temp_bj_max<min_temp) temp_bj_max =40; /-40-80if(temp_bj_min<min_temp|temp_bj_min>max_temp) te

16、mp_bj_min =0; /BjD_set_BCD_disp(); /設(shè)定參數(shù)顯示temp_set_data_BCD_disp(); /設(shè)定參數(shù)顯示delay1ms(3000); /設(shè)定參數(shù)顯示約3秒/BLACK=1; /關(guān)液晶背光燈/ /V=344; Distance=0; /_write(0x80,16,disdata1); /工作畫面,寫液晶第1行_write(0x90,16,DISP_DATA2);/工作畫面,寫液晶第2行_write(0x88,16,DISP_DATA3);/工作畫面,寫液晶第3行_write(0x98,16,DISP_DATA4);/工作畫面,寫液晶第4行/*以下主程序循環(huán)開始*/while(1) read_temp(); /讀18B20溫度數(shù)據(jù)work_temp(); /處理溫度數(shù)據(jù)并顯示刷新/Distance_display();/測距程序if(KEY0=0)keywork(); /日歷時鐘調(diào)整、高溫低溫報警值設(shè)定/flashing_lamp1=flashing_lamp1;/主程序運(yùn)行指示燈,調(diào)試用。經(jīng)測試每循環(huán)一次為100MS/以上主循環(huán)程序結(jié)束/6. 感悟心得經(jīng)過測試，本系統(tǒng)在電源供電的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自動測距、實(shí)時顯示的功能，在4米距