[畢業(yè)設計精品]一種以AT89C52 單片機為核心的超聲波傳感器測距儀的設計

1、目錄1 前言12總體方案設計22.1方案一：采用單片機來控制超聲波測距22.2 方案二：采用鎖相環(huán)頻率合成技術33單元模塊設計43.1 51系列單片機的功能特點43.2單片機控制led顯示53.3鍵盤輸入63.4超聲波發(fā)射電路73.5超聲波接收電路84軟件設計104.1主程序流程圖104.2外中斷程序114.3超聲波發(fā)射程序114.4鍵掃描子程序125系統(tǒng)調(diào)試136結論147總結與體會158參考文獻16附錄17設計電路圖17相關設計程序：181 前言目前,非接觸式測距儀常采用超聲波、激光和雷達。但激光和雷達測距儀造價偏高,不利于廣泛的普及應用,在某些應用領域有其局限性,一般僅用于軍事工業(yè)。相比

2、之下,超聲波測距系統(tǒng)電路易實現(xiàn)、結構簡單和造價低,且超聲波在傳播過程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影響對外界光線、色彩和電磁場不敏感,更適于黑暗、電磁干擾強、有毒、灰塵或煙霧的惡劣環(huán)境,在識別透明及漫反射性差的物體上也更有優(yōu)勢。所以超聲波測距在各種場合均得到廣泛應用,如倒車防撞 雷達、海洋測量、物體識別、工業(yè)自動控制,建筑工程測量和機器人視覺識別。本課題設計了一種以at89c52 單片機為核心的低成本、高精度、小型化的超聲波傳感器測距儀，其硬件電路和軟件程序設計思路清晰，方案簡單可行，而且利用51系列單片機設計的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀，該類測距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較

3、低、有良好的性價比。2總體方案設計2.1方案一：采用單片機來控制超聲波測距采用單片機來控制的超聲波測距儀是先由單片機產(chǎn)生一個信號，經(jīng)過信號線，把信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，再由超聲波發(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，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：原理框圖如2.1所示：開始測量超聲波信號開定時器關定時器數(shù)據(jù)運算顯示器接收檢測超聲波探頭超聲波探頭驅動電路 圖2.1 超聲波測距原理圖根據(jù)設計任務要求，采用

4、at89c52單片機，配置時鐘電路，復位電路構成單片機最小系統(tǒng)，由模擬電路和數(shù)字電路構成超聲波發(fā)射、接收模塊。由鍵盤，led顯示構成人機對話通道，構成由單片機最小系統(tǒng)來控制的超聲波測距儀，其結構框圖如下：單片機最小系統(tǒng)發(fā)射、接收（模擬電路）信號保持（數(shù)字電路）按鍵、led顯示圖2.2 系統(tǒng)機構框圖2.2 方案二：采用鎖相環(huán)頻率合成技術采用鎖相環(huán)頻率合成技術，也可以實現(xiàn)我們所需要的超聲波測距儀。具體方案如下：首先通過頻率合成技術產(chǎn)生超聲波所需要的頻率，在通過信號線將采用鎖頻率相合成技術得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實現(xiàn)超聲波測距。它的優(yōu)點就是工作頻率可調(diào)，也可以達到很高的頻率分辨率；

5、缺點是要求使用的濾波器通帶可變，實現(xiàn)很困難。它的原理如圖2.3所示： 圖2.3 鎖相環(huán)頻率合成電路框圖綜上所述，基于對超聲波頻率的控制和整個儀器的設計難度，我們選擇第一種設計方案。3單元模塊設計3.1 51系列單片機的功能特點 5l系列單片機中典型芯片(at89c52)采用40引腳雙列直插封裝(dip)形式，內(nèi)部由cpu，4kb的rom，256 b的ram，2個16b的定時計數(shù)器to和t1，4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

6、保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖3.1所示。圖3.1 51系列單片機最小系統(tǒng)5l系列單片機提供以下功能：4 kb存儲器；256 bram；32條工o線；2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成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。3.2單片機控制led顯示led數(shù)碼管顯示： 圖3.2 led

