基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)

1、綜合性課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于proteus仿真軟件的超聲波測(cè)距報(bào)警控制器設(shè)計(jì)系:計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院業(yè):電子信息工程號(hào): 名:指導(dǎo)教師:設(shè)計(jì)時(shí)間:2012/6/27綜合課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)：電子信息工程班級(jí)：4091603姓名:設(shè)計(jì)題目：基于Proteus仿真軟件的超聲波測(cè)距報(bào)警控制器設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件keil C和Proteus仿真軟件二、設(shè)計(jì)任務(wù)1)2)3)4)總體功能設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)工作總結(jié)三、設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容1.2.3.4.5.設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)任務(wù)書） 前言（緒論）（設(shè)計(jì)的目的、意義等）主體設(shè)計(jì)部分（各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容、總結(jié)分析、結(jié)論等） 結(jié)束語 參考文獻(xiàn)（答辯時(shí)間18周星

2、期日晚7: 30,地點(diǎn)：綜合樓1313室）四、設(shè)計(jì)時(shí)間與設(shè)計(jì)時(shí)間安排1、設(shè)計(jì)時(shí)間：2、設(shè)計(jì)時(shí)間安排:熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)、收集資料: 設(shè)計(jì)計(jì)算、繪制技術(shù)圖紙: 編寫課程設(shè)計(jì)說明書:答辯:、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.緒論2.總體方案2.1總體設(shè)計(jì)方案2.2超聲波測(cè)距框圖.3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件設(shè)計(jì)方案3.2各主要模塊的硬件設(shè)計(jì)4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)104.1程序設(shè)計(jì)104.2程序流程圖10四、結(jié)束語13五、參考文獻(xiàn)13附錄A系統(tǒng)仿真圖14附錄B程序代碼15、設(shè)計(jì)題目基于P roteus仿真軟件的超聲波測(cè)距報(bào)警控制器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求利用所學(xué)數(shù)字電子技術(shù)、信號(hào)處理、控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)、制作并調(diào)試完成一個(gè)單片

3、機(jī)最小化系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，將最小系統(tǒng)與綜合實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)上的超聲波 模塊、顯示模塊進(jìn)行正確的連接（如圖 1.1所示），使單片機(jī)可接收超聲波模塊 輸出的測(cè)量信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行合理的處理后，在顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示超聲波模塊 與障礙物的距離。圖1.1系統(tǒng)連接示意圖具體要求:1、 實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)上的數(shù)碼管可實(shí)時(shí)顯示障礙物與超聲波的距離信息，單位為mm；2、當(dāng)測(cè)試距離大于0.5m時(shí)報(bào)警。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 緒論利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉 獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波 （20kHz以上的機(jī)械波），借助空氣媒質(zhì)傳播，由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間

4、間隔長 短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生，可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。 而且超聲波 的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)。并且超聲波具有定向 性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，超聲波傳感器 可廣泛應(yīng)用于非接觸式的位置距離檢測(cè)。2. 總體方案2.1總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本次設(shè)計(jì)AT89C52單片機(jī)作為控制器,用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器。由單片機(jī)AT89C52編程產(chǎn)生125kHz的方波，經(jīng)P3.0 口連接到開發(fā)平臺(tái)的超聲波模塊發(fā) 送超聲波，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超

5、聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出的超聲波 經(jīng)障礙物反射回來后，經(jīng)過 P3.2 口由超聲波接收頭接收到信號(hào)。通過接收電路 的檢波放大、積分整形及一系列處理，送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度 和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離， 并由單片機(jī)控制在 開發(fā)平臺(tái)的顯示模塊中顯示出來。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。 利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè) 計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng) 化的使用要求。2.2超聲波測(cè)距框圖單片機(jī)發(fā)出125kHZ的方波信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波 接收器將接收

6、到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大， 用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t;再通過軟件編程進(jìn)行判別、計(jì)算，得出所測(cè)距離數(shù)并經(jīng)由LED數(shù)碼管顯示，其原理框圖如圖 2.1。超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電 一定時(shí)器一單片機(jī)控令L 顯示器超聲波發(fā)射器翼放大電路町圖2.1超聲波測(cè)距儀原理框圖發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 U在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回,由接收器接收，其往返時(shí)間為t。由公式：測(cè)出的距離L m =常溫下的聲速340(m/s)感應(yīng)時(shí)間t(s)/2，算出被測(cè)物體的距離。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(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的, 本

