[畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]一種以AT89C52 單片機(jī)為核心的超聲波傳感器測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

1、目錄1 前言12總體方案設(shè)計(jì)22.1方案一：采用單片機(jī)來(lái)控制超聲波測(cè)距22.2 方案二：采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)33單元模塊設(shè)計(jì)43.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)43.2單片機(jī)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(shè)計(jì)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(jié)論147總結(jié)與體會(huì)158參考文獻(xiàn)16附錄17設(shè)計(jì)電路圖17相關(guān)設(shè)計(jì)程序：181 前言目前,非接觸式測(cè)距儀常采用超聲波、激光和雷達(dá)。但激光和雷達(dá)測(cè)距儀造價(jià)偏高,不利于廣泛的普及應(yīng)用,在某些應(yīng)用領(lǐng)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(cè)距系統(tǒng)電路易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低,且超聲波在傳播過(guò)程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影響對(duì)外界光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感,更適于黑暗、電磁干擾強(qiáng)、有毒、灰塵或煙霧的惡劣環(huán)境,在識(shí)別透明及漫反射性差的物體上也更有優(yōu)勢(shì)。所以超聲波測(cè)距在各種場(chǎng)合均得到廣泛應(yīng)用,如倒車防撞 雷達(dá)、海洋測(cè)量、物體識(shí)別、工業(yè)自動(dòng)控制,建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺識(shí)別。本課題設(shè)計(jì)了一種以at89c52 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、小型化的超聲波傳感器測(cè)距儀，其硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)思路清晰，方案簡(jiǎn)單可行，而且利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的測(cè)距儀便于操作、讀數(shù)直觀，該類測(cè)距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測(cè)距的要求，且成本較

3、低、有良好的性價(jià)比。2總體方案設(shè)計(jì)2.1方案一：采用單片機(jī)來(lái)控制超聲波測(cè)距采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)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(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：原理框圖如2.1所示：開始測(cè)量超聲波信號(hào)開定時(shí)器關(guān)定時(shí)器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器接收檢測(cè)超聲波探頭超聲波探頭驅(qū)動(dòng)電路 圖2.1 超聲波測(cè)距原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，采用

4、at89c52單片機(jī)，配置時(shí)鐘電路，復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，由模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成超聲波發(fā)射、接收模塊。由鍵盤，led顯示構(gòu)成人機(jī)對(duì)話通道，構(gòu)成由單片機(jī)最小系統(tǒng)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀，其結(jié)構(gòu)框圖如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)發(fā)射、接收（模擬電路）信號(hào)保持（數(shù)字電路）按鍵、led顯示圖2.2 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖2.2 方案二：采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)我們所需要的超聲波測(cè)距儀。具體方案如下：首先通過(guò)頻率合成技術(shù)產(chǎn)生超聲波所需要的頻率，在通過(guò)信號(hào)線將采用鎖頻率相合成技術(shù)得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距。它的優(yōu)點(diǎn)就是工作頻率可調(diào)，也可以達(dá)到很高的頻率分辨率；

5、缺點(diǎn)是要求使用的濾波器通帶可變，實(shí)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(duì)超聲波頻率的控制和整個(gè)儀器的設(shè)計(jì)難度，我們選擇第一種設(shè)計(jì)方案。3單元模塊設(shè)計(jì)3.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn) 5l系列單片機(jī)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(gè)16b的定時(shí)計(jì)數(shù)器to和t1，4個(gè)8 b的工o端i：ip0，p1，p2，p3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(eprom)，使其在實(shí)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(jī)引腳與封裝如圖3.1所示。圖3.1 51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kb存儲(chǔ)器；256 bram；32條工o線；2個(gè)16b定時(shí)計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：cpu停止工作，而讓ram、定時(shí)計(jì)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(fù)位。5l系列單片機(jī)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(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。3.2單片機(jī)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(jī)的p2口對(duì)led數(shù)碼管進(jìn)行控制，單片機(jī)所計(jì)算的距離再有l(wèi)ed數(shù)碼管顯示。下面對(duì)led數(shù)碼管作簡(jiǎn)單的介紹：led數(shù)碼管是利用7個(gè)led（發(fā)光二極管）外加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的led組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示09等10個(gè)數(shù)字和小數(shù)點(diǎn)，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(yáng)極與共陰極兩種，共陽(yáng)極就是把所有l(wèi)ed的陽(yáng)極連接到共同接點(diǎn)com，而每個(gè)led的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)）；共陰極則是把所有l(wèi)ed的陰極連接到共同接點(diǎn)com，而每個(gè)led的陽(yáng)極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)）

8、，本設(shè)計(jì)方案中采用的是共陽(yáng)極數(shù)碼管。圖中的8個(gè)led分別與上面那個(gè)圖中的adp各段相對(duì)應(yīng)，通過(guò)控制各個(gè)led的亮滅來(lái)顯示數(shù)字。3.3鍵盤輸入本系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立鍵盤來(lái)控制超聲波發(fā)射，當(dāng)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)端口產(chǎn)生一個(gè)高電平，送入聲波發(fā)送電路，產(chǎn)生超聲波，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)。鍵盤如下圖所示.圖3.4 獨(dú)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(cè)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(gè)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(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。在這個(gè)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(gè)40khz的方波信號(hào)，由555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路來(lái)產(chǎn)生。采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生所需要的40khz的方波信號(hào)。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(hào)如圖3.6所示。 圖3.6 555產(chǎn)生的方波信號(hào)3.5超聲波接收電路 圖3.7 超聲波接收電路當(dāng)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(jī)的外中端口it0端，

