基于單片機的測距儀設(shè)計

1、基于單片機的超聲波測距儀設(shè)計答辯人：指導教師：目 錄Contents 選題的背景與意義 超聲波測距原理系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計 總結(jié) 超聲波測距的應用選題的背景The background of the topic背景：近年來，電子測量技術(shù)應用越來越廣泛，超聲波測距作為一種典型的非接觸測量方法，具有的高精度、損耗低、非接觸等優(yōu)點，使得超聲測距在很多場合得到了運用。意義：超聲波測距是利用聲波反射原理，避免傳感器直接與介質(zhì)接觸，是一種傳統(tǒng)而實用的非接觸測量方法。與紅外、激光及無線電測距相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能高、價格便宜等優(yōu)異特性。在近距離范圍內(nèi)超聲波測距具有不受光線、顏色以及電磁場的影響

2、和指向性強的優(yōu)點，更重要的是使用超聲波檢測能很大程度的降低勞動強度，可以避免工作人員在惡劣工作環(huán)境中可能受到的傷害，還能夠提高距離結(jié)果的準確度；因此超聲測距廣泛應用于倒車雷達、機器人自動避障、地形地貌探測及一些工業(yè)現(xiàn)場等方面。超聲波測距儀對電子測量技術(shù)發(fā)展是非常重要的。應用一 倒車雷達：解除了駕駛員泊車、倒車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。應用二超聲波物位計是運用超聲波在氣體、液體或固體中的衰減、穿透能力和聲阻抗不同的性質(zhì)來測量兩種介質(zhì)的界面。此類儀表精度高、反應快，但成本高、維護維修困難，都用于要求測量精度較高的場合。應用三

3、 超聲波測距儀:公英制轉(zhuǎn)換；計算面積和體積；五組數(shù)據(jù)存儲；長度累加測試。主要應用于：室內(nèi)裝潢設(shè)計，建筑施工，房地產(chǎn)公司房子丈量，工程監(jiān)理現(xiàn)場查驗，房地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)，評估，施工，公共設(shè)施規(guī)劃，園林。1.1基本參數(shù) 工作電壓：4.5V5.5V。 功耗電流：最小1mA，最大20mA ； 諧振頻率：40KHz； 探測距離范圍：4毫米4米。誤差：4% 距離數(shù)據(jù)格式：以毫米為最小數(shù)據(jù)單位，雙字節(jié) 16進制傳輸，前高后低；1.2原理經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長約6mm，頻率為40KHZ的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質(zhì)上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產(chǎn)生mV級的微弱電壓信號。Ultraso

4、nic distance measurement principle超聲波測距原理 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體是被反射返回，由接受器接受，其往返時間為t，有s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應該通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波波速與溫度的關(guān)系超聲波測距系統(tǒng)總體方案框圖硬件設(shè)計The hardware design AT89C51介紹 超聲波發(fā)射電路 單片機最小系統(tǒng) 顯示電路 溫度補償電路 超聲波接收電路 電源介

5、紹AT89C51介紹1.主要性能參數(shù)與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4K字節(jié)可以重復擦寫Flash閃速存儲器1000吃擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz24Hz三級加密程序存儲器128*8字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線6個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式2.功能特性概述4k字節(jié)Flash閃速存儲器128字節(jié)內(nèi)部RAM32個I/O口線兩個16位定時器/計時器一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)一個雙工串行口通信片內(nèi)振蕩器及時鐘電路各引腳功能a.主電源引腳VCCVCC電源輸入端，工作電源和編程校驗為+5V。b.時鐘振蕩電路引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1和XTAL2分別作為晶體振蕩電路的反相

