基于51單片機(jī)的超聲波導(dǎo)航的設(shè)計(jì)與制作畢業(yè)論文

1、. . . . 2011 2012學(xué)年第 一 學(xué)期畢業(yè)設(shè)計(jì)課題名稱： 基于51單片機(jī)的超聲波導(dǎo)航的設(shè)計(jì)與制作 31 / 42總目錄第一部分 任務(wù)書 第二部分 開題報(bào)告 第三部分 畢業(yè)設(shè)計(jì)正文第 一 部 分任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書系 部電子信息工程系指導(dǎo)老師職稱講師學(xué)生班級(jí)學(xué)號(hào)設(shè)計(jì)題目基于51單片機(jī)的超聲波導(dǎo)航的設(shè)計(jì)與制作設(shè)計(jì)容目標(biāo)和要求設(shè)計(jì)容目標(biāo)：1、利用超聲波傳感器作為輪式機(jī)器人的雙眼，C51單片機(jī)作為輪式機(jī)器人的大腦，按要求設(shè)計(jì)硬件電路和編寫程序，使輪式機(jī)器人能夠隨時(shí)監(jiān)控前方障礙物的距離。并根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)作出不同的運(yùn)動(dòng)策略。2、（1）能夠應(yīng)用超聲波準(zhǔn)確前方物體的距離（2）能夠應(yīng)用超聲波測(cè)

2、距引導(dǎo)輪式教育機(jī)器人航行設(shè)計(jì)要求：1、提出選題的初步設(shè)想和研究目的2、收集、整理與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)領(lǐng)域的信息資料3、完成本畢業(yè)設(shè)計(jì)電路原理圖設(shè)計(jì)4、完成軟件和硬件系統(tǒng)的調(diào)試，功能指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求5、根據(jù)本畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)、編程、工作過(guò)程，形成符合學(xué)校規(guī)定的畢業(yè)設(shè)計(jì)書面文檔。教研室審核系部審核第 二 部 分開題報(bào)告工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程 系12屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告書學(xué)生專業(yè)機(jī)電一體化班級(jí)學(xué)號(hào)題 目基于51單片機(jī)的超聲波導(dǎo)航的設(shè)計(jì)與制作指導(dǎo)教師單丹職稱講師學(xué) 位碩士題目類別 工程設(shè)計(jì) 基礎(chǔ)研究 應(yīng)用研究 其它課題的容與要求 利用超聲波傳感器作為輪式機(jī)器人的雙眼，C51單片機(jī)作為輪式機(jī)器人的

3、大腦，按要求設(shè)計(jì)硬件電路和編寫程序，使輪式機(jī)器人能夠隨時(shí)監(jiān)控前方障礙物的距離。并根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)作出不同的運(yùn)動(dòng)策略。（1）能夠應(yīng)用超聲波準(zhǔn)確前方物體的距離（2）能夠應(yīng)用超聲波測(cè)距引導(dǎo)輪式機(jī)器人航行前言超聲波測(cè)距是指利用超聲波的反射特效進(jìn)行距離測(cè)量。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器, 它是通過(guò)傳送一個(gè)超聲波（遠(yuǎn)高于人的聽覺(jué)圍）和提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于爆裂回聲返回到傳感器所需時(shí)間的輸出脈沖來(lái)工作的。超聲波傳感器在非接觸性測(cè)量方面的應(yīng)用非常廣泛，如檢測(cè)液體水位（特別是具有腐蝕性的液體，如硫酸、硝酸液體），汽車倒車防撞系統(tǒng)，金屬/非金屬探傷等，都可以用到超聲波距離傳感器。方案的比較與評(píng)價(jià)利用

4、分立模塊的超聲波測(cè)儀：能測(cè)的最小距離比較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)距，電路復(fù)雜，性能穩(wěn)定性不高?；?1單片機(jī)的超聲波測(cè)儀：能進(jìn)行雙向測(cè)距，精度高，功耗低，模塊簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。預(yù)期的效果與指標(biāo)利用超聲波傳感器作為輪式機(jī)器人的雙眼，C51單片機(jī)作為輪式機(jī)器人的大腦，按要求設(shè)計(jì)硬件電路和編寫程序，使輪式機(jī)器人能夠隨時(shí)監(jiān)控前方障礙物的距離。并根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)作出不同的運(yùn)動(dòng)策略，通過(guò)該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與實(shí)踐, 可以讓讀者獲得如下知識(shí)和技能。進(jìn)度安排2011 年 7 月 1日 - 2011 年 9月 1日 選題、調(diào)研、收集資料2011 年 9 月 1日 - 2011 年 10月 1日 論證、開題2011 年 10