7、數(shù)碼管顯示在此模塊中,我們小組是利用stc89c52單片機的p2口對led數(shù)碼管進行控制，單片機所計算的距離再有l(wèi)ed數(shù)碼管顯示。下面對led數(shù)碼管作簡單的介紹：led數(shù)碼管是利用7個led（發(fā)光二極管）外加一個小數(shù)點的led組合而成的顯示設備，可以顯示09等10個數(shù)字和小數(shù)點，使用非常廣泛，它的外觀如下：圖3.3 七段數(shù)碼管這類數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極就是把所有l(wèi)ed的陽極連接到共同接點com，而每個led的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點）；共陰極則是把所有l(wèi)ed的陰極連接到共同接點com，而每個led的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點）

8、，本設計方案中采用的是共陽極數(shù)碼管。圖中的8個led分別與上面那個圖中的adp各段相對應，通過控制各個led的亮滅來顯示數(shù)字。3.3鍵盤輸入本系統(tǒng)通過獨立鍵盤來控制超聲波發(fā)射，當按鍵按下時，單片機相應端口產(chǎn)生一個高電平，送入聲波發(fā)送電路，產(chǎn)生超聲波，單片機開始計時。鍵盤如下圖所示.圖3.4 獨立鍵3.4超聲波發(fā)射電路 圖3.5 超聲波發(fā)射電路在該超聲波測距系統(tǒng)中，我們使用的是壓電式超聲波發(fā)生器tc f 40 12tr1，為使超聲波探頭t發(fā)出我們需要的超聲波，我們就得給超聲波探頭t一個頻率，使其等了超聲波探頭t的固有頻率，讓超聲波探頭t中的壓電晶片產(chǎn)生共振并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。在這個系統(tǒng)

9、中，我們采用的超聲波探頭的固有頻率是40khz，因此我們需要給超聲波探頭t送一個40khz的方波信號，由555定時器組成的多諧振蕩電路來產(chǎn)生。采用555定時器組成的多諧振蕩器來產(chǎn)生所需要的40khz的方波信號。tpl=0.7r2c (3-1)tph=0.7（r1+r2）c (3-2)由式子(3-1)和(3-2)得到f=1.43/（r1+r2）c最終，555產(chǎn)生的方波信號如圖3.6所示。 圖3.6 555產(chǎn)生的方波信號3.5超聲波接收電路 圖3.7 超聲波接收電路當超聲波接收探頭接收到超聲波后，超聲波接收芯片cx20106a的7腳（即本電路圖中的2腳）產(chǎn)生一低電平，觸發(fā)單片機的外中端口it0端，

10、通過計時計算超聲波所測得的距離。超聲波檢測電路采用集成芯片cx20106a,這是一款紅外線檢波接收的專用芯片,它由前置放大器,限幅放大器路,帶通濾波電路,峰值檢波器,波形整形電路等組成。它常用的載波頻率38khz與測距超聲波頻率40khz較為接近,可以利用它作為超聲波檢測電路。超聲波接受換能器收到超聲波時,通過共振板壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉化電信號,信號經(jīng)過cx20106a濾波,放大,整形送到單片機。4軟件設計本設計采用的是keil c51軟件編寫的程序。4.1主程序流程圖 我們采用判斷按鍵，用單片機產(chǎn)生一個高電平脈沖，激發(fā)555定時器產(chǎn)生40khz的方波，再由超聲波傳感器發(fā)送端t發(fā)射超

11、聲波，單片機開始計時，當超聲波傳感器接收端r接收到超聲波時，單片機產(chǎn)生中斷，計時停止，通過計算得出超聲波經(jīng)過的距離，把距離轉換成相應代碼，由led數(shù)碼管顯示。開始是否鍵按下發(fā)射超聲波等待回波產(chǎn)生中斷數(shù)據(jù)運算led顯示yesnonoyes4.2外中斷程序超聲波傳感器r端接收到回波后，信號由檢波電路傳給單片機，單片機產(chǎn)生中斷，定時器關閉，關中斷，然后讀取超聲波發(fā)送到接收的時間。關定時器關中斷讀取時間值返回4.3超聲波發(fā)射程序 先初始化單片機定時器，當開始發(fā)射超聲波時，定時器打開，到接收草超聲波時，定時器關閉定時器初始化發(fā)射超聲波開計時器返回停止發(fā)射4.4鍵掃描子程序5系統(tǒng)調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)

