基于單片機(jī)的超聲波測距儀的設(shè)計論文

1、. . . . 摘 要超聲波具有很強(qiáng)的指向性，消耗能量緩慢，距離傳播較遠(yuǎn)等優(yōu)點，所以，在利用自動化控制技術(shù)和傳感器應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，利用超聲波專有特性測距是目前最普遍的一種方式，它被廣泛地應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測量、建筑施工工地以與一些工業(yè)現(xiàn)場。本論文詳細(xì)的介紹了超聲波傳感器的原理與特性，并且介紹了Atmel公司的AT89C52單片機(jī)的性能與特點，且在分析了超聲波測距原理的基礎(chǔ)上，指出了本次方案的思路和所需考慮的問題，給出了以AT89C52單片機(jī)為核心，LCD顯示電路，硬件制作和軟件設(shè)計為一體的設(shè)計方案。關(guān)鍵字：超聲波測距；單片機(jī)；測距；AT89C52；LED顯示屏Abstrac

2、tUltrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it ap

3、plies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , building construction site and some industrial scenes extensively.This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer

4、AT89C52 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range .Given the AT89C52, LCD display circuit, the hardware and the software design production.Key

5、words：ultrasonic ranging；single-chip；Range finding；AT89C52；LCD display目 錄第一章 引言51.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述51.2 超聲波測距系統(tǒng)概述61.3本設(shè)計任務(wù)的主要容6第二章 超聲波測距的原理72.1超聲波測距離原理7第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計93.1單片機(jī)AT89C52介紹93.1.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計133.1.2復(fù)位電路143.2超聲波發(fā)射電路153.3超聲波檢測接收電路163.4超聲波顯示電路173.5報警電路183.6電源電路設(shè)計19第四章 系統(tǒng)程序的設(shè)計194.1超聲波測距器的算法設(shè)計194.2總體設(shè)計方案204.

6、3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序214.4主程序21結(jié)論23致23參考文獻(xiàn)24附錄一 硬件電路圖25附錄二 程序26第一章 引言1.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)（MCU)，多應(yīng)用于控制領(lǐng)域，又叫做微控制器。它是將計算機(jī)中的CPU、RAM、ROM、定時器和輸入輸出I/O接口電路、中斷控制器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器等芯片集成在一個芯片上的技術(shù)，形成芯片級的計算機(jī)。它的出現(xiàn)與發(fā)展使得計算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。從此，計算機(jī)技術(shù)在兩個重要領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在一點一點地改變著我們的生活和社會。而嵌入式技術(shù)在當(dāng)今社會扮演著不可或缺的地

7、位，它是當(dāng)前最熱門、最具有發(fā)展力的IT應(yīng)用之一。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用可以加快傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)向智能化的電子儀器的轉(zhuǎn)變，使社會進(jìn)入智能化時代。嵌入式技術(shù)一般應(yīng)用于對實時響應(yīng)要求較高的產(chǎn)品中，單片機(jī)作為嵌入式技術(shù)的核心，它的應(yīng)用使得電子系統(tǒng)的智能化達(dá)到了高速的發(fā)展，常常無需對硬件系統(tǒng)做任何改動，只需更新系統(tǒng)軟件就能夠使系統(tǒng)功能升級?，F(xiàn)代社會中嵌入式技術(shù)無處不在，早已被應(yīng)用在國防、國民經(jīng)濟(jì)、以與人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，不斷地改變著人們的生活，是人類社會一項偉大的智慧結(jié)晶。1.2 超聲波測距系統(tǒng)概述在基于傳統(tǒng)的測力距離存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給

8、電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和安全防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補(bǔ)償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。1.3本設(shè)計任務(wù)的主要容

9、 設(shè)計一超聲測波測距儀，任務(wù)：(1).了解超聲波測距原理。(2).設(shè)計出超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。(3).對設(shè)計的電路進(jìn)行分析和理解，從而做到利用超聲波方法測量物體間的距離。(4).以數(shù)字的形式顯示測量距離。第二章 超聲波測距的原理2.1超聲波測距離原理人類可以聽到的聲音頻率為20Hz20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率圍的聲音，即為不可聽聲波。其中超過20KHz的為超聲波，超聲波沿直線傳播，頻率越高，反射能力越強(qiáng)，所以利用超聲波的這種特性來設(shè)計超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。超聲波傳感器由發(fā)送器和接收器組成，一般超聲

