超聲波測距課程設計匯本

1、 1 / 21目錄前言前言1 課題設計目的及意義-11.1 設計的目的-11.2 設計的意義-11.3 課題設計的任務和要求-1正文正文1 課程的方案設計-21.1 系統(tǒng)整體方案-21.2 系統(tǒng)整體方案的論證-22 2 系統(tǒng)的硬件結構設計-22.1 51 系列單片機的功能特點及測距原理-32.1.1 51 系列單片機的功能特點-32.1.2 單片機實現測距原理 -32.2 超聲波電路結構-42.3 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計-42.4 PCB 版圖設計-53 系統(tǒng)軟件的設計-63.1 超聲波測距儀的算法設計-73.2 主程序流程圖-73.3 單片機部分 C 語言程序-83.4 超聲波測距部分

2、 C 語言程序-114 實物制作-174.1 電路板焊接及連線圖-174.2 實物調試效果圖-184.3 焊接電路板時所遇問題-195 總 結-206 致謝-20附錄-20 1 / 21前言1 課題設計目的及意義1.1 設計的目的隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產業(yè)領域。展望未來，超聲波測距儀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)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被

3、動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。1.2 設計的意義查找與超聲波測距有關的資料，通過對資料的理解開發(fā)設計一種簡單的單片機超聲波測距裝置。設計完成后，制作 PCB 版圖，最后完成

4、實物的連線。通過設計鞏固對單片機知識的運用，并加強自我動手的能力。1.3 課題設計的任務和要求了解和掌握超聲波傳感器的原理、結構、特性和使用方法，超聲波探測系統(tǒng)相關產品及及其國內外研究進展情況，利用單片機、Proteus 和 Keil C51 工具設計出一種相應的探測識別系統(tǒng)，制作實物并進行測試。1、了解和掌握該系統(tǒng)相關傳感器（3-5 種）的技術資料，包括其技術指標、原理圖、封裝形式、價格等；2、查找系統(tǒng)相關產品（3-5 種）的技術資料，包括其技術指標、原理圖、封裝形式、價格等； 2 / 213、查找與本系統(tǒng)相關論文（最近幾年） （3-5 篇） ；4、選擇一種傳感器，利用單片機、Proteus

5、 和 Keil C51 工具設計出一種相應的探測識別系統(tǒng)，制作實物并進行測試；5、完成論文。1 課程的方案設計1.1 系統(tǒng)整體方案由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到農業(yè)生產等自動化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根

6、據設計要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89C51 單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現LED 數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。 1.2 系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當的衰減，衰減的程度與頻率的高低成正比；而

7、頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。2 2 系統(tǒng)的硬件結構設計硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢 3 / 21測接收電路三部分。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 11MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 P3.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 3 位共陰 LED 數碼管，段碼用 74LS244 驅動，位碼用PNP 三極管 8550 驅動。2.1 51 系列單片機的功能

8、特點及測距原理2.1.1 51 系列單片機的功能特點5l 系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 個 16b 的定時計數器 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、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 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

9、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、定時計數器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存 RAM 的內容，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)。2.1.2 單片機實現測距原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 tr，然后求出距離 SCt2，式中的 C 為超聲波波速。 4 / 21限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4

10、 個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關。2.2 超聲波電路結構超聲波接收電路2.3 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用 AT89C51，經濟易用，且片內有 4K 的 ROM，便于編程。單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，經放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超

11、聲波信號經放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數并送 LED 顯示。超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時器單片機控制顯示器 5 / 21單片機硬件原理圖單片機硬件原理圖2.4 PCB 版圖設計：PCBPCB 版圖（版圖（a a） 6 / 21PCBPCB 版圖（版圖（b b）3 系統(tǒng)軟件的設計超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程

12、序既有較復雜的計算（計算距離時） ，又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時） ，所以控制程序可采用 C 語言編程。 3.1 超聲波測距儀的算法設計 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為： d=s/2=(ct)/2（1） 其中，d 為被測物與測距儀的距離，s 為聲波的來回的路程，c 為聲速，t 為聲波來回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器的計數功能

13、記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產生一個中斷請求信號，單片 7 / 21機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。3.2 主程序流程圖 3.3 單片機部分 C 語言程序:#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit trig=P37;sbit echo=P32;uint t=0,s=0;bit flag=0;uchar timeh=0,timel=0,i=0;uchar buff

14、er4=0,0,0,0;uchar code table10 = 0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; /數碼管 09void delay_us()/20us 延遲 8 / 21uchar x;for(x=0;x0;j-)for(y=110;y0;y-);void main()trig=0;/echo=0;TMOD=0 x11;/定時器 0、1 為 16 位計數模式TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;TR0=1;/啟動定時器 0IT0=1;/下降沿觸發(fā)ET0=1;

15、/打開定時器 0 中斷ET1=1;/打開定時器 1 中斷EX0=0;/關閉外部中斷 0EA=1;/開總中斷while(1)EA=0;/關總中斷trig=1;/超聲波輸入端 9 / 21delay_us(); /延遲 20ustrig=0;/產生一個 20us 的脈沖while(echo=0); /等待 echo 回波變成高電平flag=0;/清測量成功標志；EA=1;EX0=1;/打開外部中斷TH1=0;TL1=0;/定時器 1 清零TF1=0;TR1=1;/啟動定時器 1delay(20);/等待測量結果TR1=0;/關閉定時器 1EX0=0;/關閉外部中斷 0if(flag)t=timeh