5、 月 1 日 - 2011 年 11月 1日 設(shè)計(jì)（寫作初稿）2011 年 11月 1日 - 2011 年 3 月 15 日 修改、定稿、打印參考文獻(xiàn)1瑩. .基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng) ， 華中科技大學(xué)；2譚洪濤.片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)距儀原理與其簡(jiǎn)單應(yīng)用 ， 通信學(xué)；3孔雅瓊. 基于單片機(jī)的超生測(cè)距儀研究與開發(fā) ， 國(guó)防科技大學(xué)；4胡福云. 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀 ， 科技大學(xué) 科技視野；指導(dǎo)教師意見(jiàn)（有針對(duì)性地說(shuō)明選題意義與工作安排是否恰當(dāng)?shù)龋┩馓峤婚_題論證 修改后提交 不同意提交（請(qǐng)說(shuō)明理由）指導(dǎo)教師簽章： 年 月 日系部意見(jiàn)同意指導(dǎo)教師意見(jiàn) 不同意指導(dǎo)教師意見(jiàn)（請(qǐng)說(shuō)明理由） 其它（請(qǐng)說(shuō)明）系（

6、部）主任簽章： 年 月 日第三部分畢業(yè)論文正文基于51單片機(jī)的超聲波導(dǎo)航的設(shè)計(jì)與制作技術(shù)摘 要本設(shè)計(jì)是基于AT89C51單片機(jī)技術(shù)所研究的超聲波導(dǎo)航小車，超聲波傳感器對(duì)前方障礙物距離進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)LED液晶顯示出來(lái)，左右輪伺服電動(dòng)機(jī)則實(shí)現(xiàn)小車對(duì)障礙物的躲避。超聲波做為智能車避障的一種重要手段，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，易于做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，測(cè)量精度也能達(dá)到實(shí)用的要求。在未來(lái)汽車智能化進(jìn)程中必將得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵字 AT89C51 片機(jī) 超聲波Based on 51 single-chip design and production of ultrasonic navigationTian,jin090

7、2 mechanical and electrical integrationAbstract:The design is based on the AT89C51 single-chip technology of ultrasonic navigation vehicle.Ultrasonic sensors measure the distance of obstacles in front .And through the LED liquid crystal display.The left and right wheel motor car for obstacle avoidan

8、ce.Ultrasonic obstacle avoidance for intelligent vehicle is a kind of important means.Simple,to facilitate the calculation,easy to achieve real-time monitoring.Measurement accuracy is also required to achieve practical.Intelligence process in the next car will be widely applied.Keywords: AT89C51Sing

9、le chip microcomputerUltrasonic wave目 錄第一章引言11.1 選題背景與目的11.2 課題的概述11.3 設(shè)計(jì)的主要容介紹1第二章設(shè)計(jì)思路的介紹32.1 AT89C51單片機(jī)介紹32.2超聲波介紹與其應(yīng)用領(lǐng)域62.3 超聲波距離傳感器簡(jiǎn)介72.4 位差超聲波距離傳感器工作時(shí)序8第三章超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)103.1單片機(jī)最小電路的設(shè)計(jì)103.2超聲波發(fā)射接收電路的設(shè)計(jì)123.3顯示模塊的設(shè)計(jì)14第四章系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)154.1超聲波距離測(cè)量程序154.1.1距離測(cè)量程序設(shè)計(jì)思路174.2 超聲波導(dǎo)航程序194.2.1 導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)思路22第五章系統(tǒng)調(diào)試2

10、45.1仿真環(huán)境介紹245.1.1用Keil軟件編譯程245.2超聲波導(dǎo)航元器件的焊接與安裝265.3超聲波導(dǎo)航所需電子元器件清單27結(jié)論28致29參考文獻(xiàn)30第一章引言1.1 選題背景與目的隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。智能汽車概念的提出給汽車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)機(jī)遇也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。汽車的智能化必將是未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度也能達(dá)到實(shí)用的要求，在未來(lái)汽車智能化進(jìn)程中必將得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)作為一個(gè)世界大國(guó)，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之地，在未來(lái)的智能化汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究

