基于51單片機(jī)的超聲波監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)

1、編號(hào)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)大一年度項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 龔云 學(xué)號(hào)： 1120510119 聯(lián)系電話：電子郵箱：793547261 院系及專業(yè)： 電子與信息工程學(xué)院通信工程專業(yè) 指導(dǎo)教師： 吳少川 職稱： 副教授 聯(lián)系電話：電子郵箱：scwu 院系及專業(yè)： 電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)部制表填表日期：2013 年 6月 1日一、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員（包括項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、按順序）姓名性別所在院學(xué)號(hào)身份證號(hào)本人簽字龔云男電子與信息工程學(xué)院112051011942130219931016123x徐瑩女電子與信息工程學(xué)院1120510113320103

2、199401241527盧湘文男電子與信息工程學(xué)院1120510123450321199307050532二、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 簽 名： 年 月 日三、項(xiàng)目專家組意見(jiàn) 組長(zhǎng)簽名： （ 學(xué)部蓋章 ） 年 月 日四、項(xiàng)目成果序號(hào)名稱說(shuō)明9五、項(xiàng)目研究結(jié)題報(bào)告超聲波智能監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)學(xué)院：電子與信息工程學(xué)院 作者：龔云指導(dǎo)教師：吳少川 副教授摘要：超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測(cè)距方案中，超聲波測(cè)距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測(cè)量、建筑施工工地以及其他一些廣泛的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。本項(xiàng)目詳細(xì)研究了超聲波傳感器的原理和特

3、性，以及atmel公司的at89s51單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波監(jiān)控電路的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)監(jiān)控電路的具體思路和所需考慮的問(wèn)題，給出了以at89s51單片機(jī)為核心的低成本、高精度超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。并且在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成了相關(guān)的監(jiān)控電路，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且有較高的精度。關(guān)鍵詞：超聲波 單片機(jī) 監(jiān)控 at89s51一、課題背景隨著我國(guó)改革開(kāi)放進(jìn)程的推進(jìn)和社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在快速發(fā)展，通信領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新的技術(shù)革命，超聲波的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如工業(yè)領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

4、，食品加工領(lǐng)域等領(lǐng)域的應(yīng)用。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制。通過(guò)超聲波來(lái)檢測(cè)物體靠近，再通過(guò)電路模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行處理，最后利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。超聲波智能監(jiān)控電

5、路是應(yīng)用超聲波的一種全新的技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)反射信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電路開(kāi)關(guān)的目的。超聲波智能監(jiān)控電路能在物體靠近的時(shí)候檢測(cè)到物體的移動(dòng)，收到超聲波后將之整形為可識(shí)別的信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)控制電路的開(kāi)關(guān)。該監(jiān)控設(shè)備能在有物體靠近距離小于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)，提醒注意安全距離。該設(shè)備應(yīng)用廣泛，可用于眾多場(chǎng)合的監(jiān)控報(bào)警。二、課題研究?jī)?nèi)容1.電路的總體設(shè)計(jì)方案基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為40khz的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經(jīng)反射物反射回來(lái)后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。其系統(tǒng)框圖如 2課題主要內(nèi)容

6、通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來(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v，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。本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，單片機(jī)檢測(cè)到這個(gè)負(fù)跳變信號(hào)后，停止內(nèi)部計(jì)時(shí)器記時(shí)，讀取時(shí)間，計(jì)算距離,測(cè)量結(jié)果輸出給led顯示，同時(shí)蜂鳴器報(bào)

7、警。利用本測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量范圍應(yīng)在40cm699cm。3.設(shè)計(jì)方案按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。單片機(jī)主控芯片使用51系列at89s51單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡(jiǎn)單，調(diào)試工作小較小。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路、報(bào)警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機(jī)采用at89s51，系統(tǒng)晶振采用12mhz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。

8、單片機(jī)用p2.7端口輸出超聲波換能器所需的40khz的方波信號(hào)，p3.5端口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陽(yáng)led數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的p2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的p3.4、p3.2、p3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用pnp三極管s9012三極管驅(qū)動(dòng)。（1）超聲波發(fā)射接收探頭我們使用的是tct40-16r/t(直徑16mm），這種探頭分為接受探頭，發(fā)射探頭，探頭的背面都有標(biāo)示r ，t,探頭上有黑點(diǎn)，那個(gè)黑點(diǎn)表示接正電壓（有電壓端）。（2）單片機(jī)at89s51at89s51是一個(gè)低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytesisp的可反復(fù)擦寫100

9、0次的flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲(chǔ)單元，at89s51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。（3）超聲波發(fā)射接收電路超聲波發(fā)射電路由電阻r1、三極管bg1、超聲波脈沖變壓器b及超聲波發(fā)送頭t40構(gòu)成，超聲波脈沖變壓器，在這里的作用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩產(chǎn)端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測(cè)量距離。接收電路由bg1、bg2組成的兩組三級(jí)管放大電路構(gòu)成；超聲波的檢波電路、比較整形電路由c7、d1、d2及bg3組成。40khz的方波

10、由at89s51單片機(jī)的p2.7輸出，經(jīng)bg1推動(dòng)超聲波脈沖變壓器，在脈沖變壓器次級(jí)形成60vpp的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。發(fā)送出的超聲波，遇到障礙物后，產(chǎn)生回波，反射回來(lái)的回波由超聲波接收頭接收到。由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，輸入單片機(jī)的p3腳。 該測(cè)距電路的40khz方波信號(hào)由單片機(jī)at89s51的p2.7發(fā)出。方波的周期為1/40ms，即25s，半周期為12.5s。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40khz方波。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為12m晶振，因而單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1s，

