基于STC51單片機超聲波測距系統(tǒng)-程序設(shè)計-proteus仿真設(shè)計

1、基于單片機限制的超聲波液位測量系統(tǒng)摘要：隨著社會的開展,超聲波的應(yīng)用越來越廣泛,如：倒車測距、機器人判向、氣 象水位的測量、大型油罐液位的測量等.而隨著智能儀器概念的提出,在電子和微控 制芯片開展的根底上,超聲波測液位也發(fā)生了日新月異的變化.本文是在熟悉了單片機、超聲波、12864液晶屏和DS18B20等性能后,以AT89S52 單片機為核心,利用T/R40-16超聲波對液位進行自動檢測；溫度傳感器 DS18B20對 環(huán)境溫度實時監(jiān)測；LCD12864液晶屏實時顯示測量數(shù)據(jù)；方便了操作人員對系統(tǒng)檢 測結(jié)果的監(jiān)控.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要包含：超聲波發(fā)射電路、接收電路、顯示報警電路、溫度 補償電路和

2、相應(yīng)的按鍵限制電路.超聲波發(fā)射電路由單片機發(fā)出的脈沖信號,經(jīng)過信 號整形后,傳到超聲波換能器中央頻率為40kHz 0將電能轉(zhuǎn)換為機械能,以滿足超 聲波傳感器的驅(qū)動要求.超聲波接收電路采用紅外接收電路常用的 CX20216芯片,簡 化了電路,并具有較強的抗干擾性.接收電路將回波信號轉(zhuǎn)換成單片機的中斷信號. AT89S52單片機是其核心局部,主要任務(wù)是,發(fā)出脈沖用用來驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器 發(fā)出超聲波,通過定時器T0對超聲波傳輸時間進行計時,利用 DS18B20進行溫度的 測量,根據(jù)測出的時間、溫度和有關(guān)參數(shù)計算出距離.系統(tǒng)軟件設(shè)計主要利用KeiluVision3進行編程,為了使整個程序的層次和結(jié)構(gòu)

3、比 較清楚,采用了單片機C語言模塊化的設(shè)計思想.這樣的方法有利于程序的調(diào)試和修 改.軟件模塊主要分為 LCD12864顯示模塊、按鍵設(shè)置模塊、溫度傳感器DS18B20的溫度補償模塊、報警與數(shù)據(jù)處理模塊等.對系統(tǒng)進行測試和記錄結(jié)果說明,該系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確測量液位.關(guān)鍵詞：超聲波 液位測量 自動限制 AT89S52單片機 DS18B20三超聲波測距理論分析超聲波測距主要是利用超聲波的方向性好,能夠定向傳播,遇到障礙物時能夠反射的特性.并且超聲波在同一介質(zhì)中傳播的速度是一樣的溫度不變的情況下o利用超聲波的反射、折射和衰減等特性,超聲波測量方法有很多,如：脈沖回波法、共振 法、對射法、頻差法以及聲衰減法

4、等,其中應(yīng)用最廣泛的是超聲波脈沖回波法.它的 根本工作原理是：發(fā)射頭由脈沖信號鼓勵發(fā)出超聲波,通過傳聲媒介傳到被測液面, 形成反射波,反射波再通過傳聲介質(zhì)返回到接收頭,傳感器把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號, 由單片機程序計算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間,再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播 的速度,就可以用公式1-1算出距離.圖2.3.1和圖2.3.2分別是測物距和測液位圖.圖2.3.1超聲波測物距圖由如圖2.3.2可知道,實際過程中超聲波直線發(fā)射出去,但并不是直線接收到的.發(fā)射與接收過程中存在一個角度.所以利用公式 1-1算出來的值與實際值是存在一定 的誤差的.如果想讓公式1-1更接近實際值,可以采用自發(fā)自收