6、器輸入端和輸出端。在使用外部振蕩電路時，這兩個端子用來外接石英晶體，振蕩頻率為晶體振蕩頻率，振蕩信號送至時鐘電路產(chǎn)生時鐘脈沖信號。這個部分給單片機提供工作節(jié)拍，也可稱作單片機的主頻。c.控制信號引腳RST ，ALE，PSEN和EA RST為復位信號輸入端。當RST端保持兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平時，單片機完成復位操作。 ALE為地址鎖存允許信號，在訪問外部存儲器時，ALE用來鎖存P0口送出的低8位地址信號。 PSEN為外部程序存儲器的讀選通信號。 EA為訪問外部程序存儲器控制信號。對8051和8751，他們的片內(nèi)有4KB的程序存儲器。d.4個8位I/O端口P0，P1，P2和P3

7、 P0口（P0.0P0.7）是一個8位漏極開路型的雙向I/O口，這時P0可看做用戶數(shù)據(jù)總線 P1口（P1.0P1.7）是一個帶有內(nèi)部上拉電阻R可以作為準雙向I/O口（在引腳讀入前，必須對該端口寫入1，具有這種操作的I/O口稱作準雙向I/O口） P2口（P2.0P2.7）該端口內(nèi)部有上拉電阻R又有切換開關(guān)MUX，所以P2端口在功能上兼有P1和P2口的功能。 P3口（P3.0P3.7）P3口是一個多功能端口，除了可以做I/O口外，還具有第二功能。單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)主要由AT89C51單片機、外部振蕩電路、復位電路和+5V電源組成。 在外部振蕩電路中，單片機的XTAL1和XTAL2管腳分

8、別接至由12MHZ晶振和兩個30PF電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時鐘脈沖。 在復位電路中，單片機RESET管腳一方面經(jīng)20 F的電容接至電源正極，實現(xiàn)上電自動復位，另一方面經(jīng)開關(guān)s接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H，是單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，除了進入系統(tǒng)的初始化之外，當由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動超聲波發(fā)射電路發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，如圖3-3所示，單片機P2.7端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器

9、的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R2、R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。超聲波接收電路 超聲波接收電路CX20106A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?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C16的大小，

10、可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力溫度補償電路 S18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，測溫范圍為-55125，最大分辨率可達0.0625。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用了一線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。測溫電路圖3-5所示。DS18B20溫度傳感器： 獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊顯示電路帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊

11、；其顯示分辨率為12864。內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點陣的漢字。12864液晶模塊可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。電源介紹 電源變壓器由于各種電子設(shè)備要求直流穩(wěn)壓電源提供不同幅值的直流電壓，而市電提供的交流電壓一般為220V，因此需要變壓器將市電的電壓轉(zhuǎn)換成所需要的交流電壓，再將轉(zhuǎn)換的電壓經(jīng)

12、過整流、濾波、穩(wěn)壓最后獲得所需要的直流電壓。 整流電壓利用具有單向?qū)щ娦缘钠骷?，將大小、方向變化的正弦交流電變成單向脈動的直流電壓。 濾波電路將整流后的單向脈動直流電壓中的紋波盡可能地濾除掉，使其變成平滑的直流電，濾波電路由電容、電感等儲能元件組成。當電容兩端的電壓升高時，電容充電；降低時，電容放電，從而起到濾波作用。 穩(wěn)壓電路在電網(wǎng)電壓和負載電路變化時，起到保持輸出直流電壓穩(wěn)壓的作用。軟件設(shè)計The software design 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波

13、脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷1接收返回的超聲波信號。主程序流程圖 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時把計數(shù)器T1打開進行計時，定時器T1工作在方式0。超聲波測距儀主程序利用外中斷1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T1停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T1溢出中斷將外

14、中斷1關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值0表示此次測距不成功。 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P2.7端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確。超聲波發(fā)射子程序計算子程序 超聲波測距儀主程序利用外中斷1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT1引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷1關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。當前溫度和

15、超聲波往返時間均測量出來后，用C語言根據(jù)公式計算距離來編程是比較簡單的算法。顯示子程序總結(jié) 由于時間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計沒有成功做出實物。但是對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。感謝各位老師批評指正答辯人：答辯日期：2016年6月15日論文總結(jié)Paper summaryLorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. Aenean commodo ligula eget dolor. Aenea

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