7、次設(shè)計(jì)將聲速設(shè)定為344m/s。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件設(shè)計(jì)方案 3.1.1超聲波測(cè)距原理單片機(jī)在To時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變沿信號(hào)到單片機(jī)的外部中端口， 單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差,即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。其時(shí)序圖如圖3.1所示。發(fā)WiSSkllz脈沖接收到的倍號(hào)!|信號(hào)經(jīng)過！ 接收咆路后！圖3.1超聲波時(shí)序圖3.1.2硬件電路設(shè)計(jì)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)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路，報(bào)警模塊四部分。單片機(jī)采用 AT89C52,使用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)

8、鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P 3.0端口輸出超聲波換能器所需的125kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的 返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的 4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用P0 口控制, 位碼用P2 口控制。3.2各主要模塊的硬件設(shè)計(jì)321AT89C52芯片簡介T打PL” 0T2EK/F1* 1FL* £FL 3P1.4M0餉/P1一 5MIS0/P1.6比瑞PL. 7TJtTiJPi 61I1TT1?,E3. 3TOZE5. 4T1；P3. 5WF5. & TKTKL2XTiLl PDIptiro匚 匚C 匚 匚 匚 匚匚 C 匚 匚cC 匸 匚 r

9、匚: 匚o1£ 34557 6勺o(hù)1234 5 B73n711111nlll2432LO5GTI6543214 ? 3 3 3 AJ 33353522222222yFO, 0 /klOPO, 1/ADl FO.PO” 3Mn3 P0.4Mn4 PO. S/ADS FO.6/AD6PO. J/AD7 麗VPFALE/PIOGP2. 7/Al 5P2.6M14P2. 5M13F2.4/A1 2P2. 3/Al 1F2. 2/Al 0 FZ.F2. 0/AS圖3.2AT89C52芯片管腳圖AT89C52是51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能

10、CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM ），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和 Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)AT89C52大的AT89C52單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口， 2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程（S系列的才支持在線編程）。其將通用的微處理器和

11、Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。管腳說明:VCC :供電電壓。GND:接地。P0 口： P0 口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O 口，每引腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼 輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部

12、下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收, 輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2 口被寫“ 1時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于 內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “ 1時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng) 對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)

13、接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3 口： P3 口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出4個(gè)TTL 門電流。當(dāng)P3 口寫入“ 1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示:P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3 口同時(shí)為閃

14、爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高 電平時(shí)間。3.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)本文單片機(jī)型號(hào)為AT89C52,采用頻率為12MHz晶振和兩個(gè)電容組成的晶 振電路，為單片機(jī)提供工作時(shí)序。復(fù)位電路是按鍵電平復(fù)位，是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)。最小系統(tǒng)電路圖如圖 3.2所示。Cl-.RM -耐.->-=77 &dr=- I-t-1XTALI - C3RST口 JVADQ .IfAOl jBrAfrZ 口 MRDH 口 .WAO 豐 ifADS口 jrxffiPBEHALEZNA_in 工fiAHztasgasg

15、PPPPPjm .irrzE>； -J.Jl.liTCP32rlrfpPJATlpa.TfpTXIHEfS .SFF.ILB 鶴戶被圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2.3超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3.4所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超路經(jīng)一級(jí)聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P3.0端口輸出的125kHz的方波信號(hào) 反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能可以提器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端, 高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R10、R11 一方面可以提高反向器74LS04輸出高

16、電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。圖3.4超聲波發(fā)射電路原理圖3.2.4超聲波檢測(cè)接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波（無信號(hào)時(shí)輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。VCCRi2RES2R13RES28 72346U5C4Ri4CX20106A0.056 (iF10 Q+ C51 iF3.3 gFC7330pFGND圖3.5超聲波檢測(cè)接收電路3.2.5顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用P0 口控制，位碼用P2 口控制。接P