11、超聲波在智能車避障上的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義，這將對(duì)我國(guó)未來(lái)智能汽車的研究在世界高科技領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要作用。超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避礙行走、建筑施工工地以與一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)例如：液位、井深和管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 課題的概述本文的主要容是用AT89C51單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)可以測(cè)量障礙物距離并當(dāng)離障礙物距離小于50cm時(shí)，會(huì)拐彎的智能小車。智能小車通過(guò)前方所安裝的超聲波傳感器來(lái)發(fā)射高頻超聲波，在遇到障礙物時(shí)高頻超聲波會(huì)反射回來(lái)，從而測(cè)出與前方障礙物的距離，距離通過(guò)1602液晶顯示器顯示出來(lái)。拐彎則通過(guò)小車的左、

12、右輪伺服電機(jī)來(lái)完成。本文分別從硬件部分的設(shè)計(jì)和軟件部分的設(shè)計(jì)來(lái)詳細(xì)闡述。硬件部分包括超聲波傳感器、左、右輪伺服電機(jī)、1602液晶顯示器，軟件部分包括測(cè)距程序、導(dǎo)航程序、顯示程序。編程是用了匯編程序和C語(yǔ)言的混合編寫，仿真是用了Protues和Keil來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.3 設(shè)計(jì)的主要容介紹本畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)出一個(gè)可以對(duì)前方障礙物體距離測(cè)量并躲避障礙物的智能小車，具體有以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)的容：1距離測(cè)量：超聲波傳感器發(fā)射高頻超聲波，對(duì)前方障礙物距離進(jìn)行測(cè)量。2距離顯示：通過(guò)1602液晶顯示對(duì)超聲波測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示。3小車的行走：通過(guò)左、右輪伺服電機(jī)對(duì)小車輪胎進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電源部分則使用2V干電池。4躲避障礙物：當(dāng)

13、小車行進(jìn)到距離障礙物小于50cm時(shí)，向左拐彎。第二章設(shè)計(jì)思路的介紹根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)采用“MCU+傳感器+顯示設(shè)備+執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的總體設(shè)計(jì)方案，要求MCU對(duì)非接觸式傳感器獲取的外部距離信息進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換，將得出的輪式機(jī)器人與前方障礙物的距離值送到顯示設(shè)備顯示，并根據(jù)程序設(shè)定的距離閾值控制輪式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航功能。其中MCU采用目前性價(jià)比較高的AT89C51單片機(jī)；傳感器采用“超聲波傳感器”，以非接觸的形式測(cè)量前方物體的距離；顯示設(shè)備采用LCD1602液晶顯示模塊；執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用PARALLAX公司生產(chǎn)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是編程控制方便且不需額外增加驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)總體框圖如下：圖2-1 系統(tǒng)

14、框圖2.1AT89C51單片機(jī)介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)

15、版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形與引腳排列如圖2-2所示。圖2-2 51系列單片機(jī)AT89C51單片機(jī)管腳說(shuō)明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被部上

16、拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接

17、收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管腳備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口

18、同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。LE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE

19、禁止，置位無(wú)效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反

20、向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度2.2超聲波介紹與其應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率。它的單位是赫茲。人類耳朵聽到的聲波頻率為20-20K赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)大于20K赫茲或小于20赫茲時(shí)，人們便聽不見(jiàn)了。因此，把頻率高于20K赫茲的聲波稱為超聲波。超聲波的優(yōu)勢(shì)在于：1、 超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。2、 超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。 3、超聲

21、與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)。（治療） 超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）。4、 超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，它就可以通過(guò)與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)與結(jié)構(gòu)（用作治療）。 5、針對(duì)以上超聲波的優(yōu)點(diǎn)，超聲波的主要應(yīng)用領(lǐng)域有： （一）工程學(xué)方面的應(yīng)用：水下定位與通訊、地下資源勘查等 （二）生物學(xué)方面的應(yīng)用：剪切大分子、生物工程與處理種子等 （三）診斷學(xué)方面的應(yīng)用：A型、B型、M型、D型、雙功與彩超等 （四）治療學(xué)方面的應(yīng)用：理療、治癌、外科、