12、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tc f 40 12t 1（t發(fā)射）和tct40-12r1（r接收），中心頻率為40khz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm（由于我們采用的萬用板比較小，所以測試的時候用一張硬卡片放在tr之間，避免干擾），其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容c0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 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

13、，以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.23.0m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應對測量誤差和重復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聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件, 傳播介質的溫度、壓力及密度對聲速都產(chǎn)生直接影響。對于在大氣中傳播的聲波而言, 引起聲速變化的主要原因是溫度的變化。在本設計中，精確度要求不高，所以沒進行溫度補償, 而選擇室溫20左右時的聲速340m/s作為固定參數(shù)。影響測量誤差的因素主要包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時基脈沖頻率等。在實際應用中可以根據(jù)系統(tǒng)測量精度要求, 采用合理的補償手段。6結論超聲波測距主

14、要應用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設計超聲波測距儀，但是專用集成電路的成本很高，并且沒有顯示，操作使用很不方便。本設計采用的51系列單片機設計的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。而且通過超聲波換能器和led數(shù)碼管可以測量和顯示0.013.00m內(nèi)的物體距離,分辨率可達到0.01m。這種測距系統(tǒng)可用于物面和液面測量,汽車倒車報警裝置。由于硬件采用模塊化設計,可以嵌入到其他系統(tǒng)中。7總結與體會首先，要感謝邱曉初老師在本課程設計對我們的悉心指

15、導和嚴格要求，和實驗室為我們提供的元件和實驗平臺。此次設計把理論知識和工程實踐應用相結合在一起，這使得我們深刻了解了理論知識與應用實踐的相關聯(lián)系，加大了對理論知識的重要性的認識和應用實踐的重要性。也使我們明白了僅僅是書本上的理論知識是遠遠不夠的，還需要通過大量的查閱相關資料并通過實際的親自動手實踐才能得到真正的有用的知識，才可得體會的書本上的理論知識。同時，通過自己的親手動手實踐還能增加自己的學習興趣和學習激情。這次設計以小組的形式進行使得我們的團隊合作能力得到了一定的加強，通過小組組員之間的合作鍛煉了我們的交際能力和語言溝通能力。同過參與設計使得我們的思維得到開拓和發(fā)散，提高了我們的創(chuàng)新思維

16、讓我們的個人綜合素質和實際動手解決問題的能力得到了一定的提高。本課題的設計過程中我學到了很多知識，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學會了各種放大電路的分析、設計，也掌握了單片機的開發(fā)過程和利用單片機設計電路的方法。對一塊電路板的設計、焊板、調(diào)試、改進等整個過程，有了更深入的理解和掌握。這些對我今后的學習和工作都會有很大幫助的。.8參考文獻1. 童詩白，華成英。模擬電子技術基礎.北京：高等教育出版社，20032. 閻石.數(shù)字電子技術基礎。北京：高等教育出版社，19833. 高峰編.單片微型計算機原理與接口技術.北京：科學出版社，20034. 21ic中國電子網(wǎng) .

17、附錄設計電路圖相關設計程序：#include #define uchar unsigned char#define ulong unsigned long#define uint unsigned intsbit p36=p36;sbit p32=p32;/超聲波控制端口uint bwei,shwei,gwei;uchar temp;uchar code led_mod=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;sbit key=p11;sbit d1=p27;void delays () / 延時程序void main() uchar

18、 times=0; tmod=0x12; /定時器1工作在定時方式1，定時器0工作在定時方式2/ ie=0x84; /中斷設置/ th0=244; tl0=244; tr0=1; tr1=1; /開定時器/ if(key=0) while(1) while(tf0=0); p36=p36; times+; tf0=0; if(times=20)break; /翻轉20次，發(fā)送10個脈沖信號的超聲波/ tr0=0; times=0; void intersvro(void) interrupt 0 using 1 /into中斷服務程序 uchar dh,dl; ulong count; ulong num; p32=0; tr0=0 ;/停止計數(shù) dh=th0; dl=tl0