超聲波測(cè)距課程設(shè)計(jì)

1、超聲波測(cè)距課程設(shè)計(jì)-作者xxxx-日期xxxx【精品文檔】【精品文檔】目錄前言前言1課題設(shè)計(jì)目的及意義- 1- 1- 1- 1正文正文1 課程的方案設(shè)計(jì)- 2方案- 2- 22 2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 22.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理- 32.1.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)- 3 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 - 3 超聲波電路結(jié)構(gòu)- 4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)- 42.4 PCB版圖設(shè)計(jì)- 53 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)- 63.1 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)- 73.2 主程序流程圖- 7C語言程序- 8- 114 實(shí)物制作- 17電路板焊接及連線圖- 17試效果圖- 18焊接電路板時(shí)所遇問

2、題- 195總 結(jié)- 206 致謝- 20附錄-20【精品文檔】【精品文檔】【精品文檔】【精品文檔】前言1課題設(shè)計(jì)目的及意義設(shè)計(jì)的目的隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)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(cè)距儀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，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)

3、現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)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(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。設(shè)計(jì)的意義 查找與超聲波測(cè)距有關(guān)的資料，通過對(duì)資料的理解開發(fā)設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的單片機(jī)超聲波測(cè)距裝置。設(shè)計(jì)完成后，制作PCB版圖，最后完成實(shí)物的連線。通過設(shè)計(jì)鞏固對(duì)單片機(jī)知識(shí)的運(yùn)用，并加強(qiáng)自我動(dòng)手的能力。1.3課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求了解和掌握超聲

4、波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特性和使用方法，超聲波探測(cè)系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品及及其國內(nèi)外研究進(jìn)展情況，利用單片機(jī)、Proteus和Keil C51工具設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，制作實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試。1、了解和掌握該系統(tǒng)相關(guān)傳感器（3-5種）的技術(shù)資料，包括其技術(shù)指標(biāo)、原理圖、封裝形式、價(jià)格等；【精品文檔】【精品文檔】2、查找系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品（3-5種）的技術(shù)資料，包括其技術(shù)指標(biāo)、原理圖、封裝形式、價(jià)格等；3、查找與本系統(tǒng)相關(guān)論文（最近幾年）（3-5篇）；4、選擇一種傳感器，利用單片機(jī)、Proteus和Keil C51工具設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，制作實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試；5、完成論文。1 課程的方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)

5、整體方案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(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)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。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本文采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)

6、的定時(shí)器。 1.2系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰【精品文檔】【精品文檔】減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。2 2 系統(tǒng)的

7、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用11MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P3.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陰LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)。2.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理2.1.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn) 5l系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的R

8、OM，256 B的RAM，2個(gè)16b的定時(shí)計(jì)數(shù)器TO和T1，4個(gè)8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB存儲(chǔ)器；256 BRAM；32條工O線；2個(gè)16b定時(shí)計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。

9、【精品文檔】【精品文檔】5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差tr，然后求出距離SCt2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(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(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法

10、。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。2.2 超聲波電路結(jié)構(gòu)超聲波接收電路2.3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有4K的ROM，便于編程。單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。 【精品文檔】【精品文檔】 超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時(shí)器單片機(jī)控制顯示器 單單片機(jī)硬件原

11、理片機(jī)硬件原理圖圖 2.4 PCB版圖設(shè)計(jì)：【精品文檔】【精品文檔】PCBPCB版版圖圖（ （a a） ）PCBPCB版版圖圖（ （b b） ）3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)【精品文檔】【精品文檔】超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實(shí)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(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語言編程。 3.1 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)

12、這個(gè)超聲波遇到被測(cè)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(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為： d=s/2=(ct)/2 （1） 其中，d為被測(cè)物與測(cè)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(shí)間。 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。3.2 主程序流程圖 【

13、精品文檔】【精品文檔】單片機(jī)部分C語言程序: #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit trig=P37;sbit echo=P32;uint t=0,s=0;bit flag=0;uchar timeh=0,timel=0,i=0;uchar buffer4=0,0,0,0;uchar code table10 = 0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; /數(shù)碼管09void delay_us()/20u

14、s延遲uchar x;for(x=0;x0;j-)for(y=110;y0;y-);void main()【精品文檔】【精品文檔】trig=0;/echo=0;TMOD=0 x11;/定時(shí)器0、1為16位計(jì)數(shù)模式TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;TR0=1;/啟動(dòng)定時(shí)器0IT0=1;/下降沿觸發(fā)ET0=1;/打開定時(shí)器0中斷ET1=1;/打開定時(shí)器1中斷EX0=0;/關(guān)閉外部中斷0EA=1;/開總中斷while(1)EA=0;/關(guān)總中斷trig=1;/超聲波輸入端delay_us();/延遲20ustrig=0;/產(chǎn)生一個(gè)20us的脈沖whil

15、e(echo=0);/等待echo回波變成高電平flag=0;/清測(cè)量成功標(biāo)志；EA=1;EX0=1;/打開外部中斷TH1=0;TL1=0;/定時(shí)器1清零TF1=0;TR1=1;/啟動(dòng)定時(shí)器1delay(20);/等待測(cè)量結(jié)果TR1=0;/關(guān)閉定時(shí)器1【精品文檔】【精品文檔】EX0=0;/關(guān)閉外部中斷0if(flag)t=timeh*256+timel;/計(jì)算時(shí)間s=t/58;/計(jì)算距離（厘米）buffer0=s/100;/百位buffer1=s%100/10; /十位buffer2=s%10;/個(gè)位elses=0;/沒有，則清零；/*外部中斷0，用做判斷回波電平*/void exter()