22、體外碎石、牙科等 （五）機(jī)械學(xué)方面的應(yīng)用：防銹油脂的去除：量具刀具的清洗：機(jī)械零部件的除油除銹發(fā)動(dòng)機(jī)：化油器與汽車零件的清洗等 （六）表面處理方面的應(yīng)用：電鍍前的除油除銹：離子鍍前的清洗：磷化處理：清除積碳：氧化皮等 （七）超聲波清洗：清除污染物，疏通細(xì)小孔洞，如：清洗印章，古董修復(fù)和汽車電噴頭疏通等 （八）超聲波攪拌：加快溶解，提高均勻度，加快物理化學(xué)反應(yīng)，防止過(guò)腐蝕和加速油水乳化，如：溶劑染料混合和超聲磷化等 （九）超聲波凝聚：加速沉淀，分離，如：種子浮選和飲料除渣等 （十）超聲波殺菌：殺滅細(xì)菌與有機(jī)污染物，如：污水處理和除氣等 （十一）超聲波粉碎：降低溶質(zhì)顆粒度，如：細(xì)胞粉碎和化學(xué)檢測(cè)等

23、 （十二）超聲波封孔：排除間隙氣體，提高整體密度，如：工件浸漆等 理論研究表明，在振幅一樣的情況下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大。在我國(guó)北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室，就可以增加室空氣濕度，這就是超聲波加濕器的原理。2.3 超聲波距離傳感器簡(jiǎn)介 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器, 它是通過(guò)傳送一個(gè)超聲波（遠(yuǎn)高于人的聽覺(jué)圍）和提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于爆裂回聲返回到傳感器所需時(shí)間的輸出脈沖來(lái)工作的。超聲波傳感器在非接觸性測(cè)量方面的應(yīng)用非常廣泛，如檢測(cè)液體水位

24、（特別是具有腐蝕性的液體，如硫酸、硝酸液體），汽車倒車防撞系統(tǒng)，金屬/非金屬探傷等，都可以用到超聲波距離傳感器。本章應(yīng)用位差超聲波距離傳感器作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的雙眼（測(cè)距圍是：2厘米至3米），C51單片機(jī)作為機(jī)器人的大腦，隨時(shí)判斷和監(jiān)控前方障礙物的距離。圖2-3 位差超聲波傳感器測(cè)距示意圖2.4 位差超聲波距離傳感器工作時(shí)序位差超聲波距離傳感器通過(guò)發(fā)射短超聲波爆裂，然后"聽"回音來(lái)探測(cè)物體。通過(guò)測(cè)量回波脈沖的寬度（即時(shí)間），就能計(jì)算出目標(biāo)的距離，在主機(jī)微控制器發(fā)送的觸發(fā)脈沖的控制下，位差超聲波傳感器發(fā)出一道短40 kHz的（超聲波）爆裂聲，此爆裂聲在空氣中以約1130英尺每秒的

25、速度傳播，當(dāng)碰到物體時(shí)便反射回到傳感器，此時(shí)傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖，向主機(jī)微控制器表示回波被探測(cè)，這個(gè)脈沖寬度就是對(duì)應(yīng)于爆裂回聲返回到傳感器所需時(shí)間。圖2-4 位差超聲波傳感器工作時(shí)序圖注意：位差超聲波距離傳感器在下列情況下不能精確地測(cè)量距離：a) 與物體距離大于3米；b) 與物體的表面形成的反射角太小，使聲音不能反映回到傳感器；c) 物體太小以致沒(méi)有足夠強(qiáng)度的聲音返回到傳感器。2-5 超聲波不能精確測(cè)距的三種情況第三章 超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)基于C51單片機(jī)的超聲波距離檢測(cè)電路原理如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)原理3.1單片機(jī)最小電路的設(shè)計(jì)如圖3-3所示，單片機(jī)最小電路是由晶振電路和

26、復(fù)位電路所組成。圖3-2片機(jī)最小電路晶振電路：AT89C51單片機(jī)的振蕩器輸入分別由引腳19（XTAL1）和引腳18（XTAL2）來(lái)完成。只要將這兩個(gè)引腳外接石英晶體和瓷電容，就可與CPU部組成完整的振蕩電路。 AT89C51單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩器周期，因此一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如振蕩器的頻率為12MHz，一個(gè)振蕩器周期為1/12微秒，而一個(gè)機(jī)器周期為1微秒。復(fù)位電路：復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)送入RST后還要送至片的施密特觸發(fā)器，由片復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周器的S5P2時(shí)刻對(duì)觸發(fā)器輸出采樣信號(hào)，然后由部復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位操作所要的信號(hào)。一般的