10、波傳感器為可逆元件，即一個傳感器可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。通常市場上出售的超聲波傳感器有兩種類型，即專用型和兼用型。專用型就是發(fā)送超聲波用發(fā)送器，接收器超聲波用接收器；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體，不但可接受超聲波，又可以發(fā)送超聲波。一般隨著諧振頻率的變高，檢測距離會變短，同時分解力也會變高。單片機(jī)障障礙物發(fā)射管接收管圖2.1超聲波原理圖 本設(shè)計方案是利用超聲波指向性強(qiáng)、能量消耗低、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，并且在發(fā)射的時候開始計時，在超聲波遇到障礙物的時候反射回來，利用超聲波接收器接收反射信號，然后停止計時。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為V，接收到在

11、空氣中的傳播時間為T，與障礙物的距離為S，S=VT/2這樣可以測出汽車與障礙物之間的距離，然后在LED顯示屏上顯示出來。如上圖2.1所示根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，本例決定采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完成。超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計。本次方案的超聲波測距儀主要由AT89C52單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、顯示電路等組成。超聲波接收超聲波發(fā)送單片機(jī)控制器LED顯示掃描驅(qū)動圖2.2超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計框圖 首先由單片機(jī)驅(qū)動產(chǎn)生12MHZ晶振，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去，在遇到障礙物反射回來時由超聲波接收探頭檢測到信號，然

12、后經(jīng)過濾波、放大、整形之后送入單片機(jī)進(jìn)行計算，把計算結(jié)果輸出到LED液晶顯示屏上。第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計硬件電路主要包括單片機(jī)系統(tǒng)與超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和顯示電路三部分。超聲波測距板采用AT89C52單片機(jī)晶振為12MHZ，單片機(jī)用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40KHZ方波信號，利用外中斷監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號，顯示電路采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼驅(qū)動用74LS244集成電路，位碼用S8550三極管驅(qū)動,主要由單片機(jī)系統(tǒng)與顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89C52來實現(xiàn)對超聲波模組進(jìn)行控制，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，

13、當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波往返所經(jīng)歷的時間，通過特定的計算就可以確定傳感器與障礙物之間的距離。3.1單片機(jī)AT89C52介紹AT89C52芯片圖如下圖所示圖3.1 AT89C52引腳圖AT89C52主要性能：1、 與MCS-51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容2、 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器3、 1000 次擦寫周期4、 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 5、 三級加密程序存儲器6、 32 個可編程I/O 口線7、 三個16 位定時器/計數(shù)器8、 八個中斷源9、 全雙工UART 串行通道10、低功耗空閑和掉電模式l1、掉電后中斷可喚醒l2、

14、看門狗定時器13、雙數(shù)據(jù)指針l4、掉電標(biāo)識符AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32個I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，片晶振與時鐘電路。同時，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，保存RAM中的容，但振蕩器停止工作直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。VCC : 正常操作接+5V；GND: 接地線。以上兩個引腳對于單片機(jī)來說都是輸入端，作用是滿足單片機(jī)工作的電能需求。P0 口：P0口是一個

15、8位漏極開路的三態(tài)（高電平、低電平、高阻）雙向輸入/輸出口，具有地址和數(shù)據(jù)傳輸功能，可以驅(qū)動8個TTL管。P1 口：P1 口是一個具有部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向輸入/輸出口，對于52單片機(jī)具有變異功能，可以驅(qū)動4個TTL管。表3.1 引腳號第二功能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/重在觸發(fā)信號和方向控制）P1的第二功能P2 口：P2 口是一個具有部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向輸入/輸出口，具有地址傳輸功能，可以驅(qū)動4個TTL管。P3口：P3 口是一個具有部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向輸入/輸出口，P3具有第二功能，可以驅(qū)動4個TTL管。第二

16、功能見下表。 表3.2P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2外部中斷0請求端，低電平有效P3.3外部中斷1請求端，低電平有效P3.4T0定時/計數(shù)器0外部事件計數(shù)輸入端P3.5T1定時/計數(shù)器1外部事件計數(shù)輸入端P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號，低電平有效P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號，低電平有效 P3的第二功能RST: 復(fù)位輸入引腳，高電平有效。在該引腳上輸入大于24個人晶振振蕩周期高電平時，單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)變低電平時，系統(tǒng)開始執(zhí)行程序。ALE/PROG：ALE地址鎖存允許信號輸入端，高電平有效。在訪問外部存儲器時，該信號將P0口送出的低8位地址鎖存到外部地址鎖存器中。

