超聲波測(cè)距儀

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：超聲波測(cè)距儀專業(yè)班級(jí)：2009級(jí)電信1班組 員：董 勇2009221105200056 石家興2009221105200180 石 邁2009221104110031指導(dǎo)教師：田 茂 2011-12-18一、 功能要求超聲波就是頻率超過(guò)聲波頻率的機(jī)械波，一般頻率在20KHz40KHz的范圍內(nèi)。由于超聲波的速度較光速小，其傳播時(shí)間容易檢測(cè)，且其傳播方向性及強(qiáng)度均好，易于控制等，使得超聲波檢測(cè)技術(shù)在物體位置測(cè)量、物體識(shí)別、空間導(dǎo)航等方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。（1）能應(yīng)用于汽車倒車，建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控；（2）顯示模塊采用LED數(shù)碼管，能清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果

2、；（3）測(cè)量范圍在0.104.00 m，測(cè)量精度1 cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸。二、 方案論證我們知道，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)算處理也比較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到日常使用要求。超聲波發(fā)射器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電性、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。他們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同。目前在近距離測(cè)量方面較為常用的方式是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本里決定采用STC8

3、9C51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下所示：三、 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)硬件電路主要分為單片機(jī)系統(tǒng)、LED顯示電路及超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。1、 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊單片機(jī)控制電路核心是單片機(jī)芯片，單片機(jī)要正常工作，必須有其基本電路，包括晶振電路、復(fù)位電路。單片機(jī)選用STC89C51。系統(tǒng)采用12MHZ高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，并減小測(cè)量誤差。C1和C2的作用是穩(wěn)定振蕩頻率和快速起振。復(fù)位電路采用上電與按鍵復(fù)位。開(kāi)機(jī)瞬間RST獲得高電平，隨著電容C3的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。

4、若該高電平能保持足夠2個(gè)機(jī)器周期，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。根據(jù)經(jīng)典電路選擇參數(shù)，選取C3=20µF，R1=10K。 晶振電路 上電與按鍵復(fù)位電路2、 顯示電路模塊顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式，本系統(tǒng)采用并行輸出的動(dòng)態(tài)顯示方式。（1）動(dòng)態(tài)顯示原理七段LED顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成，通常構(gòu)成字形“日”，其中一個(gè)發(fā)光二極管用來(lái)顯示小數(shù)點(diǎn)。各段LED顯示器由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，控制相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，相應(yīng)的一個(gè)筆畫或一個(gè)點(diǎn)就發(fā)光，由此就能顯示出對(duì)應(yīng)字符。通常將各段發(fā)光二極管的陰極或陽(yáng)極連在一起作為公共端；將各段發(fā)光二極管陽(yáng)極連在一起的叫共陽(yáng)極顯示器，用低電

5、平驅(qū)動(dòng)；將陰極連在一起的叫共陰極顯示器，用高電平驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器的各個(gè)位。LED顯示器工作于動(dòng)態(tài)顯示方式時(shí)，所有位的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由1個(gè)8位I/O口驅(qū)動(dòng)控制，形成段碼線多路復(fù)用。各位的共陰極選擇線分別由相應(yīng)的1條I/O線控制，形成各位的分時(shí)選通。對(duì)顯示器的每一位而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。雖然在同一時(shí)刻只有一位顯示器點(diǎn)亮，但由于人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄滅時(shí)的余輝，我們看到的卻是多個(gè)字符“同時(shí)”顯示。顯示器亮度既與點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間長(zhǎng)短和點(diǎn)亮的間隔時(shí)間有關(guān)。對(duì)于確定的LED，調(diào)整點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流和點(diǎn)亮的間隔時(shí)間參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)亮度較高較

6、穩(wěn)定的顯示。動(dòng)態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化了硬件電路，但控制程序更復(fù)雜，控制時(shí)占用大量CPU時(shí)間；實(shí)質(zhì)就是犧牲CPU時(shí)間換取器件減少。（2）顯示電路結(jié)構(gòu)根據(jù)本超聲波測(cè)距器顯示測(cè)距數(shù)據(jù)的需要，采用4位共陰LED動(dòng)態(tài)顯示電路。顯示信息輸入部分由單片機(jī)P0輸出端，經(jīng)限流電阻連接相應(yīng)字段碼端；字位控制部分分別連接單片機(jī)的P2口。顯示電路如圖所示。（3）顯示電路工作過(guò)程工作中某時(shí)段，P0口輸出相關(guān)位顯示的段碼，由P2口相應(yīng)端輸出位控信號(hào)，控制相應(yīng)的顯示位顯示數(shù)據(jù)，同理，另一時(shí)間段，相應(yīng)的另外的顯示位顯示數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示。3、 超聲波發(fā)射與接收模塊該部分采用市面上賣的一款很成熟的超聲波發(fā)射與接收塊HY

7、-SRF05。實(shí)物圖如下：（1） 工作原理a. 采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；b. 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；c. 有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速）/2。（2） 引腳定義VCC供5V電源，TRIG觸發(fā)控制，信號(hào)輸入，ECHO回響信號(hào)輸出，OUT開(kāi)關(guān)量輸出（當(dāng)報(bào)警模塊使用），GND為地線。（3） 工作時(shí)序圖以上時(shí)序圖表明，只要提供一個(gè)10us以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40KHZ周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到回波，信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶?/p>

8、號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)量的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。4、 工作原理超聲波測(cè)距器工作原理：打開(kāi)電源，整個(gè)電路通電，單片機(jī)執(zhí)行程序，對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式，啟動(dòng)T0， 調(diào)用超聲波發(fā)生子程序，等待反射超聲波，計(jì)算距離，顯示距離；重復(fù)。工作過(guò)程中，相關(guān)的子程序和中斷程序被執(zhí)行，相應(yīng)硬件配合行動(dòng)，顯示測(cè)量結(jié)果。四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。由于C語(yǔ)言有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，所以采用C語(yǔ)言編寫程序。1、 超聲波測(cè)距器算法的設(shè)計(jì)如圖示意了超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器T