27、復(fù)位電路可分為上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位，我們?cè)诖诉x用的是按鍵復(fù)位。 上電自動(dòng)復(fù)位原理：RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，只要高電平的復(fù)位信號(hào)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的有效時(shí)間，就可以使單片機(jī)上電復(fù)位。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)電容充電實(shí)現(xiàn)的，上電瞬間，RST端電位與VCC一樣，隨充電電流的減少，RST的電位逐漸下降，直到復(fù)位信號(hào)無(wú)效。按鍵復(fù)位在此不在作過(guò)多的介紹，其原理和上電復(fù)位是一樣的。但其采用的是脈沖復(fù)位電路和電平復(fù)位電路兩種。3.2超聲波發(fā)射接收電路的設(shè)計(jì)發(fā)射電路主要由反向器74LS04(74HC04)和超聲波發(fā)射換能器T（發(fā)射端）構(gòu)成，單片機(jī)RB1端口輸出的40 kHz方渡信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超

28、聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后進(jìn)到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方渡信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。模塊，一方面可以提高反向器74LS04(74HC04)輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲渡發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫

29、壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲渡接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。我們需要注意的是，超聲波在空氣中傳播時(shí)受到環(huán)境的影響衰減比較大，理論上講發(fā)射探頭的電壓越高，功率越大，發(fā)射的距離就越遠(yuǎn)。但是，傳感器的發(fā)射有其工作電壓的極限值，工作電壓超過(guò)了這個(gè)極限值之后，會(huì)對(duì)傳感器的部電路造成不可恢復(fù)的損害，這樣就并不能有效的發(fā)射出準(zhǔn)確的脈沖信號(hào)。圖3-3 超聲波發(fā)射電路圖集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 KHz與測(cè)距的超聲波頻率40 KHz較為接近，

30、可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。CX20106A的2號(hào)管腳是一個(gè)RC電路。電阻減小 電容增大 放大倍數(shù)增大。但是電阻太小也不行，會(huì)導(dǎo)致沒(méi)接受到信號(hào)7號(hào)管腳也有低電平產(chǎn)生。 這樣就不能準(zhǔn)確的測(cè)出距離了。所以網(wǎng)上的有些原理圖只能做個(gè)參考了。具體2號(hào)管腳的電容，電阻值要根據(jù)實(shí)際的調(diào)試電路來(lái)確定的。圖3-4 超聲波檢測(cè)接收電路圖3.3顯示模塊的設(shè)計(jì)1602液晶顯示電路單片機(jī)將計(jì)算處理的結(jié)果采用1602液晶進(jìn)行顯示，顯示電路的電路原理圖如圖3-5

31、所示圖 3-5 1602液晶顯示電路第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1超聲波距離測(cè)量程序根據(jù)超聲波傳感器的時(shí)序原理圖，應(yīng)用c51單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)前方物體距離的測(cè)量并在LCD模塊上顯示。程序名：distance.c功 能：利用超聲波傳感器測(cè)距，并在LCD上顯示距離值。#include"at89x52.h" #include"uart.h" #include <LCD.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delay_nµs(uint i);void de

32、lay_nms(uint n); void Time0_Init (void);void main(void) uint count,x,H,L,x1,x2; /定義變量 uart_Init(); /串口初始化 Time0_Init();/計(jì)數(shù)器初始化 LCM_Init(); /LCD模塊初始化 printf("Program Running!n"); while(1) /進(jìn)入循環(huán)體 TL0 = 0;/計(jì)數(shù)器低位賦初值0 TH0 = 0;/計(jì)數(shù)器高位賦初值0 P1_3 = 0 ;/置P1_3為0 P1_3 = 1; /置P1_3為1 delay_nµs(5); /

33、延時(shí)5µsP1_3 = 0 ; delay_nµs(750); while(!P1_3) ;TR0 = 1; while (P1_3); TR0 = 0;/定時(shí)器1計(jì)時(shí)停止H = TH0;L = TL0; H = TH0;L = TL0; count=H*256 + L; x=count/29.034; if(x>0&&x<400) x=x/2; x1=x/10;x2=x%10;Set_xy_LCM(0,0);Write_Data_LCM(0x30+x1);/在LCD上顯示距離的十位數(shù)Set_xy_LCM(0,1);Write_Data_LCM(