5、式超聲波傳感器,但 是本文采用的是壓電陶瓷傳感器,而壓電陶瓷傳感器的余震較為嚴(yán)重,單發(fā)單收的探 頭檢測死區(qū)較大.為防止這一點,本系統(tǒng)采用雙探頭的設(shè)計,即利用兩個超聲波傳感 器：一個用來接收,一個用來發(fā)射.傳播介質(zhì)為氣體.圖2.3.2 超聲波測液位圖本文雖然利用發(fā)射與接收傳感器進行設(shè)計,但是從發(fā)射出超聲波到接收到超聲波 的時間計算也是一個問題.如果利用外部計時器計時,那么計時時間不夠準(zhǔn)確,為了 提升計時時間的準(zhǔn)確度,所以本系統(tǒng)利用單片機內(nèi)部定時器與外部中斷的綜合運用, 在開始發(fā)送超聲波的同時開啟定時器計時,先連續(xù)發(fā)送一串超聲波,然后等待接收到 超聲波的中斷信號,接收到就停止計時,再根據(jù)公式 1-

6、1進行計算.三、系統(tǒng)硬件設(shè)計一系統(tǒng)硬件設(shè)計思路按設(shè)計要求,根據(jù)超聲波測距原理,以單片機 AT89S52為核心的測液位系統(tǒng).系 統(tǒng)各局部電路功能設(shè)計如下：1 .按鍵設(shè)置超限報警值；2 .單片機發(fā)出40KHz方波驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波；3 .定時器T0進行計時發(fā)射一一接收的時間；4 .外部INT1作為接收到中斷信號輸入端；5 . DS18B20測出環(huán)境溫度進行溫度補償；6 . LCD12864液晶屏顯示數(shù)據(jù)；7 .蜂鳴器進行超限報警；8 .紅、黃和綠燈作為工作情況的指示燈.(二)AT89S52單片機最小系統(tǒng)圖3.2.1是單片機的最小系統(tǒng)圖,它分別由復(fù)位電路、時鐘電路和按鍵電路組成. 每局部電路

7、功能如下：1 .復(fù)位電路本系統(tǒng)復(fù)位電路利用手動復(fù)位和上電復(fù)位組合構(gòu)成,上電時加電瞬間,電容 C6 通過電阻R6充電,RST端得到正脈沖,用以復(fù)位.同時當(dāng)單片機進入運行狀態(tài),如 果出現(xiàn)錯誤,此時就可以通過按鍵進行復(fù)位.2 .時鐘電路本系統(tǒng)采用12M晶振加于單片機AT89S52的XTAL1(19腳)和XTAL2(18腳)并通 過30pF的電容接地為單片機提供工作時鐘.3 .按鍵電路本系統(tǒng)利用了 P1 口低4位作為按鍵接口,以低電平有效.通過這四個按鍵進行 對報警上限值設(shè)置.P1.0(s2濁能設(shè)置鍵,P1.1(s3激值力口鍵,P1.2(s4)&值減鍵,P1.3(s5) 確定鍵.三超聲波發(fā)射電

8、路單片機發(fā)出的脈沖信號,經(jīng)過信號整形后,傳到超聲波換能器中央頻率為40KHz,將電能轉(zhuǎn)換為機械能.圖 3.3.1為超聲波發(fā)射電路,由圖可知信號由單片機 的P3.6 口發(fā)出,為方波信號,先由74HC04六反向器進行波形的整形,再經(jīng)過兩個 1K的上拉電阻傳到超聲波換能器中央頻率為40KHz,經(jīng)上拉電阻之后就增強了驅(qū)動 水平,最后通過超聲波發(fā)射頭將電能轉(zhuǎn)換為機械能發(fā)射出去.圖3.3.1超聲波發(fā)射電路四超聲波接收電路圖3.4.1是超聲波接收電路,由于超聲波發(fā)射后,在傳播過程中存在衰減,且超聲 波頻率越高,衰減的越快,但頻率高有利于提升超聲波的指向性.超聲波在傳播過程 幅值衰減很大,收到的回波頻率可能十

