參考基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、上海師范大學(xué)天華學(xué)院現(xiàn)代通信技術(shù)專業(yè)課程設(shè)計(jì)題 目目錄第一章 緒論11.1 課題設(shè)計(jì)背景與目的11.2 課題設(shè)計(jì)任務(wù)及要求11.3 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容2第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32.1 測(cè)距原理32.2 設(shè)計(jì)思路及原理框圖32.3 設(shè)計(jì)方案3第3章 各模塊介紹53.1 單片機(jī)AT89S5253.2 引腳及其功能53.2 單片機(jī)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(jì)104.1 主程序設(shè)計(jì)104.2 超聲波發(fā)射子程序114.3 超聲波接收中斷程序11第5章 調(diào)試及性能分析125.1 調(diào)試125.2 性能分析12第六章 結(jié)束語12參考文獻(xiàn)13附錄

2、14附錄1 元件清單及實(shí)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(jì)背景與目的 超聲波測(cè)距【1】作為一種傳統(tǒng)且實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，與激光、無線電測(cè)距方法相比，不易受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量、機(jī)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(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)方便，計(jì)算處理簡(jiǎn)單，并在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)要求。通過本次設(shè)計(jì)掌握超聲波測(cè)距系統(tǒng)【2】硬件設(shè)計(jì)方法與軟件編寫方法，了解設(shè)計(jì)過程中所涉及的芯片結(jié)構(gòu)、控制原理、硬件及編程等方面知識(shí)，加

3、深對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)的理解，提高在應(yīng)用知識(shí)、設(shè)計(jì)、調(diào)試等方面的能力。1.2 課題設(shè)計(jì)任務(wù)及要求任務(wù)：1、設(shè)計(jì)最小化單片機(jī)系統(tǒng)并進(jìn)行焊接和調(diào)試2、設(shè)計(jì)并編程，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距報(bào)警【3】功能要求：1、數(shù)碼管能實(shí)時(shí)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(diǎn)后1位。2、系統(tǒng)具備測(cè)距啟動(dòng)/復(fù)位功能。3、當(dāng)測(cè)試距離小于10cm或大于50cm時(shí)報(bào)警，并用蜂鳴器時(shí)間長(zhǎng)短來區(qū)別。1.3 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。通過對(duì)超聲波測(cè)距可行性進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)及超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，制作出超聲波測(cè)距的硬件部分，并編寫相應(yīng)的軟件程序

4、，進(jìn)行調(diào)試與運(yùn)行。其中在硬件設(shè)計(jì)方面，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，采取最大限度提高驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大等方法，擴(kuò)大測(cè)量范圍。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用模塊化程序設(shè)計(jì)構(gòu)想，將軟件分為超聲波驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)處理2大模塊，而每個(gè)模塊又由若干小模塊組成，使其軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，利于調(diào)試與修改。第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距硬件主要包括STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射/接收模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊等。2.1 測(cè)距原理超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波，其測(cè)距方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限，聲波幅值檢測(cè)法則易受反射波影響。故本

5、文采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)，其原理是檢測(cè)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(shí)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(cè)距離。2.2 設(shè)計(jì)思路及原理框圖單片機(jī)【4】首先發(fā)出40KHz信號(hào)，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(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間T，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別，最后將相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送至LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。單片機(jī)LED顯示發(fā)射驅(qū)動(dòng)接收處理按 鍵發(fā)射管接收管圖2.1 超聲波測(cè)距原理框圖2.3 設(shè)計(jì)方案采用AT89S52【5】單片機(jī)作為主控制器，選用高精度的晶

6、振，以獲得穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減少測(cè)量誤差。用P1.0端口輸出40KHz方波信號(hào)，并利用外中斷0口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。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(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下：超聲波接收超聲波發(fā)送單片機(jī)控制器LED顯示報(bào)警圖2.2 超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)框圖發(fā)射超聲波脈沖計(jì)數(shù)器工作延時(shí)2ms停止計(jì)數(shù)，計(jì)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(bào)警YN圖2.3 超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)流程圖第3章 各模塊介紹3.1 單片機(jī)AT89S52AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器【6】，具

7、有8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，片內(nèi)置通用8位CPU及Flash存儲(chǔ)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 引腳及其功能如圖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。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問

8、外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口則作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用，在這種模式下，它具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口用來接收指令字節(jié)。在程序校驗(yàn)時(shí)，則需要外部上拉電阻來輸出指令字節(jié)。3、P1口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，作為輸入口使用。在輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號(hào)第二功能：P1.0 T2：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入，時(shí)鐘輸出P1.1 T2EX：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制P1.5

9、MOSI、P1.6 MISO、P1.7 SCK：系統(tǒng)編程用4、P2口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，作為輸入口使用。在輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，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(chǔ)器時(shí)，P2口輸出鎖存器內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。5、P3口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口

10、拉高，作為輸入口使用。在輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口接收一些控制信號(hào)。引腳號(hào)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(shí)器0外部輸入 P3.5 T0：定時(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6、RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR的DISRT0位可以是此功能無效。DISRT

11、0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(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)器或時(shí)鐘使用。在flash編程時(shí)，PROG用作編程輸入脈沖。8、PSEN：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，則不被激活。9、EA/VPP：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，EA應(yīng)接GND。為執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)接VCC。在flash編程時(shí)，EA應(yīng)接12V的VPP電