34、0x30+x2); /在LCD上顯示距離的顯示個(gè)位數(shù)Display_List_Char(0, 2, "cm"); printf("x = %d cmn",x); /在PC機(jī)上顯示器上顯示所測(cè)到的距離elseprintf("no ping!"); delay_nms(200); /延時(shí)200msvoid delay_nµs(uint i) /延時(shí)nµs i=i/10; while(-i); void delay_nms(uint n) /延時(shí)n ms n=n+1; while(-n) delay_nµs(9

35、00); void Time0_Init (void) /計(jì)數(shù)器0初始化程序TMOD |= 0x01;/計(jì)數(shù)器選擇工作模式1TL0 = 0;/計(jì)數(shù)器低四位賦初值零TH0 = 0;/計(jì)數(shù)器高四位賦初值零TR0 = 0;/停止計(jì)數(shù)4.1.1距離測(cè)量程序設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)要分析以上程序的基本設(shè)計(jì)思路，用流程圖表示如下：開始LCM與串口初始化延時(shí)75S產(chǎn)生5S觸發(fā)脈沖控制引腳置高定時(shí)器計(jì)數(shù)開始N引腳電下降沿？Y定時(shí)器停止計(jì)數(shù)將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為距離調(diào)顯示函數(shù)圖4-1距離測(cè)量程序流程圖主要分為兩步：1、先是根據(jù)位差超聲波傳感器的控制時(shí)序圖，起動(dòng)位差超聲波距離傳感器，即通過(guò)單片機(jī)編程，給超聲波傳感器的信號(hào)引腳提供一個(gè)持

36、續(xù)時(shí)間為5µs的高電平，然后拉低信號(hào)引腳750µs,這樣位差超聲波傳感器就被啟動(dòng)，發(fā)出超聲爆裂，與此同時(shí)，啟動(dòng)單片機(jī)的定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)超聲波遇到物體時(shí)會(huì)立即反射回來(lái)，位差超聲波傳感器的接收器接到回波時(shí)，會(huì)自動(dòng)拉低其信號(hào)引腳的電平，單片機(jī)查詢到此引腳的電平下降沿到來(lái)時(shí)停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，此時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)值就間接反應(yīng)了超聲波從反射到返回所經(jīng)歷的時(shí)間。2、然后讀出定時(shí)器的計(jì)數(shù)值除以2，便得到超聲波在遇到被測(cè)物體返回的時(shí)間，根據(jù)：距離=速度*時(shí)間，就可以計(jì)算出前方物體的距離，因超聲波在常溫下的空氣介質(zhì)中傳播的速度大約為344m/s, 即29.034µs超聲波能傳播1cm，所以

37、在程序中用語(yǔ)句x=count/29.034來(lái)計(jì)算距離值，獲得被測(cè)距離值后，調(diào)用LCD顯示函數(shù)將距離值在LCD模塊上顯示出來(lái)。4.2 超聲波導(dǎo)航程序根據(jù)位差超聲波距離傳感器測(cè)量得的“距離”信息進(jìn)行避障行走；當(dāng)輪式教育機(jī)器人距離前面障礙物小于20cm時(shí)，它會(huì)向左拐改變行進(jìn)方向，避免與物體碰撞。程序名：moveroaming.c功 能：利用超聲波傳感器探測(cè)前方物體并引導(dǎo)輪式教育機(jī)器人避開障礙物#include"at89x52.h" #define uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delay_nµs(uin

38、t i);void delay_nms(uint n);void Forward(void);void Left_Turn(void);void Right_Turn(void) ;void Backward(void) ;void Time0_Init (void);int main(void) /主函數(shù)，程序從這里開始運(yùn)行 uint count,x,H,L; /定義無(wú)符號(hào)整型變量count,x,Time0_Init ();while(1)/循環(huán) TL0 = 0;/計(jì)數(shù)器低位賦初值0 TH0 = 0;/計(jì)數(shù)器高位賦初值0 P1_3 = 0 ;/置P1_4輸出為高電平，其余的輸出低電平 P1_

39、3 = 1; delay_nµs(5); /延時(shí)5µs P1_3 = 0 ; delay_nµs(750); while(!P1_3) ;TR0 = 1; while (P1_3); TR0 = 0;/定時(shí)器1計(jì)時(shí)停止H = TH0;L = TL0; count=H*256 + L; x=count/29.034; if(x<=20) /如果距離小于20cm時(shí) Backward(); /后退 Left_Turn(); /向左轉(zhuǎn) else /距離不小于等于20cm時(shí) Forward(); /向前走 delay_nms(30); /延時(shí)30msvoid dela