9、分微弱,要準(zhǔn)確判斷接收到第一個回波的時間, 必須對收到的信號進行足夠的放大,否那么不能準(zhǔn)確的判斷回波時間,會對超聲波測量 精度產(chǎn)生影響.為了克服以上問題,本系統(tǒng)利用紅外轉(zhuǎn)換接收的電路集成芯片 CX20216.這是一款紅外線檢波接收的專用芯片,常用于電視機紅外遙控接收器.由 于這款芯片的載波頻率為38KHz與超聲波頻率40KHz較為接近,所以利用CX20216 作為超聲波接收的檢波電路.這樣設(shè)計即簡化了電路又使系統(tǒng)具有很高的靈敏度和較 強的抗干擾水平.接收端接收到超聲波時將在 CX20216芯片的7腳產(chǎn)生一個低電平, 而7腳又接到單片機的P3.3 口 INT1中斷口,這樣就可以準(zhǔn)確的判斷接收到超

10、聲波了.圖3.4.1超聲波接收電路(五)溫度檢測電路設(shè)計中溫度檢測采用DS18B20傳感器.DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推 出的第一片支持“一線總線接口的溫度傳感器,它具有微型化、低功耗、高性能、 抗干擾水平強、易配處理器等優(yōu)點,可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理.圖3.5.1是溫度傳感器DS18B20外觀和引腳圖,可以看出它的外形與三極管一樣.只有三根引腳,分別是1腳(GND)、2腳(數(shù)據(jù)線)和3腳(VCC).1a丁n恚.2T工未用3«Tn-db二口 Gt®葉什國ILJH U圖3.5.1 DS18B20外觀和引腳圖圖3.5.2是DS18B20與AT8

11、9S52單片機的接線圖,從圖中可以看出, DS18B20 和單片機的連接非常簡單,單片機只須一個I/O 口就可以限制DS18B20.信號線與單片機的P2.6 口連接在一起,DS18B20就是實時檢測環(huán)境溫度并且通過單片機的P2.6口把溫度值送到單片機中,再進行溫度對超聲波影響(公式(1-2)計算,到達溫度補償?shù)墓δ?這樣能使程序計算出的距離值與實際值更加的相近.圖3.5.2 DS18B20與單片機接線圖(六)顯示電路為了顯示液位的實際高度、顯示報警值和顯示環(huán)境溫度值,所以本系統(tǒng)采用LCD12864作為顯示器.圖3.6.1是LCD12864顯示電路,本系統(tǒng)是采用LCD12864的申行限制方式,L

12、CD的第1腳(GND)接電源地；第2腳(VCC)接電源正；第3腳(VO)是液晶顯示比照度調(diào)節(jié)端；第4腳(CS)串行限制方式片選接于單片機的 P2.0 口；第5腳(SID)串行限制方式 的數(shù)據(jù)口接于單片的P2.1 口；第6腳(SCLK)串行限制方式的同步時鐘信號與單片機 的P2.2 口相連；D0D7是數(shù)據(jù)口；第15腳(PSB)并/用選擇：H并行L串行；第17腳(RST)復(fù)位,低電平有效；第19(BLA)和第20腳(BLK)是背光電源正極與負(fù)極.圖3.6.1LCD12864顯示電路1. LCD12864外形尺寸外觀尺寸：93X70X 12.5mm 視域尺寸：73X39mm土已5圖3.6.2 LCD

13、外形尺寸圖In口-HF 由 由OI中 0QIh2. LCD12864指令說明卜表是12864液晶指令說明.表3.6.1 12864液晶指令表指令指令碼功能D7D6D5D4D3D2D1D0去除顯示00000001將DDRAM 填滿20H,即空格,并且設(shè)定DDRAM 的地址計數(shù)器(AC)為 00H地址歸位0000001X設(shè)定DDRAM的地址計數(shù)器(AC ) 為00H ,并且將游標(biāo)移到開頭原點顯示狀態(tài)開/關(guān)00001DCBD=1整體顯小開C=1 游B=1游標(biāo)位直反白允許進入點設(shè)定000001I/DS指定在數(shù)據(jù)的讀取和寫入時,設(shè)定游標(biāo)的移動力向及指定顯木的移位游標(biāo)或顯示 移位限制0000S/CR/LX

