基于單片機控制的超聲波測距警報系統(tǒng)設(shè)計說明

1、 師大學(xué)天華學(xué)院現(xiàn)代通信技術(shù)專業(yè)課程設(shè)計題 目基于單片機控制的超聲波測距報警系統(tǒng)設(shè)計系 部：電子與信息工程系專業(yè)班級：學(xué)生：學(xué) 號：小組成員：指導(dǎo)教師：時 間：完成日期 17 / 19目錄第一章緒論11.1 課題設(shè)計背景與目的11.2 課題設(shè)計任務(wù)與要求11.3 課題設(shè)計的主要容2第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計32.1 測距原理32.2 設(shè)計思路與原理框圖32.3 設(shè)計方案3第3章各模塊介紹53.1 單片機AT89S5253.2 引腳與其功能53.2 單片機最小系統(tǒng)73.2 超聲波發(fā)射模塊73.3 超聲波接收模塊83.4 顯示模塊9第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計104.1 主程序設(shè)計104.2 超聲波發(fā)射子程序114

2、.3 超聲波接收中斷程序11第5章調(diào)試與性能分析125.1 調(diào)試125.2 性能分析12第六章結(jié)束語12參考文獻13附錄14附錄1 元件清單與實物圖14附錄2 系統(tǒng)原理圖15附錄3 程序15第一章 緒論1.1 課題設(shè)計背景與目的 超聲波測距1作為一種傳統(tǒng)且實用的非接觸測量方法，與激光、無線電測距方法相比，不易受外界光與電磁場等因素的影響，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，在惡劣環(huán)境下也有一定的適應(yīng)能力，因此在工業(yè)控制、建筑測量、機器人避障等方面都得到了廣泛應(yīng)用。而且由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，利用超聲波檢測距離，設(shè)計方便，計算處理簡單，并在測量精度方面也能達到工業(yè)要求。通過本次設(shè)計掌

3、握超聲波測距系統(tǒng)2硬件設(shè)計方法與軟件編寫方法，了解設(shè)計過程中所涉與的芯片結(jié)構(gòu)、控制原理、硬件與編程等方面知識，加深對現(xiàn)代通信技術(shù)課程知識點的理解，提高在應(yīng)用知識、設(shè)計、調(diào)試等方面的能力。1.2 課題設(shè)計任務(wù)與要求任務(wù)：1、設(shè)計最小化單片機系統(tǒng)并進行焊接和調(diào)試2、設(shè)計并編程，實現(xiàn)超聲波測距報警3功能要求：1、數(shù)碼管能實時顯示障礙物與超聲波模塊的距離信息。單位為cm，精確到小數(shù)點后1位。2、系統(tǒng)具備測距啟動/復(fù)位功能。3、當(dāng)測試距離小于10cm或大于50cm時報警，并用蜂鳴器時間長短來區(qū)別。1.3 課題設(shè)計的主要容本課題設(shè)計的主要容包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。通過對超聲波測距可行性進行理論分析的

4、基礎(chǔ)上，利用計算機、電子技術(shù)與超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，制作出超聲波測距的硬件部分，并編寫相應(yīng)的軟件程序，進行調(diào)試與運行。其中在硬件設(shè)計方面，針對超聲波在傳播時呈指數(shù)衰減的特性，采取最大限度提高驅(qū)動能力、對回波進行多級放大等方法，擴大測量圍。在軟件設(shè)計方面，采用模塊化程序設(shè)計構(gòu)想，將軟件分為超聲波驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理2大模塊，而每個模塊又由若干小模塊組成，使其軟件結(jié)構(gòu)簡單清晰，利于調(diào)試與修改。第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計超聲波測距硬件主要包括STC89C52單片機最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射/接收模塊、顯示模塊、報警模塊等。2.1 測距原理超聲波是指頻率高于20KHz的機械波，其測距方法有多種，如相位檢測法、聲波幅

5、值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測圍有限，聲波幅值檢測法則易受反射波影響。故本文采用超聲波往返時間檢測，其原理是檢測出從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)傳播介質(zhì)發(fā)送到接收器所需的時間，再與傳播介質(zhì)中的聲速相乘，得到聲波傳輸?shù)木嚯x。而它的一半即為所測距離。2.2 設(shè)計思路與原理框圖單片機4首先發(fā)出40KHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出，然后超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理，啟動單片機中斷程序，測得時間T，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別，最后將相應(yīng)的計算結(jié)果送至LED數(shù)碼管進行顯示。單片機LED顯示發(fā)射驅(qū)動接收處理按 鍵發(fā)射管接收管圖2.