40、y_nµs(uint i) /延時(shí)nµs i=i/10; while(-i); void delay_nms(uint n) /延時(shí)n ms n=n+1; while(-n) delay_nµs(900); void Time0_Init (void) /計(jì)數(shù)器初始化TMOD |= 0x01; /計(jì)數(shù)器選取方式1TL0 = 0;/計(jì)數(shù)器低位賦初值0TH0 = 0;/計(jì)數(shù)器高位賦初值0TR0 = 0; /停止計(jì)數(shù)void Forward(void) /聲明一個(gè)前進(jìn)子函數(shù)P1_0 = 1; /設(shè)置P1_0輸出高電平delay_nµs(1700); /延時(shí)0.

41、0017s P1_0 =0; /設(shè)置P1_0輸出低電平P1_1 = 1; /設(shè)置P1_1輸出高電平delay_nµs(1300); /延時(shí)0.0013sP1_1 = 0; /設(shè)置P1_1輸出低電平delay_nms(20); /延時(shí)20msvoid Left_Turn(void) /聲明一個(gè)向左子函數(shù) uint i;for(i=1;i<=7;i+) P1_0 = 1; /設(shè)置P1_0輸出高電平 delay_nµs(1300); /延時(shí)0.0013s P1_0 = 0; /設(shè)置P1_0輸出低電平 P1_1 = 1; /設(shè)置P1_1輸出高電平 delay_nµs

42、(1300); /延時(shí)0.0013s P1_1 = 0; /設(shè)置P1_1輸出低電平 delay_nms(20); /延時(shí)20ms void Backward(void) /聲明一個(gè)向后子函數(shù) uint i;for(i=1;i<=4;i+) P1_0 = 1; /設(shè)置P1_0輸出高電平 delay_nµs(1300); /延時(shí)0.0013s P1_0 = 0; /設(shè)置P1_0輸出低電平 P1_1 = 1; /設(shè)置P1_1輸出高電平 delay_nµs(1700); /延時(shí)0.0017s P1_1 = 0; /設(shè)置P1_1輸出低電平 delay_nms(20); /延時(shí)2

43、0ms 4.2.1 導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)思路下面簡(jiǎn)要分析以上程序的基本設(shè)計(jì)思路，用流程圖表示如下：開始LCM與串口初始化延時(shí)75S產(chǎn)生5S觸發(fā)脈沖控制引腳置高定時(shí)器計(jì)數(shù)開始N引腳電下降沿？Y定時(shí)器停止計(jì)數(shù)將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為距離距離<20cm?N調(diào)用前進(jìn)函數(shù)調(diào)用左拐函數(shù)Y調(diào)用后退函數(shù)圖4-2 導(dǎo)航程序流程圖第五章 系統(tǒng)調(diào)試5.1仿真環(huán)境介紹5.1.1用Keil軟件編譯程Keil µVision3是Keil C51（V8.02）工具包中的一個(gè)重要組件,µVision3是用于多種8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境(IDE，Integrated Development Environment)

44、,集編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真于一體，支持匯編和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。µVision3提供對(duì)多種最新的8051類MCU支持,其嵌的仿真器不但可以對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線仿真,而且允許模擬仿真, 從而對(duì)沒(méi)有仿真器的用戶帶來(lái)了便利。打開Keil µVision3軟件后，新建一個(gè)工程，選擇CPU的型號(hào)和廠家，這里我所選用的是AT89C51單片機(jī)，如圖 5-1。在上述工程對(duì)話框中新建一個(gè)文件，保存文件名為huibian 類型為.C后綴，保存完后將文件加到工程中。圖選擇AT89C51芯片選擇Source Group1中的Add/Remove Source File 菜單項(xiàng)，將出現(xiàn)Add/Remove Source Code Files對(duì)話框。添加后，在文件中寫入程序。寫完后應(yīng)該編譯該程序是否正確。其顯示如圖5-2所示。圖5-2 程序的寫入和編譯因?yàn)槲宜帉懙某绦虬藚R編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，所以對(duì)程序進(jìn)行編譯之前，要對(duì)Keil軟件進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置就不詳細(xì)介紹了，以下是其中的一個(gè)步驟，如圖5-2所示：生成.H