單片機(jī)超聲波距離傳感器課程設(shè)計

單片機(jī)超聲波距離傳感器課程設(shè)計太原科技大學(xué)TAIYUANUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程設(shè)計—距離傳感器設(shè)計學(xué)號：XXXXXXX班級：SXXXXXXXXX姓名：XXX指導(dǎo)教師：XXXXX日期：.01.04課程設(shè)計任務(wù)書班級:XXXXXXX姓名：XXX設(shè)計周數(shù):1學(xué)分:1指導(dǎo)教師:XXX設(shè)計題目:距離傳感器設(shè)計目的及要求:目的：熟悉手工焊錫的常見工具的使用及其維護(hù)與修理?；菊莆帐止る娎予F的焊接技術(shù)，能夠獨立的完成簡單電子產(chǎn)品的安裝與焊接。熟悉電子產(chǎn)品的安裝工藝的生產(chǎn)流程。熟悉印制電路板設(shè)計的步驟和方法，熟悉手工制作印制電板的工藝流程，能夠根據(jù)電路原理圖，元器件實物設(shè)計并制作印制電路板。熟悉常見電子器件的類別、型號、規(guī)格、性能及其使用范圍，能查閱有關(guān)的電子器件圖書。能夠正確識別和選用常見的電子器件，而且能夠熟練使用普通萬用表和數(shù)字萬用表。掌握和運(yùn)用單片機(jī)的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件、接口技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)。各種外圍器件和傳感器的應(yīng)用；了解電子產(chǎn)品的焊接、調(diào)試與維修方法。要求：學(xué)生都掌握、單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件，接口技術(shù)等技能；根據(jù)題目進(jìn)行調(diào)研，確定實施方案，購買元件，并繪制原理圖，焊接電路板，調(diào)試程序；焊接和寫匯編程序及調(diào)試，提交課程設(shè)計系統(tǒng)（包括硬件和軟件）；.完成課程設(shè)計報告設(shè)計內(nèi)容和方法:（根據(jù)自己的具體情況編寫）用STC89C52單片機(jī)和超聲波模塊組成一個簡單的電路，利用超聲波發(fā)出的高頻波萊測距離，并在數(shù)碼管上顯示。方法：利用AltisiumDesignersummer09設(shè)計電路圖，再用電烙鐵將實物焊接到實驗電路板上，經(jīng)過電腦的串口寫入一段程序到單片機(jī)中，實現(xiàn)單片機(jī)的計算顯示作用設(shè)計說明書要求:應(yīng)先把超聲波模塊的線連接到單片機(jī)的串口上再供電。

目錄緒論 -4-第二章總體設(shè)計 -5-第三章硬件部分 -9-第四章軟件部分 -14-第五章總結(jié) -18-附錄 -20-

緒論超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波能夠用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，而且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機(jī)器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。本次課程設(shè)計是基于STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計的，包括LED指示燈、復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示電路、超聲波模塊幾個部分。經(jīng)過設(shè)計，能夠使數(shù)碼管顯示物體離超聲波模塊距離的功能。

第二章總體設(shè)計1.系統(tǒng)框圖：圖1系統(tǒng)框圖2.在單片機(jī)的選用上，一般需要考慮以下幾點：（1）單片機(jī)的基本參數(shù)例如速度，程序存儲器容量，I/O引腳數(shù)量（2）單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實時時鐘），EEPROM，擴(kuò)展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。

（3）Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。

（4）封裝IP（雙列直插），PLCC（PLCC有對應(yīng)插座）還是貼片。DIP封裝在做實驗時可能方便一點。

（5）工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)機(jī)。如果設(shè)計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級。

（6）功耗，盡量選用較低功耗的。

（7）工作電壓范圍。

（8）供貨渠道暢通。能申請樣片，小批量購買有現(xiàn)貨。

（9）價格低。

（10）有服務(wù)商。

（11）燒錄器價格低。

（12）仿真器便宜。

（13）保密性能好。

（14）抗干擾性能好。

（15）和其它外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。在本次課程設(shè)計中，對單片機(jī)的要求較低，綜合考慮后選用STC89C52單片機(jī)。表一是STC89C52單片機(jī)的主要功能：表一主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可重復(fù)擦寫FlashROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷時鐘頻率0-24MHz2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3.STC89C52單片機(jī)引腳及其功能：圖2圖2STC89C52單片機(jī)①主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源GND(Pin20)：接地線②外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端③控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。④可編程輸入/輸出引腳（32根）STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.72、超聲波測距原理：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就能夠計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常見的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就能夠計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理如圖如圖所示：圖3超聲波的測距原理

