基于單片機超聲波測距課程設(shè)計報告

1、 課程設(shè)計說明書 題 目：超聲波測距 院 （系）：電子工程與自動化 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2011 年 11 月 7 日共 16 頁 第 - 16 - 頁 目錄一、緒論二、對本課程的設(shè)計分析2.1 總體設(shè)計方案介紹2.1.1 超聲波測距原理 2.1.2 超聲波測距原理框圖2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案2.2.1 51系列單片機的功能特點及測距原理2.2.1.1 51系列單片機的功能特點2.2.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理 三、主要電路模塊的實現(xiàn)方案比較及選擇3.1 超聲波發(fā)射電路3.2 超聲波檢測接收電路3.3 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計3.4 系統(tǒng)電路圖及其PCB圖四、系統(tǒng)的

2、軟件設(shè)計4.1 主程序流程圖4.2超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中斷程序五、測試數(shù)據(jù)以及結(jié)論六、課程設(shè)計過程中遇到的主要問題以及解決辦法七、心得體會1、 緒論 隨著社會的發(fā)展，人們對距離或長度測量的要求越來越高。超聲波測距由于其能進行非接觸測量和相對較高的精度，越來越受到人們的重視。超聲波測距離的一個最重要的功能就是作用于倒車系統(tǒng)上。要實現(xiàn)倒車系統(tǒng)的準確精度，就得把超聲波和單片機相結(jié)合，利用單片機的控制系統(tǒng)和精確的運算使超聲波測距離更加快速和精確。從而，減少事故的發(fā)生。通過該實驗學(xué)習(xí)利用單片機和超聲波探測元件測試距離的基本方法，進一步熟悉單片機定時器技術(shù)、中斷技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過程中的綜合

3、運用方法，提高綜合應(yīng)用程序的編程方法與技巧。發(fā)射器發(fā)出的40KHz超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。報告內(nèi)容包括：單片機控制主程序、中斷子程序、延時子程序和超聲波發(fā)射、接收電路、數(shù)碼管驅(qū)動顯示電路以及主電路。二、對本課程設(shè)計的分析2.1總體設(shè)計方案介紹2.1.1超聲波測距原理發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化

4、不大，則可認為聲速是基本不變的。表1-1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（）-30-20-100102030100聲速（ms）313319325323338344349386表1-12.1.2超聲波測距儀原理框圖如下圖采用AT89s52單片機，晶振：12MHZ，單片機P1.0口發(fā)出40kHZ的方波信號，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，利用外部中斷0口監(jiān)測超聲波輸出的返回信號，顯示電路采用簡單的4位LED數(shù)碼管，位碼用8550驅(qū)動。 單 片 機超聲波接收數(shù)碼管顯示超聲波發(fā)送掃描驅(qū)動 圖1-1 超聲波測距原理框圖2.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及LE

5、D顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT89S52來實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。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。單片機通過P1.0口經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不斷的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平用高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已返回。計數(shù)器所記的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到超聲波傳感器與障礙物的距離。2.2.1 51系列單片機的功能特點及測距原理2.2.1.1 51系列單片機的功能特點 51系列單片機中典型芯片(AT89S52)采用40引腳雙列直插

6、封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，8kB的ROM，256 B的RAM，3個16b的定時計數(shù)器TO、T1以及T2，4個8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)，使其在實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系列單片機提供以下功能：8 kB存儲器；256 BRAM；32條工O線；3個16b定時計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM

7、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。5l系列單片機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距系統(tǒng)。2.2.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離SCt2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：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。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。3、

8、主要電路模塊的實現(xiàn)方案比較及選擇3.1 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3-1所示。發(fā)射電路主要由反相器CD4069和超聲波發(fā)射換能器TX構(gòu)成，單片機P1.0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)射強度。圖3-1 超聲波發(fā)射電路原理圖 3.2 超聲波檢測接收電路集成電路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38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作

9、超聲波檢測接收電路(如圖3-2)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。圖3-2 超聲波檢測接收電路3.3 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)的特點是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，單片機選用AT89S52，經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有8K的ROM，便于編程。單片機系統(tǒng)及顯示電路原理圖如見圖3-3。 圖3-3 單片機系統(tǒng)及顯示電路原理圖3.4 系統(tǒng)電路圖及其PCB圖給出整個系統(tǒng)的電路圖，并加以說明。要詳細說明第3節(jié)中各模塊如何組合在一起來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的。圖4-1 系統(tǒng)電路圖及其PCB圖當電源接電的時候由AT89S5

10、2單片機實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片的控制。單片機通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。單片機開啟外部中斷使定時器關(guān)閉，定時器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過運算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，這時通過BCD碼轉(zhuǎn)換把十六進制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制，并通過查表把距離顯示在LED數(shù)碼管顯示器上。四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 主程序流程圖超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分組成。主程序首先對系統(tǒng)初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位的定時

11、計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA。然后單片機送出超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲一段時間，保持電平20us左右，也就是超聲波頻率大約為40KHZ，連續(xù)發(fā)送8個波形（這也是超聲波測距離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。由于采用12MHz的晶振，機器周期為1us，當主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）按下式計算即可測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340m/s則有：d=（T0*344）/2（其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值）測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式送到LED