17、PROG編程脈沖為固化程序需要提供專門的編程脈沖。當(dāng)訪問外部儲存器時，將以1/12的振蕩頻率輸入脈沖；當(dāng)不訪問外部存儲器時，將以1/6的振蕩頻率輸入脈沖。PSEN:外部程序存儲器的讀選通信號輸出端，低電平有效。在讀外部程序存儲器時CPU會送出有效的低電平信號。當(dāng)訪問外部程序存儲器讀取指令時，將以1/6的震蕩頻率產(chǎn)生PSEN有效信號；當(dāng)執(zhí)行片程序與訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，不產(chǎn)生PSEN有效信號。當(dāng)AT89C52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。EA/VPP:訪問程序存儲器選擇信號輸入線。當(dāng)EA為低電平時，CPU只能訪問外

18、部程序存儲器。當(dāng)EA為高電平時，CPU先訪問部程序存儲器（當(dāng)51單片機(jī)的PC值小于等于0FFFH時），然后訪問外部程序存儲器（當(dāng)PC值大于0FFFH時）。VPP(+25V)位固化程序提供專門的編程電源。XTAL1:接外部晶振的一個引腳，是部反相放大器的輸入端。XTAL2:接外部晶振的一個引腳，是部反相放大器的輸出端。Flash 編程并行模式：AT89C52 帶有用作編程的片上Flash 存儲器陣列。編程接口需要一個高電壓（12V）編程使能信號，并且兼容常規(guī)的第三方Flash 或EPROM 編程器。編程方法：對AT89C52 編程之前，需設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)與控制信號，可采用下列步驟對AT89C52

19、 編程：1在地址線上輸入編程單元地址信號2在數(shù)據(jù)線上輸入正確的數(shù)據(jù)3激活相應(yīng)的控制信號4把EA/VPP 升至12V 5每給Flash 寫入一個字節(jié)或程序加密位時，都要給ALE/PROG 一次脈沖。每個字節(jié)寫入周期是自身定時的，通常均為1.5ms。重復(fù)15步驟，改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，直到全部文件編程結(jié)束。3.1.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)由CPU AT89C52和一定功能的外圍電路組成，包括為單片機(jī)提供復(fù)位電壓的復(fù)位電路，提供系統(tǒng)頻率的晶振。這部分電路主要負(fù)責(zé)程序的存儲和運(yùn)行。圖3.2中AT89C52(AT89C51一樣）系統(tǒng)由部時鐘方式電路外接晶體以與電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路與單片機(jī)組成

20、 ，接在放大器的反饋回路中。單片機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件構(gòu)成的，軟件是由程序組成的。最小系統(tǒng)是單片機(jī)運(yùn)行的最基本的硬件和軟件，是單片機(jī)正常工作的基本保障。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、諧振器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶振一般為6MHz，它是單片機(jī)復(fù)位電路的典型值，而電容的典型值在20pF100pF之間選擇，但在60pF70pF時振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pF左右，但本電路采用33pF。在設(shè)計印刷電路板時，一般情況下晶振或瓷振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，從而更好地保障了電路的穩(wěn)定性。為了提高溫度穩(wěn)

21、定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。AT89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和手動按鈕復(fù)位兩種方式。本設(shè)計中所用到的是手動按鈕復(fù)位.圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.2復(fù)位電路單片機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件構(gòu)成的，軟件是由程序組成的。程序則由系統(tǒng)指令構(gòu)成，正常情況下，希望系統(tǒng)運(yùn)行時是從程序的固定位置(入口處)開始執(zhí)行，復(fù)位的目的就是保障程序從入口處開始運(yùn)行，如不能保證復(fù)位要求，程序則很有可能不從規(guī)定處進(jìn)行，會造成意想不到的問題，如死機(jī)”“跑飛”等。所以以AT89C52作為主芯片的單片機(jī)需要一個復(fù)位電路，來啊保證指令的正常執(zhí)行。每次單片機(jī)在啟動時都需要復(fù)位，以便使

22、CPU和系統(tǒng)各部件都處于確定的初始狀態(tài)，并從初狀態(tài)開始工作。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，振蕩器穩(wěn)定后，從單片機(jī)的復(fù)位引腳RST輸入一個高電平并維持2個機(jī)器周期（24個振蕩周期）以上，CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位信號一般來說不能太長，因為在復(fù)位狀態(tài)下，單片機(jī)是不執(zhí)行程序的。電路一般采用積分型、專用芯片復(fù)位電路等來完成電路復(fù)位所需信號。單片機(jī)系統(tǒng)基本的復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動按鈕復(fù)位。（1） 上電復(fù)位 上電復(fù)位工作過程是在加電時復(fù)位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著VCC對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠

23、地復(fù)位，RST端的高電平信號必須維持2個機(jī)器周期以上的時間。（2） 手動按鈕復(fù)位 該復(fù)位形式需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平，其電路如圖3.3所示。當(dāng)按下按鈕時，則VCC的+5V電平就會直接加到RST端，人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。圖3.3 復(fù)位電路3.2超聲波發(fā)射電路需要將由單片機(jī)發(fā)出的40kHZ的方波進(jìn)行放大，才能夠使超聲波傳感器發(fā)射出超聲波，作為發(fā)射驅(qū)動電路，本質(zhì)上就是一個信號放大電路。圖3.4 超聲波發(fā)射電路原理圖超聲波發(fā)射的電路圖如圖3.4所示。發(fā)射電路主要是用反向器74ALS04連接到超聲波發(fā)射換能器T所構(gòu)成，由單片機(jī)P1.0端口輸出

24、的40kHZ方波信號經(jīng)過一級反向器放大后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)過雙重反向器放大后送到超聲波的另一電極。用這種方式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以有效地提高超聲波的發(fā)射效率，在輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提升驅(qū)動能力。上拉電阻R1、R2不但可以提高反向器74ALS04輸出高電平的能力，而且還可以提升超聲波換能器的阻尼效果，縮短它的自由振蕩時間。 關(guān)于74ALS04與74LS04的區(qū)別： 74LS04與74ALS04都是74系列的非門。 他們的區(qū)別是： 1、輸出：74LS04和74ALS04是一樣的。如果同一個公司，輸出參數(shù)都是一樣的。 2、輸入：兩者不同的是輸入不一樣。74

25、LS04輸入是TTL電平，74LS14輸入是施密特輸入（有滯回特性）。 因為輸入不一樣，兩個芯片的應(yīng)用場合也有所不同。74LS04多用于板一般數(shù)據(jù)的“非”控制，而74ALS04一般用于某些信號的整形或者異受干擾/關(guān)鍵信號的信號緩沖等。 大部分情況下74LS14可以替代74LS04；74ALS04和74LS04都是六反相器；74LS04是6非門IC工作電壓5V ，最大16mA的驅(qū)動能力。在實際應(yīng)用方面 2者其實基本上沒什么區(qū)別的，用都一樣。 基于本實驗要求超聲波輸出信號和接收信號盡可能降低干擾，所以本設(shè)計選取的是74ALS04芯片作為主要芯片。3.3超聲波檢測接收電路 參考紅外轉(zhuǎn)化接收電路，本設(shè)

26、計采用集成電路CX20106A，這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?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用他作為超聲波檢測電路。如圖3.5超聲波檢測接收電路原理圖所示，適當(dāng)改變C12的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。管腳1是超聲波信號輸入端，是輸入阻抗約為40K;管腳2的C12 R19決定接受換能器的總增益，增大電阻R或者減小C，將使放大倍數(shù)下降，負(fù)反饋量增大，電容C的改變會影響到頻率特性，實際使用中一般不改動，推薦選擇參數(shù)R=4.7 K，C=3.3uF;管腳5上的連接電阻R18用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率，阻值

27、越大，中心頻率越低，取R=200 K時，中心頻率約為42KHZ；管腳6與GND之間接入一個分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短；管腳7是遙控命令輸出端，是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源，該阻值推薦阻值為R5=220 K,沒有接受信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降；管腳8接電源正極。4.5V-5V.超聲波接受電路原理圖如下3.5所示圖3.5 超聲波接收電路原理3.4超聲波顯示電路 將系統(tǒng)正在運(yùn)行的狀態(tài)告訴操作者，需要顯示；我們這里利用超聲波測距需要把測得的結(jié)果顯示出來；當(dāng)我們吧需要控制的信號輸入到單片機(jī)系統(tǒng)中，輸入與輸出的信息就能夠顯