16、*256+timel; /計算時間s=t/58;/計算距離（厘米）buffer0=s/100; /百位buffer1=s%100/10; /十位buffer2=s%10;/個位elses=0;/沒有，則清零；/*外部中斷 0，用做判斷回波電平*/ 10 / 21void exter() interrupt 0timeh=TH1;timel=TL1;flag=1;EX0=0;/*用定時器 0 做顯示*/void timer0() interrupt 1TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;switch(i)case 0:P1=tablebuffer0

17、;P2=0 xfe;i=1;break;case 1:P1=tablebuffer1;P2=0 xfd;i=2;break;case 2:P1=tablebuffer2;P2=0 xfb;i=0;break;default:break;/*定時器 1 中斷,用做超聲波測距計時*/void timer1() interrupt 3TH1=0;TL1=0;3.4 超聲波測距部分 C 語言程序:/晶振=8M 11 / 21/MCU=STC10F04XE/P0.0-P0.6 共陽數碼管引腳/Trig = P10/Echo = P32#include /包括一個 52 標準內核的頭文件#define u

18、char unsigned char /定義一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned long/*sfr CLK_DIV = 0 x97; /為 STC 單片機定義,系統(tǒng)時鐘分頻 /為 STC 單片機的 IO 口設置地址定義sfr P0M1 = 0X93;sfr P0M0 = 0X94;sfr P1M1 = 0X91;sfr P1M0 = 0X92;sfr P2M1 = 0X95;sfr P2M0 = 0X96;/*sbit Trig = P10; /產生脈沖引腳sbit Echo = P32; /回波引腳sbit test =

19、 P11; /測試用引腳uchar code SEG710=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;/數碼管 0-9uint distance4; /測距接收緩沖區(qū)uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i; /自定義寄存器bit succeed_flag; /測量成功標志/*函數聲明 12 / 21void conversion(uint temp_data);void delay_20us();/void pai_xu();void main(void) / 主

20、程序 uint distance_data,a,b; uchar CONT_1; CLK_DIV=0X03; /系統(tǒng)時鐘為 1/8 晶振（pdf-45 頁） P0M1 = 0; /將 io 口設置為推挽輸出 P1M1 = 0; P2M1 = 0; P0M0 = 0XFF; P1M0 = 0XFF; P2M0 = 0XFF; i=0; flag=0;test =0;Trig=0; /首先拉低脈沖輸入引腳TMOD=0 x11; /定時器 0，定時器 1，16 位工作方式TR0=1; /啟動定時器 0 IT0=0; /由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷ET0=1; /打開定時器 0 中斷 /ET1=1;

21、 /打開定時器 1 中斷EX0=0; /關閉外部中斷EA=1; /打開總中斷 0while(1) /程序循環(huán) 13 / 21 EA=0; Trig=1; delay_20us(); Trig=0; /產生一個 20us 的脈沖，在 Trig 引腳 while(Echo=0); /等待 Echo 回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標志/*/外部中斷 0，用做判斷回波電平INTO_() interrupt 0 / 外部中斷是 0 號 outcomeH =TH1; /取出定時器的值 outcomeL =TL1; /取出定時器的值 succeed_flag=1; /至成功測

22、量的標志 EX0=0; /關閉外部中斷 /*/定時器 0 中斷,用做顯示timer0() interrupt 1 / 定時器 0 中斷是 1 號 TH0=0 xfd; /寫入定時器 0 初始值 TL0=0 x77; switch(flag) case 0 x00:P0=ge; P2=0 xfd;flag+;break; case 0 x01:P0=shi;P2=0 xfe;flag+;break; case 0 x02:P0=bai;P2=0 xfb;flag=0;break; 14 / 21/*/*/定時器 1 中斷,用做超聲波測距計時timer1() interrupt 3 / 定時器 0

23、 中斷是 1 號 TH1=0;TL1=0; */*/顯示數據轉換程序void conversion(uint temp_data) uchar ge_data,shi_data,bai_data ; bai_data=temp_data/100 ; temp_data=temp_data%100; /取余運算 shi_data=temp_data/10 ; temp_data=temp_data%10; /取余運算 ge_data=temp_data; bai_data=SEG7bai_data; shi_data=SEG7shi_data; ge_data =SEG7ge_data; EA=

24、0; bai = bai_data; shi = shi_data; ge = ge_data ; 15 / 21 EA=1; /*void delay_20us() uchar bt ; for(bt=0;btdistance1) t=distance0;distance0=distance1;distance1=t; /*交換值 if(distance0distance2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; /*交換值 if(distance1distance2) t=distance1;distance1=distance2;distance2=t; /*交換值 4 實物制作4.1 電路板焊接及連線圖：電路板正面元件擺放圖： 16 / 21電路板背面連線圖：4.2 實物調試效果圖 17 / 214.3 焊接電路板時所遇問題：1、 對于焊槍的應用不是特別嫻熟。2、 連線時特別不舒服，可能是超聲波測距設計比較復雜的連線問題導致的。有的線焊起來空間特別小。在連線的長短方面沒有選擇好。3、 元件擺設方面存在很大問題，直接導致焊接時特別吃力。實物測試時問題：