6、1 超聲波測距原理框圖2.3 設(shè)計方案采用AT89S525單片機作為主控制器，選用高精度的晶振，以獲得穩(wěn)定的時鐘頻率，減少測量誤差。用P1.0端口輸出40KHz方波信號，并利用外中斷0口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。LED顯示電路采用3位共陽數(shù)碼管，段選接P0口的8位，位選接P2口的高三位。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下：超聲波接收超聲波發(fā)送單片機控制器LED顯示報警圖2.2 超聲波測距報警系統(tǒng)框圖發(fā)射超聲波脈沖計數(shù)器工作延時2ms停止計數(shù)，計算距離是否有回波結(jié)束YN開始系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)顯示距離<10cm或>50cm蜂鳴器報警YN圖2.3 超聲波測距報警系統(tǒng)流程圖第3章 各模塊介紹3

7、.1 單片機AT89S52AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器6，具有8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片晶振與時鐘電路。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，片置通用8位CPU與Flash存儲單元，使其為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高效率的解決方案。3.2 引腳與其功能如圖3.1為AT89S52引腳圖。圖3.1 AT89S52引腳圖1、VCC：電源 GND：地2、P0口：8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸

8、出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口則作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用，在這種模式下，它具有部上拉電阻。在flash編程時，P0口用來接收指令字節(jié)。在程序校驗時，則需要外部上拉電阻來輸出指令字節(jié)。3、P1口：具有部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，部上拉電阻把端口拉高，作為輸入口使用。在輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能：P1.0 T2：定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入，時鐘輸出P

9、1.1 T2EX：定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制P1.5 MOSI、P1.6 MISO、P1.7 SCK：系統(tǒng)編程用4、P2口：具有部上拉電阻的8位雙向I/O口。P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，部上拉電阻把端口拉高，作為輸入口使用。在輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址。在使用8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出鎖存器容。在flash編程和校驗時，P2口接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。5、P3口：具有部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3輸出緩沖器

10、能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，部上拉電阻把端口拉高，作為輸入口使用。在輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流。在flash編程和校驗時，P3口接收一些控制信號。引腳號第二功能：P3.0 RXD:串行輸入 P3.1 TXD:串行輸出P3.2 INT0：外部中斷0 P3.3 INT0：外部中斷0P3.4 T0：定時器0外部輸入 P3.5 T0：定時器1外部輸入P3.6 WR：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3.7 RD：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通6、RST：復(fù)位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平使單片機復(fù)位。看門狗計時完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。

11、特殊寄存器AUXR的DISRT0位可以是此功能無效。DISRT0默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。7、ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。通常，ALE以晶振1/6的固定頻率輸出脈沖，作為外部定時器或時鐘使用。在flash編程時，PROG用作編程輸入脈沖。8、PSEN：外部程序存儲器選通信號。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，則不被激活。9、EA/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA應(yīng)接GND。為執(zhí)行部程序指令，

12、EA應(yīng)接VCC。在flash編程時，EA應(yīng)接12V的VPP電壓。10、XTAL1:振蕩器反相放大器和部時鐘發(fā)生電路的輸入端。11、XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。3.2 單片機最小系統(tǒng)本文單片機型號為AT89S52，采用頻率為12MHz的晶振與兩個電容組成的晶振電路，為單片機提供工作時序。復(fù)位電路是按鍵電平復(fù)位，是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)。最小系統(tǒng)7電路圖如圖3.2所示。圖3.2 單片機最小系統(tǒng)3.2 超聲波發(fā)射模塊本文的發(fā)射電路是利用STC89C52的P3.3口發(fā)射40KHz的方波信號，將其分成兩路，分別由74LS04經(jīng)兩次和一次反向放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波

13、，如圖3.3所示。其中，74LS04是一個高速CMOS六反相器，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間，起著放大的作用。對于HC類型，其工作電壓為26V，具有高抗擾度，同時還能兼容LSTTL直接輸入和CMOS邏輯輸入。圖3.3 超聲波發(fā)射電路3.3 超聲波接收模塊接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值，再通過帶通濾波器濾除干擾信號來得到有用信號，最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實現(xiàn)準(zhǔn)確計時。超聲波接收電路如圖3.4所示。圖3.4 超聲波接收電路上圖3.4中1腳是接收信號輸入端，2腳是調(diào)節(jié)接收信號靈敏度，電阻越小，電容越大，靈敏度就越高。在干擾較大的場合增加電阻阻值來

14、調(diào)低靈敏度，干擾小的場合則減少電阻值來調(diào)高靈敏度。5腳是調(diào)節(jié)中心頻率，7腳接上拉電阻。3.4 顯示模塊單片機8對LED管的顯示分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點是各LED管能穩(wěn)定地同時顯示各自字形，動態(tài)顯示則是指各LED輪流地一遍一遍顯示各自字形。人們通常會由于視覺惰性，看到各LED在同時顯示不同字形。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本，單片機控制系統(tǒng)通常采用動態(tài)掃描顯示，但由于本系統(tǒng)所用的單片機引腳少，只需顯示三位字符，所以采用靜態(tài)的顯示方式，用軟件譯碼，從單片機引腳輸出后直接接到LED顯示管上，省去了外部復(fù)雜的譯碼電路。顯示電路9如圖3.5所示。圖3.5 顯示電路3.5 報警模塊本

