基于單片機的超聲波測距

.z---..--總結(jié)資料信息學(xué)院電子設(shè)計競賽輔導(dǎo)作業(yè)設(shè)計報告專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班級：092班設(shè)計題目：超聲波測距學(xué)生**：指導(dǎo)教師：葉林鵬完成日期：2012年月日-.z目錄TOC\o"1-2"\h\z\u一、設(shè)計任務(wù)和性能指標(biāo)21.1設(shè)計任務(wù)21.2性能指標(biāo)2二、設(shè)計方案3三、系統(tǒng)硬件設(shè)計43.1單片機最小系統(tǒng)43.2超聲波發(fā)射電路43.3超聲波檢測接收電路53.4.報警電路63.5顯示電路7四.系統(tǒng)軟件設(shè)計84.1主程序設(shè)計8五.調(diào)試及性能分析105.1調(diào)試步驟105.2性能分析10六.心得體會11參考文獻(xiàn)12附錄1系統(tǒng)硬件電路圖13附錄2程序清單14-.z一、設(shè)計任務(wù)和性能指標(biāo)1.1設(shè)計任務(wù)利用單片機及外圍接口電路(鍵盤接口和顯示接口電路)設(shè)計制作一個含有溫度補償?shù)某暡y距儀器，用LED把環(huán)境溫度和測距儀距被測物的距離顯示出來。要求用Protel畫出系統(tǒng)的電路原理圖〔要求以最少組件，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計所要求的功能〕，印刷電路板〔要求布局合理，線路清晰〕，繪出程序流程圖，并給出程序清單〔要求思路清晰，盡量簡潔，主程序和子程序分開，使程序有較強的可讀性〕。1.2性能指標(biāo)距離顯示：用三位LED數(shù)碼管進(jìn)展顯示〔單位是CM〕。環(huán)境溫度：用三位數(shù)碼管進(jìn)展顯示溫度〔絕對溫度〕。測距*圍：5CM到300CM之間。鍵位：復(fù)位鍵、便攜電源開關(guān)、USB供電開關(guān)，溫度顯示距離顯示。5.燒顯器的連接，電路的仿真玉檢測。-.z二、設(shè)計方案按照系統(tǒng)設(shè)計的功能的要求，初步確定設(shè)計系統(tǒng)由單片機主控模塊、電源模塊、顯示模塊、鍵掃描模塊、超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，溫度補償模塊共七個模塊組成。主控芯片使用51系列STC89C52單片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也是在單片機課程設(shè)計中經(jīng)常使用到的控制芯片。本設(shè)計在承受模塊采用了由索尼公司生產(chǎn)的C*2016A紅外接收芯片來實現(xiàn)超聲波的接收。C*2016A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。考慮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，可以利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。同時通過改變局部參數(shù)來改變承受電路的靈敏度和抗干擾能力，所以我們采用該芯片作為接收模塊主要組成局部。發(fā)射電路主要采用差分放大電路來實現(xiàn)的，由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，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的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端。之所以采用該方案是因為通過差分放大電路可以提高超聲波的發(fā)射強度，進(jìn)而增加了發(fā)送距離，最終擴大了設(shè)備的測量*圍。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2-1超聲波接收模塊超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊單片機控制系統(tǒng)〔AT89C52RC〕顯示模塊鍵盤模塊控制開關(guān)模塊圖2-1系統(tǒng)設(shè)計框圖圖2-1系統(tǒng)設(shè)計框圖-.z三、系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、溫度補償電路，超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路四局部。單片機采用AT89C52或其兼容系列。采用12MHz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P1.0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位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS273驅(qū)動，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動。3.1單片機最小系統(tǒng)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(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時／計數(shù)器TO和T1，4個8位的全雙工IO端P0，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(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(E~PROM)，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。