28、示出來。 常用的顯示方式有：LED彩燈顯示、數(shù)碼管顯示、和液晶顯示。我們的設(shè)計是利用數(shù)碼管顯示。 LED(Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，圖中ag七個筆端與小數(shù)點SP均為發(fā)光二極管。如果將所有大光二極管的陽極連在一起作為公共端，稱為共陽極二極管，如果將所有發(fā)光二極管的陰極連在一起作為公共端，則稱為共陰數(shù)碼管。圖3.6(a)為八段共陰數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖3.6 (b)是它的原理圖，圖3.6 (c)為八段共陽LED顯示管原理圖。圖3.6 八段LED數(shù)碼顯示管原理和結(jié)構(gòu) 以74ALS245為主要芯片的顯

29、示電路如圖3.7所示，顯示電路中74ALS245芯片接由單片機(jī)的P0口，再由七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，從而利用單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7與共射極三極管的基極相連來控制數(shù)碼管的位選通。圖3.7單片機(jī)與顯示系統(tǒng)電路圖3.5報警電路采用一個蜂鳴器，輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個三極管放大。報警的部分電路如下圖3.8所示。實現(xiàn)的功能：當(dāng)測得的距離小于最小值時，警報器觸發(fā)。圖3.8 報警電路3.6電源電路設(shè)計該電路電源是通過整流橋整流后經(jīng)C6C7濾波，然后由7805穩(wěn)定后提供穩(wěn)定的5V電壓,如圖3.9所示。圖3.9電源電路原理圖第四章 系統(tǒng)程序的設(shè)計超聲波測距器的軟件設(shè)計

30、主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序與顯示子程序組成，由于C語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精確計算程序行動的時間，而超聲波測距器的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精確計算程序運(yùn)行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。下面對超聲波測距器的算法，主程序，超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。4.1超聲波測距器的算法設(shè)計圖5.1示意了超聲波測距的原理，既超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就會被超聲波接收器R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

31、信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器于反射物體的距離。該距離的計算公式如下4-1：d=s/2=(v×t)/2 （4-1）其中：d為被測物于測距器的距離；s為聲波的來回路程；v為聲速；t為聲波來回所用的時間。單片機(jī)障礙物發(fā)射管接收管圖4.1 超聲波測距離原理圖對于該系統(tǒng)影響最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以與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可測距離。為了增加所測量的覆蓋圍，減少測量誤差，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(shè)計方法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表4.1 列出了

32、幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可以為聲速是基本不變的。如果測距精度很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。溫度（?30-20-100103030100聲速（m/s）313319325323338344349386表4.1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表4.2總體設(shè)計方案 由單片機(jī)AT89C52編程產(chǎn)生40kHz的方波，由P1.0口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形與一系列處理,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間間隔計算出障礙物的距離,并

33、由單片機(jī)控制顯示出來。圖4.2 時序圖 該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖4.2所示。4.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送兩個左右的超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12µs左右，同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入超聲波接收中斷程序。就立即關(guān)閉計時器T1，停止計時，

34、并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T1溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值0，以表示本次測距不成功。單片機(jī)在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。4.4主程序主程序首先要對系統(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并對顯示端口P0和P2清0；然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時約0.1m

35、s（這也就是超聲波測距器會有一個最小可測距離的原因）后才可打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1us，所以當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（5-2）計算，即可得被測物體與測距器之間的距離。設(shè)計時取20時的聲速為344m/s，則有d=（v×t）/2=（172T/10000）cm （4-2）其中：T為計數(shù)器T0的計數(shù)值。程序流程圖如圖4.3，(a)為主程序流程圖，(b)為定時中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。是否無有有回波初始化定時中斷子程序外部中斷子程序等待定時中斷入口定時器

36、初始化發(fā)射超聲波發(fā)射完否停止發(fā)射清中斷返回外部中斷入口讀取時間值計算距離保存結(jié)果清中斷返回(a) (b) (c) 圖4.3 程序流程圖用單片機(jī)編程產(chǎn)生40kHz方波，可用延時程序和循環(huán)語句實現(xiàn)。先定義一個延時函數(shù)，然后可用語句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。結(jié) 論 本課題介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的原理和設(shè)計。給出了硬件和軟件的設(shè)計方案。 超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測方式以與它的一些特性。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計測距電路。單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制部分，采用Atmel公司生產(chǎn)的AT