12、壓。10、XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)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(jī)最小系統(tǒng)本文單片機(jī)型號(hào)為AT89S52，采用頻率為12MHz的晶振與兩個(gè)電容組成的晶振電路，為單片機(jī)提供工作時(shí)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(shí)現(xiàn)。最小系統(tǒng)【7】電路圖如圖3.2所示。圖3.2 單片機(jī)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(hào)，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，如圖3.3所示。其中，74LS04是一個(gè)高速CMO

13、S六反相器，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，起著放大的作用。對(duì)于HC類型，其工作電壓為26V，具有高抗擾度，同時(shí)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(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值，再通過帶通濾波器濾除干擾信號(hào)來得到有用信號(hào)，最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。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(hào)輸入端，2腳是調(diào)節(jié)接收信號(hào)靈敏度，電阻越小，電容越大，靈敏度就越高。在干擾較大的場(chǎng)合增加電阻阻值來調(diào)低靈敏度，干擾小的場(chǎng)合則減少電阻值來調(diào)高靈敏度。5

14、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(jī)【8】對(duì)LED管的顯示分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是各LED管能穩(wěn)定地同時(shí)顯示各自字形，動(dòng)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(huì)由于視覺惰性，看到各LED在同時(shí)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(jī)控制系統(tǒng)通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，但由于本系統(tǒng)所用的單片機(jī)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(jī)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(bào)警模塊本系統(tǒng)選用單片機(jī)P3.6連接報(bào)警電路。通過軟件

15、編程來控制蜂鳴器報(bào)警時(shí)間長(zhǎng)短來表示所測(cè)距離是否超限。當(dāng)蜂鳴器發(fā)出長(zhǎng)時(shí)間報(bào)警聲時(shí)，說明測(cè)得距離小于10cm；當(dāng)發(fā)出短時(shí)間蜂鳴聲時(shí)，說明測(cè)得距離大于50cm。報(bào)警電路【10】如圖3.6所示。圖3.6 報(bào)警電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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組成。4.1 主程序設(shè)計(jì)主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對(duì)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(gè)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(shí)0.1ms后才可以打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)

16、。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1us，所以當(dāng)主程序檢測(cè)到信號(hào)后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)按式（4.1）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離。設(shè)計(jì)時(shí)取聲速v為340m/s，則有d=(v×t)/2 cm (4.1)其中，t為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。測(cè)出距離后，結(jié)果以十進(jìn)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(cè)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(jì)算距離開始顯示結(jié)果0.5s圖4.1 超聲波測(cè)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(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。如圖4.2所示。定時(shí)中斷入

17、口定時(shí)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(cè)返回信號(hào)，收到后進(jìn)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(shí)間開中斷返回計(jì)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)試及性能分析5.1 調(diào)試超聲波測(cè)距器的制作和調(diào)試都較為簡(jiǎn)單。首先硬件電路焊接完成后，通過Keil uVision3軟件對(duì)編寫的程序進(jìn)行錯(cuò)誤查找、修改，生成HEX文件，然后下載到單片機(jī)中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。而且可以根據(jù)實(shí)際情況，修改超聲波子程序每次發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需求。5.2 性能分析根據(jù)

18、本文電路參數(shù)和程序，測(cè)距器可測(cè)量范圍為1050cm。在試運(yùn)行中，對(duì)平面物體做了多次調(diào)試，測(cè)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(jì)中，我們廣泛借鑒了各種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，討論并研究各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，包括如何產(chǎn)生40KHz方波，如何在接收電路中對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、整形等問題。但由于條件和技術(shù)有限，對(duì)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(jì)中，我們運(yùn)用之前所學(xué)的知識(shí)，如電工、單片機(jī)、C語言等。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析和設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)開發(fā)過程中所涉及的開發(fā)方法和工具。同時(shí)對(duì)一塊電路板的設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試、

19、改進(jìn)等整個(gè)過程，有了更深入的理解，動(dòng)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 楊帆，劉暢. 超聲波測(cè)距儀研究J.電子器件，20092 趙廣濤，程蔭杭. 基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.微計(jì)算機(jī)信息，20063胡瑞，周錫清. 基于超聲波傳感器的測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.科技信息，20094姜志海，黃玉清.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社，20055朱士虎，何培忠.基于AT89S52超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)J.儀表技術(shù)，20096沈俊霞，楊德.單片機(jī)在超聲測(cè)距中的一種應(yīng)用J.電子科技，20057徐煜明.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.電子工業(yè)出版社，20088何立民.單片機(jī)高級(jí)教程M.北京航空港天大學(xué)出版社，20079杜剛.電路設(shè)計(jì)與制版protel99高級(jí)應(yīng)用M.新華大學(xué)出版社，200610清源科技編著.Prtotel99SE電路原理圖與PCB仿真M.機(jī)械工業(yè)出版社，2007 附錄附錄1 元件清單及實(shí)物圖1、元件清單電解電容 2個(gè)KBP310 AC 1個(gè)瓷片電容 5個(gè)STC89C52RC 1個(gè)電阻 3個(gè)SFC D9 串口 1個(gè)二極管 1個(gè)ISP芯片擦槽 1個(gè)發(fā)光LED 紅色 1個(gè)USB接口 1個(gè)開關(guān) 2個(gè)排阻 2個(gè)Max232CPE 1個(gè)電路板