該系列單片機所組成的最小系統(tǒng)如圖3-1所示。、圖3-1單片機最小系統(tǒng)原理圖圖3-1單片機最小系統(tǒng)原理圖3.2超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2-2所示。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，單片機P1.0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R1O、R11一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。如圖3-2。圖3-2超聲波發(fā)射電路原理圖圖3-2超聲波發(fā)射電路原理圖壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在構(gòu)造上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。3.3超聲波檢測接收電路集成電路C*20106A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。考慮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(如圖2-3)。實驗證明用C*20106A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(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。如圖3-3圖3-3超聲波接收電路原理圖圖3-3超聲波接收電路原理圖3.4報警電路報警電路主要由一個三極管和報警器組成，當(dāng)被測距離超過3米時，由于接收機未承受到信號，觸發(fā)報警電路。因為定時器控制3米所需要的時間，當(dāng)超過這個時間，報警器觸發(fā)。3.5顯示電路顯示電路主要由74ls273芯片驅(qū)動，用PNPC8550三級管進(jìn)展位選，七段共陽極數(shù)碼管顯示，硬件電路圖如圖3-5所示：圖3-5顯示電路原理圖圖3-5顯示電路原理圖-.z四.系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1主程序設(shè)計圖4-1主程序流程圖圖4-1主程序流程圖圖4-1程序流程圖主程序中包括報警子程序，計算子程序，顯示子程序，如圖4-1所示：圖4-1程序流程圖-.z在主程序設(shè)計中，我們采用了匯編編程。首先進(jìn)展系統(tǒng)初始化。其次利用循環(huán)產(chǎn)生4個40KHZ的方波，由輸出口進(jìn)展輸出，并開場計時。第三讀取外界環(huán)境的溫度，由該溫度確定環(huán)境中的超聲波傳輸速度。第四等待中斷，假設(shè)超聲波被接收探頭捕捉到，則通過中斷可測得超聲波在環(huán)境中的傳播時長。第五進(jìn)展計算，求得測距儀到被測物的距離。第六進(jìn)展距離顯示。，-.z-.z五.調(diào)試及性能分析5.1調(diào)試步驟我們的步驟是先焊接各個模塊，焊接完每個模塊以后，再進(jìn)展模塊的單獨測試，以確保在整個系統(tǒng)焊接完能正常的工作，首先焊接的是電源模塊，其中包括USB供電和電池供電兩種方式，電源模塊焊接完以后，進(jìn)展電源模塊的測試，當(dāng)插上USB以后電源指示燈并沒有亮，說明電源模塊有問題，后來發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓芯片發(fā)燙，得出一定是電源和地短了，接下來就開場檢查USB的地和電源是不是接反了，然后開場檢查PCB和電路圖，發(fā)現(xiàn)確實是封裝錯了，USB解決以后測試，發(fā)現(xiàn)電源指示燈還是沒有亮，不過7805還是發(fā)熱，經(jīng)檢查知道，7805的封裝也錯了，經(jīng)改裝電源模塊可以正常工作了，接下來是單片機最小系統(tǒng)的測試，焊接完以后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)沒有問題，程序可以正常下載，然后是超聲波發(fā)送模塊的焊接，焊接完以后，編寫一個專門的發(fā)射超聲波的程序，然后用示波器測試通過，在測試顯示程序的時候數(shù)碼管不能正常工作，不亮，后來發(fā)現(xiàn)是驅(qū)動芯片74LS273的CLK沒有和單片機的控制端連接上，不能將數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)碼管中，后來用跳線連接上了。接下來是軟件的調(diào)試過程，在軟件的調(diào)試過程中，遇到了很多的問題，每個問題也解決了。經(jīng)過3，4天的調(diào)試終于將程序調(diào)試通過了。5.2性能分析雖然結(jié)果和預(yù)想的有很大的差距，但總體來說已經(jīng)根本上到達(dá)了要求，理想上超聲波測距能到達(dá)5到7米左右，而我們所能實現(xiàn)的最大距離只有3米，造成這種原因我想有以下幾點：1.由于我們采用的是11.0592MHZ的晶振，理論上是按照12MHZ的晶振計算的，所以對系統(tǒng)造成了一定的誤差。2.由于溫度傳感器DS18B20距離單片機較近，所采集到的溫度嚴(yán)重受到單片機的影響，造成系統(tǒng)誤差。3.單片機接收端其中有個電阻是4.7歐姆的，由于種種原因沒有找到4.7歐姆的，就找了個5.5歐姆的代替，造成系統(tǒng)誤差。六.心得體會俗話說“好的開場是成功的一半〞。通過這次實習(xí)，我們學(xué)到了很多東西。在進(jìn)展課程設(shè)計時，我們應(yīng)該做到以下三點：首先，我認(rèn)為最重要的就是認(rèn)真的研究教師給的題目。其次，在教師講解的根底上認(rèn)真研究硬件電路的設(shè)計，和軟件流程的設(shè)計。最后，重點實現(xiàn)軟硬結(jié)合的綜合調(diào)試。