17、2.0, P2.1, P2.2, P2.3引腳的分別為千位，百位，十位，個(gè)位顯示數(shù)碼管。II 3 +5dPD 0沁 n PD.1 陌PD.工匸2RU心 卩詢心PD.TfJCT20,22I I21F?山殆P31j9 勺知 uP2 VA -1刃.4齒25二心A圖3.6顯示電路3.2.6報(bào)警模塊本系統(tǒng)選用單片機(jī)P1.1連接報(bào)警電路。通過軟件編程來控制蜂鳴器報(bào)警時(shí) 間長短來表示所測(cè)距離是否超限。當(dāng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲時(shí)，說明測(cè)得距離大于50cm。報(bào)警電路如圖3.7所示daUZZEE hTE 燈二I * * 彳k .BIJZI wTEX宀-PEENALE EAR110k - -TEXT> .NPN訂E

18、GPI .on?PI .m2EXP1.2P1.3Pl .4P1.5P1.6P1.7ATESCSa p I I圖3.7報(bào)警電路4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、超聲波發(fā)射子程序、LED顯示子程序設(shè)計(jì)等。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置計(jì)數(shù)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA并給顯示端口 P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖， 打開外中斷0接收返回的 超聲波信號(hào)。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5ms，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語言

19、編寫。4.2程序流程圖 4.2.1主程序流程圖422超聲波發(fā)射模塊流程圖423顯示模塊流程圖四、結(jié)束語在本次設(shè)計(jì)中，我們廣泛借鑒了各種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，討論并研究各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),包括如何產(chǎn)生125KHZ方波，如何在接收電路中對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、整形等問題。但由于條件和技術(shù)有限，對(duì)于在發(fā)射和接收過程中所產(chǎn)生的誤差沒有考慮并 矯正，如溫度誤差、硬件電路誤差等。在為期兩周的設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用之前所學(xué)的知識(shí)，如單片機(jī)、C語言等。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和設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī) 開發(fā)過程中所涉及的開發(fā)方法和工具。動(dòng)手能力與自學(xué)能力得到了鍛煉和提高?？梢哉f為今后的工作、學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

20、本次的設(shè)計(jì)也讓我們認(rèn)識(shí)到仿真軟件不是萬能的，有些東西是沒法進(jìn)行仿真的，比如本設(shè)計(jì)中需要有一個(gè)擋板就是仿真不出來的，在實(shí)物設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)。 所以，我們不能過于依賴仿真，要把仿真與實(shí)踐相結(jié)合才能有更好地研究成果。五、參考文獻(xiàn)12沙占友.集成化智能傳感器原理與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，2004.吳研.超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) J.北京：北京理工大學(xué)，2005.3肖景和，趙健.紅外線熱釋電與超聲波遙控電路M.北京：人民郵電出版社，2003.4史諺賓.基于AT89C2051的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)J.北京：航空航天出版社,2006路錦正，王建勤.超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)M.成都：成都理工大學(xué)，1999.基于單片機(jī)

21、智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M.北京：人民郵電出版社，2005.7賴壽宏.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.89王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.邱關(guān)源.電路M.北京：高等教育出版社，1999.10尤一鳴.單片機(jī)總線擴(kuò)展技術(shù)第一版M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993.附錄A系統(tǒng)仿真圖£3TrJnIT Tr q Tr JI "TT Ml JI畐Z團(tuán)c旨H皂rg3厲d<WKd彗膏re *ss- lrlvs-愛 L叫Fs CLS發(fā) ss s?g莖 as-£ gFe ecws.g 曇嘗 §£ 

22、7;3adi?.A- - IMS目§ -GH嚴(yán)：鬲>1匚上缶呂=- - Innn _-匸Go附錄B程序代碼#in cludevreg52.h> #defi ne uint un sig ned int #defi ne uchar un sig ned char sbit Tso nic=P 3八0;sbit Rson ic=卩3八2;sbit buz=PIM;uint dista nce=0;float n=0.172;/超聲波速度為344m/suchar a,e,c,d;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf;void closeOP0=0xff;P2=0xff;buz=0;void delay4us() ; void delayms( uint k) uint m,n;for(n=k; n>0;n-) for(m=110;m>0;m-);void sonic()uchar i;f