14、X設(shè)定游標(biāo)移動與顯示移位限制位,這個指令不改變 DDRAM的內(nèi)容功能設(shè)定001DLXREXXDL=0/1 : 4/8 位數(shù)據(jù)RE=1 :擴充指令操作RE=0:根本指令操作設(shè)定GRAM地址01AC5AC4AC3AC2AC1AC0設(shè)定CGRAM地址設(shè)定DRAM地址10AC5AC4AC3AC2AC1AC0設(shè)定DDRAM地址行：80H87H第二行：90H97H讀取忙標(biāo)志和地址BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0讀取忙標(biāo)志(BF)可以確認(rèn)內(nèi)部動 作是否完成,同時可以讀取地址計 數(shù)器(AC)的值3. LCD12864串行讀/寫操作時序圖3.6.3是本系統(tǒng)限制12864液晶屏顯示的用行讀/寫操作時

15、序圖,CS與單片機的 P2.0 口相連；SCLK與單片機的P2.2 口相連；SID與單片機的P2.1 口相連.時序圖表 明要進行用行讀/寫操作就必須使CS為高電平,當(dāng)CS為高電平同時SCLK要提供時 鐘,此時 SID先用命令限制字進行限制是 (11111000汨指令、(11111010汨數(shù)據(jù)、 (11111100讀狀態(tài)還是(11111110讀數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)谝蛔止?jié)命令限制發(fā)送完,接著第二字節(jié) 發(fā)送數(shù)據(jù)或指令高4位,低位置0,最后發(fā)送數(shù)據(jù)或指令低4位,低位置0oCS -I一1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24SCL

16、J LSID 11111 R/wd/i 0 D7 D6 D5 D4 0 0 0 0 D3 D2 D1 D0 0 0 0 0命令限制字:數(shù)據(jù)或指令高4位數(shù)據(jù)或指令低4位11111000- 寫指令低位置.低位置.第一字節(jié)11111100-讀狀態(tài) 第二字節(jié)第三字節(jié)圖3.6.3 12864液晶串行讀/寫操作時序圖(七)在線下載程序電路圖3.7.1是ISP在線下載程序電路,圖中的電路接法對照表3.7.1, MOSI與單片機 P1.5連接,MISO與單片機P1.6連接,SCK與單片機P1.7連接,RST與單片機的第9 腳(RST)連接,第2,第4腳分別連+5V與地.由于下載電路中的第2,第4腳已經(jīng)提 供了

17、+5V電源,為此電路板可以不用電源.圖3.7.1ISP在線下載程序電路I,表3.7.1 AT89S52單片機P1 口的第二功弓1腳號第二功能P1.0T2定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入,時鐘輸出P1.1T2EX定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向限制P1.5MOSI在系統(tǒng)編程用P1.6MISO在系統(tǒng)編程用P1.7SCK在系統(tǒng)編程用八聲光報警電路圖3.8.1是聲光報警電路圖,本系統(tǒng)采用電磁式蜂鳴器和LED作為超限報警提示. 通過單片機AT89S52的P2.7 口連接一個1K電阻再接至PNP型三極管的基極來驅(qū)動 蜂鳴器.當(dāng)P2.7 口輸出一定頻率的脈沖信號時,三極管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn) 換,這樣就會產(chǎn)生一定頻率的變化電平使蜂鳴器發(fā)出報警聲.LED接法是：電源+5V經(jīng)一個1K的限流電阻接上燈的正極,負(fù)極接在