16、interrupt 0timeh=TH1;timel=TL1;flag=1;EX0=0;/*用定時(shí)器0做顯示*/void timer0() interrupt 1TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;【精品文檔】【精品文檔】switch(i)case 0:P1=tablebuffer0;P2=0 xfe;i=1;break;case 1:P1=tablebuffer1;P2=0 xfd;i=2;break;case 2:P1=tablebuffer2;P2=0 xfb;i=0;break;default:break;/*定時(shí)器1中斷,用做超聲波測(cè)距

17、計(jì)時(shí)*/void timer1() interrupt 3TH1=0;TL1=0;超聲波測(cè)距部分C語言程序:/晶振=8M/MCU=STC10F04XE/Trig = P10/Echo = P32#include /包括一個(gè)52標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的頭文件#define uchar unsigned char /定義一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned long/*sfr CLK_DIV = 0 x97; /為STC單片機(jī)定義,系統(tǒng)時(shí)鐘分頻 /為STC單片機(jī)的IO口設(shè)置地址定義sfr P0M1 = 0X93;【精品文檔】【精品文檔】sfr

18、 P0M0 = 0X94;sfr P1M1 = 0X91;sfr P1M0 = 0X92;sfrP2M1 = 0X95;sfrP2M0 = 0X96;/*sbit Trig = P10; /產(chǎn)生脈沖引腳sbit Echo = P32; /回波引腳sbit test = P11; /測(cè)試用引腳uchar code SEG710=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;/數(shù)碼管0-9uint distance4; /測(cè)距接收緩沖區(qū)uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,

19、i; /自定義寄存器bit succeed_flag; /測(cè)量成功標(biāo)志/*函數(shù)聲明void conversion(uint temp_data);void delay_20us();/void pai_xu();void main(void) / 主程序 uint distance_data,a,b; uchar CONT_1; CLK_DIV=0X03; /系統(tǒng)時(shí)鐘為1/8晶振（pdf-45頁） P0M1 = 0; /將io口設(shè)置為推挽輸出 P1M1 = 0; P2M1 = 0; P0M0 = 0XFF;【精品文檔】【精品文檔】 P1M0 = 0XFF; P2M0 = 0XFF; i=0;

20、flag=0;test =0;Trig=0; /首先拉低脈沖輸入引腳TMOD=0 x11; /定時(shí)器0，定時(shí)器1，16位工作方式TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器0 IT0=0; /由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷ET0=1; /打開定時(shí)器0中斷 /ET1=1; /打開定時(shí)器1中斷EX0=0; /關(guān)閉外部中斷EA=1; /打開總中斷0 while(1) /程序循環(huán) EA=0; Trig=1; delay_20us(); Trig=0; /產(chǎn)生一個(gè)20us的脈沖，在Trig引腳 while(Echo=0); /等待Echo回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測(cè)量成功標(biāo)志/*/外部中斷0，

21、用做判斷回波電平INTO_() interrupt 0 / 外部中斷是0號(hào) outcomeH =TH1; /取出定時(shí)器的值【精品文檔】【精品文檔】 outcomeL =TL1; /取出定時(shí)器的值 succeed_flag=1; /至成功測(cè)量的標(biāo)志 EX0=0; /關(guān)閉外部中斷 /*/定時(shí)器0中斷,用做顯示timer0() interrupt 1 / 定時(shí)器0中斷是1號(hào) TH0=0 xfd; /寫入定時(shí)器0初始值 TL0=0 x77; switch(flag) case 0 x00:P0=ge; P2=0 xfd;flag+;break; case 0 x01:P0=shi;P2=0 xfe;f

22、lag+;break; case 0 x02:P0=bai;P2=0 xfb;flag=0;break; /*/*/定時(shí)器1中斷,用做超聲波測(cè)距計(jì)時(shí)timer1() interrupt 3 / 定時(shí)器0中斷是1號(hào) TH1=0;TL1=0; */*/顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序void conversion(uint temp_data) 【精品文檔】【精品文檔】 uchar ge_data,shi_data,bai_data ; bai_data=temp_data/100 ; temp_data=temp_data%100; /取余運(yùn)算 shi_data=temp_data/10 ; temp_data

23、=temp_data%10; /取余運(yùn)算 ge_data=temp_data; bai_data=SEG7bai_data; shi_data=SEG7shi_data; ge_data =SEG7ge_data; EA=0; bai = bai_data; shi = shi_data; ge = ge_data ; EA=1; /*void delay_20us() uchar bt ; for(bt=0;btdistance1) t=distance0;distance0=distance1;distance1=t; /*交換值【精品文檔】【精品文檔】 if(distance0dista

24、nce2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; /*交換值 if(distance1distance2) t=distance1;distance1=distance2;distance2=t; /*交換值 4 實(shí)物制作電路板焊接及連線圖：電路板正面元件擺放圖：電路板背面連線圖：【精品文檔】【精品文檔】實(shí)物調(diào)試效果圖焊接電路板時(shí)所遇問題：1、 對(duì)于焊槍的應(yīng)用不是特別嫻熟?！揪肺臋n】【精品文檔】2、 連線時(shí)特別不舒服，可能是超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的連線問題導(dǎo)致的。有的線焊起來空間特別小。在連線的長短方面沒有選擇好。3、 元件擺設(shè)方面存在很大問題，直接導(dǎo)致焊接時(shí)特別吃力。實(shí)物測(cè)試時(shí)問題：1、 沒有仔細(xì)檢查連線正確與