11、所以只能產(chǎn)生半周期為12s或13s的方波信號(hào)，頻率分別為41.67khz和38.46khz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約38.46khz的方波。（4）顯示電路本系統(tǒng)采用三位一體led數(shù)碼管顯示所測(cè)距離值。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機(jī)的p2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的p3.4、p3.2、p3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用pnp三極管s9012三極管驅(qū)動(dòng)。 （5）供電電路測(cè)距系統(tǒng)由于采用的是led數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時(shí)，系統(tǒng)工作電流約為30-45ma，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的可靠正常工作，系統(tǒng)的供電方式主要交流ac6-9伏，同時(shí)為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮usb口供電，調(diào)試時(shí)

12、直接由電腦usb口供電。6伏交流是經(jīng)過(guò)整流二極管d1-d4整流成脈動(dòng)直流后，經(jīng)慮波電容c1慮波后形成直流電，為保證單片機(jī)系統(tǒng)的可電，供電路中由5伏的三端稱壓集成電路進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出5伏的真流電供整個(gè)系統(tǒng)用電，為進(jìn)一步提高電源質(zhì)量，5伏的直流電再次經(jīng)過(guò)c3、c4濾波。 （6）報(bào)警電路的設(shè)計(jì)報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)p0.2口輸出，提供聲響報(bào)警信號(hào)，電路由電阻r7、三極管bg8、蜂鳴器by組成，當(dāng)測(cè)量值低于事先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴.”報(bào)警聲響信號(hào)，測(cè)量值高于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，停止發(fā)出報(bào)警聲響。 （7）主程序設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。

13、超聲波測(cè)距的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間，所以控制程序可采用c語(yǔ)言編程。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器1定時(shí)。置位總中斷允許位ea。進(jìn)行程序主程序后，進(jìn)行定時(shí)測(cè)距判斷，當(dāng)測(cè)距ec=1時(shí)，測(cè)量一次，程序設(shè)計(jì)中，超聲波測(cè)距頻度是4-5次/秒。測(cè)距間隔中，整個(gè)程序主要進(jìn)行循環(huán)顯示測(cè)量結(jié)果。當(dāng)調(diào)用超聲波測(cè)距子程序后，首先由單片機(jī)產(chǎn)生4個(gè)頻率為38.46khz超聲波脈沖，加載的超聲波發(fā)送頭上。超聲波頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器t0進(jìn)行計(jì)時(shí)，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時(shí)，單片機(jī)需要延時(shí)約1.5 -2ms時(shí)間（這也就是超

14、聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因，稱之為盲區(qū)值）后，才啟動(dòng)對(duì)單片機(jī)p3.5腳的電平判斷程序。當(dāng)檢測(cè)到p3.5腳的電平由高轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，立即停止t0計(jì)時(shí)。由于采用單片機(jī)采用的是12 mhz的晶振，計(jì)時(shí)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1s，當(dāng)超聲波測(cè)距子程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器t0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式（2）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離。設(shè)計(jì)時(shí)取15時(shí)的聲速為340 m/s則有：d=(ct)/2=172t0/10000cm其中，t0為計(jì)數(shù)器t0的計(jì)算值。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制bcd碼方式送往led顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。超聲波測(cè)距子程序 void

15、 wdzh()tr0=0;th1=0x00;tl1=0x00;csbint=1;sx=0;delay(1700);csbfs();csbout=1;tr1=1;i=yzsj;while(i-)i=0;while(csbint)i+;if(i=3300)csbint=0;tr1=0;s=th1;s=s*256+tl1;tr0=1;csbint=1;jsz=s*csbc;jsz=jsz/2; 三、研究結(jié)果在導(dǎo)師以及全體組員的通力合作下，我們基本完成了該電路的焊接，調(diào)試工作，電路工作良好，能實(shí)現(xiàn)我們最初設(shè)想的一些功能。四、創(chuàng)新點(diǎn)這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)，可

16、以用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如：測(cè)量液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合?？梢詮V泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)檢查、日常生活、無(wú)人駕駛汽車、自動(dòng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)引導(dǎo)小車、機(jī)器人、液位計(jì)。對(duì)于很多場(chǎng)合的安全來(lái)說(shuō)具有重要作用。五、結(jié)束語(yǔ)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，吳老師在百忙之中對(duì)我們?cè)谙到y(tǒng)開(kāi)發(fā)方面的辛苦指導(dǎo)和幫助，使我們的項(xiàng)目能夠順利的完成。老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格，讓我們深受啟發(fā)。通過(guò)這幾個(gè)月的學(xué)習(xí)，也讓我們從吳老師那里學(xué)到了很多東西，都將成為我踏入社會(huì)的寶貴財(cái)富。這不僅培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新精神和挑戰(zhàn)精神，不斷超越自己，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己的不足和錯(cuò)誤，這也是彌補(bǔ)和糾正的良好機(jī)會(huì)。我們也體會(huì)到，只有從中不斷的發(fā)現(xiàn)和努力，才能體會(huì)到知識(shí)的力量、生活的真諦，同時(shí)還能懂得合作精神的重要性，也為今后能夠獨(dú)立和熟練的應(yīng)用該方面的知識(shí)打下了良好的基礎(chǔ)。 同時(shí)也感謝我的同學(xué)，他們也給了我很大的幫助，在此說(shuō)聲謝