12、顯示管顯示，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測量過程。主程序框圖如下圖5-1所示： 開始 單片機初始化 N 定時中斷子程序有無回波信號You 一 外部中斷子程序 結(jié)束 圖5-1 超聲波測距離主程序流程圖4.2超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)射子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送8個超聲波信號，頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為20us左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波測距離主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志位賦值1.，中斷子程序流程圖如圖5-2所示：

13、外部中斷入口 定時中斷入口 關(guān)外部中斷 定時初始化 讀取時間值N 發(fā)射超聲波 計算距離 是否發(fā)射完 結(jié)果顯示 停止發(fā)射 返回 返回圖5-2 定時中斷子程序流程圖 外部中斷子程序流程圖五、測試數(shù)據(jù)以及結(jié)論在溫度為25度左右環(huán)境下測試：實際距離（mm）707580859095100105110實際距離（mm）727681879296100105110超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路

14、用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.061m，測距儀最大誤差不超過1mm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。改裝：由于技術(shù)水平所限暫時不能給該設(shè)計加入語音程序，如果能加入語音程序的話，就能使超聲波測距離在倒車系統(tǒng)和其他領(lǐng)域中得到最完美的體現(xiàn)。超聲波測距離在生活中的應(yīng)用越來越廣泛，且也使汽車在倒車的時候能最大可

15、能的減少事故的發(fā)生。其有很高的開發(fā)的價值和十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為提高生活和科學(xué)技術(shù)水平提供了選擇。六、課程設(shè)計過程中遇到的主要問題以及解決辦法問題一：該實驗不能在Protues上進行仿真由于不能在Protues上仿真出超聲波信號的發(fā)射和接收所以進行不了仿真，這時候我只能通過查資料直接在Protel上畫出該實驗的整個電路圖，直接做出硬件來進行調(diào)試。問題二：接受超聲波電路的電容用錯 電解電容用了瓷片電容，而且電容的大小用小了七、心得體會超聲波測距離讓我想到雷達探測，因為其利用的就是超聲波原理。由于暑假電賽培訓(xùn)時候已經(jīng)做過了其電路板，只是當時程序下載到板子上時候沒有成功。所以我把上次遺留下來的問題，

16、一并的在這次課設(shè)中考慮進去了，可以說是帶著很疑問去做課設(shè)的。板子很快就做好了，而程序的編寫都是自己通過網(wǎng)上查找資料以及詢問高年級學(xué)長才一步一個坎，一步一個腳印，最終編程成功，達到了我所想要的結(jié)果。過程不算很難，同時看著自己所做出來的成果，感覺挺開心的。通過該實驗，我們認識的到了單片機在控制領(lǐng)域中的強大作用，也使我加深了所學(xué)的單片機知識，為我們以后的就業(yè)和學(xué)習(xí)提供了很多的基礎(chǔ)。 附錄 超聲波測距離程序#include <reg52.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define ulong unsigne

17、d longsbit Tx = P10; /產(chǎn)生脈沖引腳sbit Rx = P32; /回波引腳uchar code SEG710=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; uint distance4; /測距接收緩沖區(qū)uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i; bit succeed_flag; /測量成功標志void conversion(uint temp_data);void delay_20us();void csb_init();void main() / 主程序 ui

18、nt distance_data,a,b; uchar CONT_1; i=0; flag=0; csb_init(); while(1) EA=0; Tx=1; delay_20us(); Tx=0; /產(chǎn)生一個20us的脈沖，在Tx引腳 while(Rx=0); /等待Rx回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標志 EX0=1; /打開外部中斷 TH1=0; TL1=0; TF1=0; TR1=1; /啟動定時器1 EA=1; while(TH1 < 30); /等待測量的結(jié)果，周期65.535毫秒（可用中斷實現(xiàn)） TR1=0; /關(guān)閉定時器1 EX0=0;

19、/關(guān)閉外部中斷 if(succeed_flag=1) distance_data=outcomeH; /測量結(jié)果的高8位 distance_data<<=8; /放入16位的高8位 distance_data=distance_data|outcomeL;/與低8位合并成為16位結(jié)果數(shù)據(jù) distance_data*=12; /因為定時器默認為12分頻 distance_data/=58; /微秒的單位除以58等于厘米 / X秒=（ 2*Y米）/344 X秒=0.0058*Y米 if(succeed_flag=0) distance_data=0; /沒有回波則清零 distanc

20、ei=distance_data; /將測量結(jié)果的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū) i+; if(i=3) distance_data=(distance0+distance1+distance2+distance3)/4; a=distance_data; if(b=a) CONT_1=0; if(b!=a) CONT_1+; if(CONT_1>=3) CONT_1=0; b=a;conversion(b); i=0; /外部中斷0，用做判斷回波電平INTO_() interrupt 0 / 外部中斷是0號 outcomeH =TH1; outcomeL =TL1; succeed_flag=1; EX0=0; /關(guān)閉外部中斷/定時器0中斷,用做顯示timer0() interrupt 1 / 定時器0中斷是1號 TH0=0x