超聲波測(cè)距課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、-PAGE . z.目錄前言1課題設(shè)計(jì)目的及意義11.1設(shè)計(jì)的目的11.2設(shè)計(jì)的意義11.3課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求1正文1 課程的方案設(shè)計(jì)21.1系統(tǒng)整體方案21.2系統(tǒng)整體方案的論證22 系統(tǒng)的硬件構(gòu)造設(shè)計(jì)22.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理32.1.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)3 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 32.2 超聲波電路構(gòu)造42.3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)42.4 PCB幅員設(shè)計(jì)53 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)63.1 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)73.2 主程序流程圖73.3單片機(jī)局部C語言程序83.4超聲波測(cè)距局部C語言程序114 實(shí)物制作174.1電路板焊接及連線圖174.2實(shí)物調(diào)試效果圖

2、184.3焊接電路板時(shí)所遇問題195總 結(jié)206 致20附錄20-. z.前言1課題設(shè)計(jì)目的及意義1.1設(shè)計(jì)的目的隨著科學(xué)技術(shù)的快速開展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃開展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測(cè)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開展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向開展，以滿足日益開展的社會(huì)需求，如聲納的開展趨勢(shì)根本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)開展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和

3、識(shí)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(biāo)識(shí)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(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能開展到具有學(xué)習(xí)功能，最終開展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。1.2設(shè)計(jì)的意義查找與超聲波測(cè)距有關(guān)的資料，通過對(duì)資料的理解開發(fā)設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的單片機(jī)超聲波測(cè)距裝置。設(shè)計(jì)完成后，制作PCB幅員，最后完成實(shí)物的連線。通過設(shè)計(jì)穩(wěn)固對(duì)單片機(jī)知識(shí)的運(yùn)用，并加強(qiáng)自我動(dòng)手的能力。1.3課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求了解和掌握超聲波傳感器的原理、

4、構(gòu)造、特性和使用方法，超聲波探測(cè)系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品及及其國外研究進(jìn)展情況，利用單片機(jī)、Proteus和Keil C51工具設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，制作實(shí)物并進(jìn)展測(cè)試。1、了解和掌握該系統(tǒng)相關(guān)傳感器3-5種的技術(shù)資料，包括其技術(shù)指標(biāo)、原理圖、封裝形式、價(jià)格等；2、查找系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品3-5種的技術(shù)資料，包括其技術(shù)指標(biāo)、原理圖、封裝形式、價(jià)格等；3、查找與本系統(tǒng)相關(guān)論文最近幾年3-5篇；4、選擇一種傳感器，利用單片機(jī)、Proteus和Keil C51工具設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，制作實(shí)物并進(jìn)展測(cè)試；5、完成論文。1 課程的方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)整體方案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

5、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)比擬方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能到達(dá)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)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(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不一樣，因而用途也各不一樣。目前在近距離測(cè)量方面常用的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，本文采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，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。1.2系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測(cè)距的原理是利用超

6、聲波的發(fā)射和承受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；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(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的上下成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)造設(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)接收電路三

7、局部。單片機(jī)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(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P3.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz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(jiǎn)單實(shí)用的3位共陰LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)。2.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理2.1.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)5l系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2個(gè)16b的定時(shí)計(jì)數(shù)器TO和T1，4個(gè)8 b的工O端I：IP0，P1，

8、P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)，使其在實(shí)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(jī)提供以下功能：4 kB存儲(chǔ)器；256 BRAM；32條工O線；2個(gè)16b定時(shí)計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。空閑方式：CPU停頓工作，而讓RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的容，振蕩器停振，制止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低本錢的解決方法。充分利用他的片資源，即可在較少外圍電路的情況

9、下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差tr，然后求出距離SCt2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)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(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波圍，其波速C與溫度有關(guān)。2.2超聲波電路構(gòu)造超聲波接收電路2.3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用

10、單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，且片有4K的ROM，便于編程。單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(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到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)展檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)展判別、計(jì)算，得出距離數(shù)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(shí)器單片機(jī)控制顯示器單片機(jī)硬件原理圖2.4 PCB幅員設(shè)計(jì)：PCB幅員aPCB幅員b3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的軟件設(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。我們知道C

11、語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算計(jì)算距離時(shí)，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間超聲波測(cè)距時(shí)，所以控制程序可采用C語言編程。3.1 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在*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，就被超聲波接收器R所接收到。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)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：d=s/2=(ct)/21 其中，d為被測(cè)物與測(cè)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(shí)間。在啟動(dòng)

12、發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷效勞子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。3.2 主程序流程圖3.3單片機(jī)局部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

13、,i=0;uchar buffer4=0,0,0,0;uchar code table10 = 0*3f,0*06,0*5b,0*4f,0*66,0*6d,0*7d,0*07,0*7f,0*6f; /數(shù)碼管09void delay_us()/20us延遲uchar *;for(*=0;*0;j-)for(y=110;y0;y-);void main()trig=0;/echo=0;TMOD=0*11;/定時(shí)器0、1為16位計(jì)數(shù)模式TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;TR0=1;/啟動(dòng)定時(shí)器0IT0=1;/下降沿觸發(fā)ET0=1;/翻開定時(shí)器0中斷E

14、T1=1;/翻開定時(shí)器1中斷E*0=0;/關(guān)閉外部中斷0EA=1;/開總中斷while(1)EA=0;/關(guān)總中斷trig=1;/超聲波輸入端delay_us();/延遲20ustrig=0;/產(chǎn)生一個(gè)20us的脈沖while(echo=0);/等待echo回波變成高電平flag=0;/清測(cè)量成功標(biāo)志；EA=1;E*0=1;/翻開外部中斷TH1=0;TL1=0;/定時(shí)器1清零TF1=0;TR1=1;/啟動(dòng)定時(shí)器1delay(20);/等待測(cè)量結(jié)果TR1=0;/關(guān)閉定時(shí)器1E*0=0;/關(guān)閉外部中斷0if(flag)t=timeh*256+timel;/計(jì)算時(shí)間s=t/58;/計(jì)算距離厘米buff