15、系統(tǒng)選用單片機P3.6連接報警電路。通過軟件編程來控制蜂鳴器報警時間長短來表示所測距離是否超限。當(dāng)蜂鳴器發(fā)出長時間報警聲時，說明測得距離小于10cm；當(dāng)發(fā)出短時間蜂鳴聲時，說明測得距離大于50cm。報警電路10如圖3.6所示。圖3.6 報警電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)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與顯示子程序組成。4.1 主程序設(shè)計主程序首先對系統(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并對顯示端口P0和P2清0；然后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個超聲波脈沖。為避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時0.1ms后

16、才可以打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1us，所以當(dāng)主程序檢測到信號后，將計數(shù)器T0中的數(shù)按式（4.1）計算，即可得被測物體與測距器之間的距離。設(shè)計時取聲速v為340m/s，則有d=(v×t)/2 cm (4.1)其中，t為計數(shù)器T0的計數(shù)值。測出距離后，結(jié)果以十進制BCD碼方式送往LED顯示約為0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。主程序流程圖如圖4.1所示。系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待發(fā)射超聲波計算距離開始顯示結(jié)果0.5s圖4.1 超聲波測距主程序流程圖4.2 超聲波發(fā)射子程序通過P1.0端口發(fā)送40KHz方波，計數(shù)器T0打

17、開進行計時。如圖4.2所示。定時中斷入口定時初始化發(fā)射超聲波停止發(fā)射是否發(fā)射完返回YN圖4.2 超聲波發(fā)射子程序流程圖4.3 超聲波接收中斷程序通過P3.2端口檢測返回信號，收到后進入接收中斷程序。如圖4.3所示。外部中斷入口關(guān)外部中斷讀時間開中斷返回計算距離輸出距離圖4.3 超聲波接收子程序流程圖第5章 調(diào)試與性能分析5.1 調(diào)試超聲波測距器的制作和調(diào)試都較為簡單。首先硬件電路焊接完成后，通過Keil uVision3軟件對編寫的程序進行錯誤查找、修改，生成HEX文件，然后下載到單片機中運行，實現(xiàn)相應(yīng)功能。而且可以根據(jù)實際情況，修改超聲波子程序每次發(fā)送的脈沖個數(shù)和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不

18、同距離的測量需求。5.2 性能分析根據(jù)本文電路參數(shù)和程序，測距器可測量圍為1050cm。在試運行中，對平面物體做了多次調(diào)試，測距器的最大誤差不超過3cm，重復(fù)性很好。第六章 結(jié)束語在本次設(shè)計中，我們廣泛借鑒了各種設(shè)計的優(yōu)點，討論并研究各個設(shè)計環(huán)節(jié)，包括如何產(chǎn)生40KHz方波，如何在接收電路中對其進行濾波、放大、整形等問題。但由于條件和技術(shù)有限，對于在發(fā)射和接收過程中所產(chǎn)生的誤差沒有考慮并矯正，如溫度誤差、硬件電路誤差等。在為期兩周的設(shè)計中，我們運用之前所學(xué)的知識，如電工、單片機、C語言等。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會了各種放大電路的分析和設(shè)計，也掌握了單片機開發(fā)過程中所涉與的開發(fā)方法和工具。

19、同時對一塊電路板的設(shè)計、焊接、調(diào)試、改進等整個過程，有了更深入的理解，動手能力與自學(xué)能力也得到了鍛煉和提高?？梢哉f為今后的工作、學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。參考文獻1 帆，暢. 超聲波測距儀研究J.電子器件，20092 廣濤，程蔭杭. 基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計J.微計算機信息，20063胡瑞，周錫清. 基于超聲波傳感器的測距報警系統(tǒng)設(shè)計J.科技信息，20094志海，黃玉清.單片機原理與應(yīng)用M.電子工業(yè)，20055朱士虎，何培忠.基于AT89S52超聲波測距儀設(shè)計J.儀表技術(shù)，20096俊霞，德.單片機在超聲測距中的一種應(yīng)用J.電子科技，20057徐煜明.單片機原理與接口技術(shù)M.電子工業(yè)，20088何立民.單片機高級教程M.航空港天大學(xué)，20079杜剛.電路設(shè)計與制版protel99高級應(yīng)用M.新華大學(xué)，200610清源科技編著.Prtotel99SE電路原理圖與PCB仿真M.機械工業(yè)，2007附錄附錄1 元件清單與實物圖1、元件清單電解電容 2個KBP310 AC 1個瓷片電容 5個STC89C52RC 1個電阻 3個SFC D9 串口 1個二極管 1個ISP芯片擦槽 1個發(fā)光LED 紅色 1個USB接口 1個開關(guān) 2個排阻 2個Max