37、89C52芯片。驅(qū)動超聲波傳感器的40kHz的方波信號，就是由單片機(jī)編程產(chǎn)生的。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用74HC04六反向器，通過它對單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號進(jìn)行放大，以驅(qū)動傳感器工作。接收電路采用的是LM741，通過接收電路對接收到的信號進(jìn)行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序。本系統(tǒng)的LED顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機(jī)軟件譯碼。單片機(jī)部采用C語言編程，方波信號的產(chǎn)生、時間差的讀取、距離的計算以與顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。 本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有測量精度較高、速度快、控制簡單方便等優(yōu)點。測距圍從20cm到200cm，測量精度在±10cm。測距系統(tǒng)在

38、許多工業(yè)現(xiàn)場和自動控制場合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學(xué)習(xí)中會進(jìn)一步改進(jìn)?？傮w來說，最重要的是在本課題的設(shè)計過程中我學(xué)到了很多知識，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會了各種放大電路的分析、設(shè)計，也掌握了單片機(jī)的開發(fā)過程和利用單片機(jī)設(shè)計電路的方法。對一塊電路板的設(shè)計、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個過程，有了更深入的理解和掌握。這些對我今后的學(xué)習(xí)和工作都會有很大幫助的。 致 三年的讀書生活即將結(jié)束，但是對于我來言卻是另一次征程的開始。三年的大學(xué)生活轉(zhuǎn)瞬即逝，期間有歡笑也有很多無奈。雖說有些遺憾，卻也收獲頗多。三年的大學(xué)生活不僅讓我學(xué)到了知識，

39、還讓我懂的了感恩，學(xué)會奉獻(xiàn)，讓我在這三年得以充實。 這次畢業(yè)設(shè)計應(yīng)該是老師留給我們的最后一次作業(yè)本次設(shè)計得以順利完成，首先要感我們的指導(dǎo)老師：曉陽老師的指導(dǎo)和大力支持。在繁忙的教學(xué)中，曉陽老師忙里偷閑指導(dǎo)了我的設(shè)計的結(jié)構(gòu)、思路、同時提供了一些專業(yè)知識的幫助。在這里也要對給我提供幫助的同學(xué)說聲，沒有你們的幫助，我可能無法成功的完成此次設(shè)計。同時也感三年來授之以漁的老師們，是你們的教導(dǎo)使得我們獲得了知識，表示衷心的感！參考文獻(xiàn)1 胡乾斌，光斌，玲等. 單片微型計算機(jī)原理與應(yīng)用M.華中科技大學(xué)，20042 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編M.航空航天大學(xué)，19963 長贊. 紅外線與超聲波遙控M.人民郵

40、電， 1993.74 偉. 鞏壁建. 超聲波測距誤差分析J. 傳感器技術(shù)， 20045伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)M.機(jī)械工業(yè)， 20006 薛麗芳，汪卉，彥文俊. 基于超聲波的距離測量J. 自動化與儀表， 2007(05)7 王田苗. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā).清華大學(xué), 20058馬忠梅,藉順心等. 單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計（第三版).航空航天大學(xué), 20039戴娟主編，倪瑛，單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用.高等教育， 2012.1010王連英主編，基于Multisim 10的電子仿真實驗與實際，郵電大學(xué)， 2009.8 附錄一 硬件電路圖硬件電路圖附錄2 程序;*;*超聲波測距器 *;*采用AT89

41、C52 12MHz晶振 *;*采用共陽LED顯示器 *;*;測距圍10cm-5.5m，堆棧在4FH以上，20H用于標(biāo)志;顯示緩沖單元在40H43H,使用存44H、45H、46H用于計算距離; VOUT EQU P1.0 ;脈沖輸出端口;*;*中斷入口程序 *;*;ORG 0000H LJMP STARTORG 0003H LJMP PINT0ORG 000BH LJMP INTT0ORG 0013H RETIORG 001BH LJMP INTT1ORG 0023H RETIORG 002BH RETI;*;* 主程序 *;*START: MOV SP,#4FH MOV R0,#40H ;40

42、43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40為最高位） MOV R7,#0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ;T1為8位自動重裝模式，T0為16位定時器 MOV TH0, #00H ;65ms初值 MOV TL0, #00H MOV TH1, #0F2H ; 40kHz初值 MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFHMOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超聲波脈沖個數(shù)控制 SETB PX0SET

43、B ET0SETB EA SETB TR0 ;開啟測距定時器start1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信號時標(biāo)志為1 CLR EA LCALL WORK ;計算距離子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新開啟測距定時器 MOV R2, #64H ;測量間隔控制（約4*100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP Start1;*;* 中斷程序 *;*;T0中斷，65ms中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;啟動計