15、er0=s/100;/百位buffer1=s%100/10;/十位buffer2=s%10;/個(gè)位elses=0;/沒有，則清零；/*外部中斷0，用做判斷回波電平*/void e*ter() interrupt 0timeh=TH1;timel=TL1;flag=1;E*0=0;/*用定時(shí)器0做顯示*/void timer0() interrupt 1TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;switch(i)case 0:P1=tablebuffer0;P2=0*fe;i=1;break;case 1:P1=tablebuffer1;P2=0*fd;

16、i=2;break;case 2:P1=tablebuffer2;P2=0*fb;i=0;break;default:break;/*定時(shí)器1中斷,用做超聲波測(cè)距計(jì)時(shí)*/void timer1() interrupt 3TH1=0;TL1=0;3.4超聲波測(cè)距局部C語言程序:/晶振=8M/MCU=STC10F04*E/P0.0-P0.6共陽數(shù)碼管引腳/Trig = P10/Echo = P32#include /包括一個(gè)52標(biāo)準(zhǔn)核的頭文件#define uchar unsigned char /定義一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong uns

17、igned long/*sfr CLK_DIV = 0*97; /為STC單片機(jī)定義,系統(tǒng)時(shí)鐘分頻 /為STC單片機(jī)的IO口設(shè)置地址定義sfr P0M1 = 0*93;sfr P0M0 = 0*94;sfr P1M1 = 0*91;sfr P1M0 = 0*92;sfrP2M1 = 0*95;sfrP2M0 = 0*96;/*sbit Trig = P10; /產(chǎn)生脈沖引腳sbit Echo = P32; /回波引腳sbit test = P11; /測(cè)試用引腳uchar code SEG710=0*C0,0*F9,0*A4,0*B0,0*99,0*92,0*82,0*F8,0*80,0*90

18、;/數(shù)碼管0-9uint distance4; /測(cè)距接收緩沖區(qū)uchar ge,shi,bai,temp,flag,outeH,outeL,i; /自定義存放器bit succeed_flag; /測(cè)量成功標(biāo)志/*函數(shù)聲明void conversion(uint temp_data);void delay_20us();/void pai_*u();void main(void) / 主程序 uint distance_data,a,b; uchar CONT_1; CLK_DIV=0*03; /系統(tǒng)時(shí)鐘為1/8晶振pdf-45頁 P0M1 = 0; /將io口設(shè)置為推挽輸出 P1M1 =

19、0; P2M1 = 0; P0M0 = 0*FF; P1M0 = 0*FF; P2M0 = 0*FF; i=0; flag=0;test =0;Trig=0; /首先拉低脈沖輸入引腳TMOD=0*11; /定時(shí)器0，定時(shí)器1，16位工作方式TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器0 IT0=0; /由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷ET0=1; /翻開定時(shí)器0中斷 /ET1=1; /翻開定時(shí)器1中斷E*0=0; /關(guān)閉外部中斷EA=1; /翻開總中斷0while(1) /程序循環(huán) EA=0; Trig=1; delay_20us(); Trig=0; /產(chǎn)生一個(gè)20us的脈沖，在Trig引腳 while(Ech

20、o=0); /等待Echo回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測(cè)量成功標(biāo)志/*/外部中斷0，用做判斷回波電平INTO_() interrupt 0 / 外部中斷是0號(hào) outeH =TH1; /取出定時(shí)器的值 outeL =TL1; /取出定時(shí)器的值 succeed_flag=1; /至成功測(cè)量的標(biāo)志 E*0=0; /關(guān)閉外部中斷 /*/定時(shí)器0中斷,用做顯示timer0() interrupt 1 / 定時(shí)器0中斷是1號(hào) TH0=0*fd; /寫入定時(shí)器0初始值 TL0=0*77; switch(flag) case 0*00:P0=ge; P2=0*fd;flag+;br

21、eak; case 0*01:P0=shi;P2=0*fe;flag+;break; case 0*02:P0=bai;P2=0*fb;flag=0;break; /*/*/定時(shí)器1中斷,用做超聲波測(cè)距計(jì)時(shí)timer1() interrupt 3 / 定時(shí)器0中斷是1號(hào) TH1=0;TL1=0; */*/顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(yùn)算 shi_data=temp_dat

22、a/10 ; temp_data=temp_data%10; /取余運(yùn)算 ge_data=temp_data; bai_data=SEG7bai_data; shi_data=SEG7shi_data; ge_data =SEG7ge_data; EA=0; bai = bai_data; shi = shi_data; ge = ge_data ; EA=1; /*void delay_20us() uchar bt ; for(bt=0;btdistance1) t=distance0;distance0=distance1;distance1=t; /*交換值 if(distance0d

23、istance2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; /*交換值 if(distance1distance2) t=distance1;distance1=distance2;distance2=t; /*交換值 4 實(shí)物制作4.1電路板焊接及連線圖：電路板正面元件擺放圖：電路板反面連線圖：4.2實(shí)物調(diào)試效果圖4.3焊接電路板時(shí)所遇問題：對(duì)于焊槍的應(yīng)用不是特別嫻熟。連線時(shí)特別不舒服，可能是超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)比擬復(fù)雜的連線問題導(dǎo)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。元件擺設(shè)方面存在很大問題，直接導(dǎo)致焊接時(shí)特別吃力。實(shí)物測(cè)試時(shí)