9、在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就會(huì)被超聲波接收器R接收到。這樣，只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用時(shí)間，就可以算出超聲波發(fā)生器與反射物之間的距離。該距離的計(jì)算公式如下： d=s/2=(v*t)/2其中，d為被測(cè)物體與測(cè)距器的距離；s為聲波的來(lái)回路程；v聲速；t為聲波來(lái)回所用時(shí)間。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超聲波聲速。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。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右猿C正。本設(shè)計(jì)要求不高，故不采用溫度補(bǔ)償法，可根據(jù)當(dāng)前溫度選用對(duì)應(yīng)的聲速值。聲速確定后，只要測(cè)

10、得超聲波往返時(shí)間，即可求得距離。不同溫度下超聲波聲速表溫度/-30-20-100102030100聲速/(m/s)3133193253233383443493862、 主程序主程序流圖如右圖所示。主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16為定時(shí)/計(jì)數(shù)模式，設(shè)置門控位GATE=1，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的運(yùn)行將同時(shí)受TRX位和引腳電平的控制。在TRX=1時(shí)，若=1，則啟動(dòng)計(jì)數(shù)，若=0時(shí)，則停止計(jì)數(shù)。這一特點(diǎn)可極為方便地用于測(cè)試外部輸入脈沖的寬度。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(shí)約0.1ms（這也就是超聲波測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后才打開(kāi)外部中斷0接

11、收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1us，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)即是超聲波來(lái)回所用的時(shí)間。算出距離后，結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再重復(fù)測(cè)量過(guò)程。3、 超聲波發(fā)程序和超聲波接收中斷程序由超聲波發(fā)射接收模塊時(shí)序圖可知，通過(guò)單片機(jī)的P11口給它一個(gè)10us以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即引腳出現(xiàn)低電平），T0立即停止計(jì)數(shù)，并且進(jìn)入超聲波接收中斷程序。進(jìn)入該中斷后，將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波

12、返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2，以表示本次測(cè)距不成功。五、 控制源程序清單#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ulong unsigned longsbit p10=P10;sbit p32=P32;sbit a=P37;uchar code table1=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77;/uchar code table1=0xbF,0x86,0x

13、dB,0xcF,0xe6,0xeD,0xfD,0x87,0xfF,0xdF,0xf7;uchar test; /定義測(cè)距成功標(biāo)志。ulong time; uint x1,x2,x3,x4;void display(); void delay(uint);void init();void count();void main() uint m;while(1) init(); p10=0; delay(1); p10=1; delay(1);p10=0;while(p32=0); EA=1;EX0=1;ET0=1; TR0=1;while(p32=1); if(test=1)time=TH0*25

14、6+TL0;time*=169; time/=1000; else if(test=2) time=0; count(); for(m=0;m<150;m+) display(); void intr0() interrupt 0TR0=0;EX0=0;ET0=0;test=1; void overtime() interrupt 1 TR0=0; EX0=0;ET0=0;p32=0;test=2; void init()EA=0;ET0=0;TR0=0;IT0=0;IE0=0;TF0=0;TMOD=0x09; TH0=0;TL0=0; void count() x4=time/1000

15、;x3=time%1000/100;x2=time%1000%100/10;x1=time%1000%100%10;void display() P2=0xf7;P0=table1x4;/千位delay(6);P2=0xfb;P0=table1x3;/百位delay(6);P2=0xfd;P0=table1x2;/十位delay(6);P2=0xfe;P0=table1x1; /個(gè)位delay(6); void delay(uint i) /延時(shí)子程序（即延時(shí)ims）uint j;while(i-)for(j=0;j<40;j+);六、 硬件制作超聲波測(cè)距器主要由單片機(jī)工作電路、超聲波發(fā)

16、射與接收模塊、LED數(shù)碼管顯示三部分組成。由于元件多，電路復(fù)雜，連線多，因此我們畫了PCB圖，制作電路板。為了便于調(diào)試和檢測(cè)糾正錯(cuò)誤，這三部分分開(kāi)制作。1、 單片機(jī)及其工作電路2、 LED數(shù)碼管顯示3、 超聲波發(fā)射與接收模塊HY-SRF05七、 調(diào)試及性能分析1、調(diào)試PCB板刻出來(lái)后，按照電路圖焊接元器件，然后把三部分用杜邦線連接。硬件電路制作完成并調(diào)整好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。首先發(fā)現(xiàn)LED顯示亮度很低，這可能是點(diǎn)亮電流不夠，去掉限流電阻后，效果不是很明顯。由于共陰數(shù)碼管是用高電平驅(qū)動(dòng)，而單片機(jī)的P0口驅(qū)動(dòng)能力有限，故采用74HC573鎖存器驅(qū)動(dòng)。這樣改進(jìn)后，數(shù)碼管的亮度達(dá)到了正常。經(jīng)過(guò)不斷的修改與調(diào)整程序，最終到達(dá)了理想的狀態(tài)。2、性能指標(biāo)經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，測(cè)距器可測(cè)量范圍為0.01m5.2m。重復(fù)一致性好。八、結(jié)論與心的本次設(shè)計(jì)制作是我們本科以來(lái)制作的第一個(gè)硬件與軟件結(jié)合的作品。經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)的努力，最終完成了本次設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射與接收模塊時(shí)，準(zhǔn)備采用課本上的電路圖，用TCT40l0Fl作超聲波發(fā)射器、用TCT40l0Sl和CX20106