第三章硬件部分一、電源輸入電路：對于整個設(shè)計而言，首要問題就是解決系統(tǒng)的供電問題。要求電源模塊穩(wěn)定可靠。在本課程設(shè)計中，電源供電模塊的電源能夠經(jīng)過計算機(jī)的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。在電源電路中接入了電源指示LED以示是否正常工作。二、時鐘/晶振電路：每個單片機(jī)系統(tǒng)都有晶振，晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時鐘頻率。單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的。晶振提供的時鐘頻率越高，單片機(jī)的執(zhí)行速度越快。時鐘能夠由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。（a）內(nèi)部方式時鐘電路（a）內(nèi)部方式時鐘電路（b）外部方式時鐘電路圖4時鐘電路在本次課程設(shè)計中采用內(nèi)部方式時鐘電路，電路圖如圖5所示。三、復(fù)位電路[6]復(fù)位電路的作用：在上電或復(fù)位的過程中，控制CUP的復(fù)位狀態(tài)。這段時間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就開始工作。防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也能夠提高電磁兼容性能。同時，復(fù)位操作還對其它一些寄存器有影響。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機(jī)的兩個機(jī)器周期。具體數(shù)值能夠由RC電路計算出時間常數(shù)。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位相按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是經(jīng)過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的，其電路如圖6（a）所示。這佯，只要電源Vcc的上升時間不超過1ms，就能夠?qū)崿F(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是經(jīng)過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的，其電路如圖6（b）所示；而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的，其電路如圖6（c）所示。（a）上電復(fù)位（a）上電復(fù)位（b）按鍵電平復(fù)位（c）按鍵脈沖復(fù)位6復(fù)位電路在本次課程設(shè)計中，采用按鍵脈沖復(fù)位電路。電路圖如圖7所示：圖7復(fù)位電路四、數(shù)碼管顯示電路[3][5]共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負(fù)端）連接在一起。一般，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。數(shù)碼管有二位一體、四位一體等類型，當(dāng)多位一體時，她們內(nèi)部的公共端是獨立的，而負(fù)責(zé)顯示什么數(shù)字的段線全部連接在一起，獨立的公共端能夠控制多位一體數(shù)碼管中的哪一位亮，而連接在一起的段線能夠能夠控制這個能點亮什么數(shù)字，一般我們把公共端叫做“位選線”，連接在一起的段線叫“段選線”，有了這兩根線后，經(jīng)過單片機(jī)及外部驅(qū)動電路能夠控制任意的數(shù)碼管顯示任意的數(shù)字了。當(dāng)多位數(shù)碼管應(yīng)用與某一系統(tǒng)時，它們的“位選”是可獨立控制的，而“段選”是連接在一起的，我們能夠經(jīng)過位選信號控制那幾個數(shù)碼管亮。五、超聲波模塊電路：本系統(tǒng)采用超聲波模塊URF04進(jìn)行測距，該模塊使用直流5V供電，理想條件下測距可達(dá)500cm，廣泛應(yīng)用于超聲波測距領(lǐng)域，模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，盲區(qū)（2cm）超近。超聲波測距原理：單片機(jī)給超聲波傳感器模塊一個觸發(fā)電平，超聲波傳感器的發(fā)射管自動發(fā)送8個40KHZ的方波，當(dāng)超聲波檢測到障礙物時就會信號返回，接收管接收到信號返回之后，單片機(jī)處理從單片機(jī)發(fā)送信號到接收到返回信號這段時間里超聲波傳感器模塊輸出高電平。這段高電平持續(xù)時間即為超聲波從發(fā)射到返回的傳播時間。測量距離=（高電平持續(xù)時間*波速）/2。模塊構(gòu)成原理圖

第四章軟件部分主流程圖：主程序流程圖程序設(shè)計：軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制。外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出、數(shù)碼管顯示等工作。主程序首先是對超聲波模塊初始化，經(jīng)過延時函數(shù)產(chǎn)生10us的高電平，再將計數(shù)器初始化，判斷超聲波接收端是否收到回波，進(jìn)而執(zhí)行外部中斷程序。中斷程序首先關(guān)閉外部中斷，關(guān)閉計數(shù)器，然后讀出計數(shù)值，根據(jù)公式計算距離，然后將結(jié)果送往數(shù)碼管顯示。程序[1][4]：#include<reg52.h> #include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineulongunsignedlonguinttime=0;uinttimer=0;ucharposit=0;ulongS=0;uintqian;uintbai;uintge;sbitRX=P2^0; //接線：TRIG接P2.1ECH0接P2.0sbitTX=P2^1;sbitdula=P2^6 ;sbitwela=P2^7;bitflag=0;ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x08};voiddelay(uintx) //延時{ uchari,j; for(i=x;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--);}voiddisplay(qian,bai,ge) //掃描數(shù)碼管{ dula=1; P0=table[bai]; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfd; wela=0; delay(1); dula=1; P0=table[ge]; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfb; wela=0; delay(1); dula=1; P0=table[qian]; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfe; wela=0; delay(1);}voidConut(void) { time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; S=(time*1.7)/100;//算出來是CM if((S>=450)||flag==1)//超出測量范圍顯示“-” { flag=0; qian=10; //“-” bai=10; //“-” ge=10; //“-” } else { qian=S%1000/100; bai=S%1000%100/10; ge=S%1000%10%10; } }voidzd0()interrupt1 //T0中斷用來計數(shù)器溢出,超過測距范圍{flag=1; //中斷溢出}/********************************************************/voidzd3()interrupt3 //T1中斷用來掃描數(shù)碼管和計800MS啟動{ TH1=0xf8; TL1=0x30; display(qian,bai,ge); timer++; if(timer>=400) { timer=0; TX=1; //800MS啟動一次 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TX=0; }}/*********************************************************/voidmain(void){TMOD=0x11; //設(shè)T0為方式1，GATE=1； TH0=0; TL0=0; TH1=0xf8; //2MS定時 TL1=0x30; ET0=1;//允許T0中斷 ET1=1; //允許T1中斷 TR1=1; //開啟定時器 EA=1; //開啟總中斷 while(1) { while(!RX); //當(dāng)RX為零時等待 TR0=1; //開啟計數(shù) while(RX); //當(dāng)RX為1計數(shù)并等待 TR0=0; //關(guān)閉計數(shù)Conut(); //計算 }}

第五章總結(jié)一、問題在連接電路的過程