10、通過(guò)計(jì)時(shí)計(jì)算超聲波所測(cè)得的距離。超聲波檢測(cè)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(cè)距超聲波頻率40khz較為接近,可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。超聲波接受換能器收到超聲波時(shí),通過(guò)共振板壓迫壓電晶片作振動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)cx20106a濾波,放大,整形送到單片機(jī)。4軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(jī)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，激發(fā)555定時(shí)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(jī)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波傳感器接收端r接收到超聲波時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，計(jì)時(shí)停止，通過(guò)計(jì)算得出超聲波經(jīng)過(guò)的距離，把距離轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(yùn)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(hào)由檢波電路傳給單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，定時(shí)器關(guān)閉，關(guān)中斷，然后讀取超聲波發(fā)送到接收的時(shí)間。關(guān)定時(shí)器關(guān)中斷讀取時(shí)間值返回4.3超聲波發(fā)射程序 先初始化單片機(jī)定時(shí)器，當(dāng)開始發(fā)射超聲波時(shí)，定時(shí)器打開，到接收草超聲波時(shí)，定時(shí)器關(guān)閉定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波開計(jì)時(shí)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(cè)距儀的制作和調(diào)

12、試都比較簡(jiǎn)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(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm（由于我們采用的萬(wàn)用板比較小，所以測(cè)試的時(shí)候用一張硬卡片放在tr之間，避免干擾），其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)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(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)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(cè)量的間隔時(shí)間

13、，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.23.0m，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件, 傳播介質(zhì)的溫度、壓力及密度對(duì)聲速都產(chǎn)生直接影響。對(duì)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(shè)計(jì)中，精確度要求不高，所以沒(méi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償, 而選擇室溫20左右時(shí)的聲速340m/s作為固定參數(shù)。影響測(cè)量誤差的因素主要包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量精度要求, 采用合理的補(bǔ)償手段。6結(jié)論超聲波測(cè)距主

14、要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。目前國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，但是專用集成電路的成本很高，并且沒(méi)有顯示，操作使用很不方便。本設(shè)計(jì)采用的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的測(cè)距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明，該類測(cè)距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測(cè)距的要求，且成本較低、有良好的性價(jià)比。而且通過(guò)超聲波換能器和led數(shù)碼管可以測(cè)量和顯示0.013.00m內(nèi)的物體距離,分辨率可達(dá)到0.01m。這種測(cè)距系統(tǒng)可用于物面和液面測(cè)量,汽車倒車報(bào)警裝置。由于硬件采用模塊化設(shè)計(jì),可以嵌入到其他系統(tǒng)中。7總結(jié)與體會(huì)首先，要感謝邱曉初老師在本課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的悉心指

15、導(dǎo)和嚴(yán)格要求，和實(shí)驗(yàn)室為我們提供的元件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此次設(shè)計(jì)把理論知識(shí)和工程實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合在一起，這使得我們深刻了解了理論知識(shí)與應(yīng)用實(shí)踐的相關(guān)聯(lián)系，加大了對(duì)理論知識(shí)的重要性的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐的重要性。也使我們明白了僅僅是書本上的理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要通過(guò)大量的查閱相關(guān)資料并通過(guò)實(shí)際的親自動(dòng)手實(shí)踐才能得到真正的有用的知識(shí)，才可得體會(huì)的書本上的理論知識(shí)。同時(shí)，通過(guò)自己的親手動(dòng)手實(shí)踐還能增加自己的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)激情。這次設(shè)計(jì)以小組的形式進(jìn)行使得我們的團(tuán)隊(duì)合作能力得到了一定的加強(qiáng)，通過(guò)小組組員之間的合作鍛煉了我們的交際能力和語(yǔ)言溝通能力。同過(guò)參與設(shè)計(jì)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(gè)人綜合素質(zhì)和實(shí)際動(dòng)手解決問(wèn)題的能力得到了一定的提高。本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。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、設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開發(fā)過(guò)程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法。對(duì)一塊電路板的設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個(gè)過(guò)程，有了更深入的理解和掌握。這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的。.8參考文獻(xiàn)1. 童詩(shī)白，華成英。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，20032. 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)。北京：高等教育出版社，19833. 高峰編.單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù).北京：科學(xué)出版社，20034. 21ic中國(guó)電子網(wǎng) .

17、附錄設(shè)計(jì)電路圖相關(guān)設(shè)計(jì)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(shí)程序void main() uchar

18、 times=0; tmod=0x12; /定時(shí)器1工作在定時(shí)方式1，定時(shí)器0工作在定時(shí)方式2/ ie=0x84; /中斷設(shè)置/ th0=244; tl0=244; tr0=1; tr1=1; /開定時(shí)器/ if(key=0) while(1) while(tf0=0); p36=p36; times+; tf0=0; if(times=20)break; /翻轉(zhuǎn)20次，發(fā)送10個(gè)脈沖信號(hào)的超聲波/ tr0=0; times=0; void intersvro(void) interrupt 0 using 1 /into中斷服務(wù)程序 uchar dh,dl; ulong count; ulong num; p32=0; tr0=0 ;/停止計(jì)數(shù) dh=th0; dl=tl0