這次的實習(xí)，我們進(jìn)展了硬件電路圖設(shè)計，PCB板的設(shè)計，以及軟件的編程實現(xiàn)，軟硬件的綜合調(diào)試。最終一個完整的課程設(shè)計成果出來了，很快樂它能按著設(shè)計的思想與要求運作起來。當(dāng)然，這其中也有很多問題，第一、不夠細(xì)心。比方在PCB制作過程中沒有建立網(wǎng)絡(luò)報表導(dǎo)致了局部連線沒有倒入PCB板中，還有局部封裝出現(xiàn)了錯誤。第二，實踐環(huán)節(jié)上，這次課設(shè)是對我所學(xué)的理論課程的一次檢驗，對于這次綜合課程實習(xí)，使我們的動手能力得到提升，同時糾正我們對“系統(tǒng)〞這一概念以往的錯誤理解。就實現(xiàn)功能來說，設(shè)計結(jié)果能夠符合題意，成功完成了此次實習(xí)要求，我們不只在乎這一結(jié)果，更加在乎的，是這個過程。這個過程中，我們花費了大量的時間和精力，更重要的是，我們在學(xué)會創(chuàng)新的根底上，同時還懂得合作精神的重要性，學(xué)會了與他人合作。在已度過的大學(xué)時間里，我們大多數(shù)接觸的是理論課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力.如何把我們所學(xué)的專業(yè)根底課理論知識運用到實踐中去呢.我想做類似實習(xí)就為我們提供了良好的實踐平臺。同時這次實習(xí)給我們帶來前所未有的的啟發(fā)：首先，查閱資料的必要性。在做本次實習(xí)的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計資料了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，查閱這方面的設(shè)計資料是十分必要的，同時也是必不可少的。我們是在做單片機實習(xí)，但我們不是藝術(shù)家，他們可以拋開實際盡情在夢想的世界里翱翔，而我們一切都要有據(jù)可依，有理可尋，不切實際的設(shè)想永遠(yuǎn)只能是設(shè)想，永遠(yuǎn)無法升級為設(shè)計，我們能做的就是理論結(jié)合實際。

其次，在這次課程設(shè)計中，我們運用到了以前所學(xué)的專業(yè)課知識，如：模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去從未獨立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計的又一收獲。再次，在實習(xí)之前，我們要對所用單片機的內(nèi)部構(gòu)造有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機內(nèi)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次就將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改良是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，一個程序的完美與否不僅僅是實現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在實習(xí)過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題。但是從中學(xué)到的知識會讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力提高都會受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中最后，我們在這次實習(xí)中我們使用了分模塊焊接，分模塊測試的方法進(jìn)展硬件電路的焊接和測試，這是我們最珍貴的收獲，這樣做可以防止走很多彎路。使得調(diào)試也條理清楚。總體上說，這次實習(xí)中收獲很多，感觸也很多。-.z參考文獻(xiàn)[1]*維祥、*旭敏.單片微型機原理及應(yīng)用.**：**理工大學(xué)，1996[2]李光飛、樓然苗、胡佳文、謝象佐.單片機課程設(shè)計與實例指導(dǎo).：航空航天大學(xué)，2004[3]余永權(quán).89系列FLASH單片機原理及應(yīng)用.:電子工業(yè),2002[4]李群芳,黃建.單片機微型計算機與接口技術(shù).:電子工業(yè),2001[5]樓然苗、李光飛.51系列單片機設(shè)計實例.:航空航天大學(xué),2003[6]王守中51單片機開發(fā)入門與典型實例.：人民郵電，2009附錄1系統(tǒng)硬件電路圖附錄2程序清單-.zVOUTEQUP1.0TEMP1EQU36HTEP1EQU37HDQEQUP1.7FLAG1EQU38HORG0000HJMPSTARTORG0003HJMPPINT0;************主程序******************START:MOVP3,0FFHMOVP0,0FFHMOVP1,0FFHMOVP2,0FFHMOVTMOD,*01HMOVTH0,*00HMOVTL0,*00HCLRIE0SETBP*0SETBEASETBE*0CLRIT0MOVR4,*4SETBTR0k:CPLP1.0NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPDJNZR4,KJNBIE0,$LCALLTEMPLCALLGET_TEMPERLCALLCHANGELCALLWORKLCALLDISPLAY1LJMPSTARTPINT0:CLRTR0CLRE*0MOV30H,TL0MOV31H,TH0RETITEMP:SETBDQNOPCLRDQMOVR0,*0FBH;給延時程序賦初值TSR1:DJNZR0,TSR1;延時SETBDQMOVR0,*25H;給延時程序賦初值TSR2:JNBDQ,TSR3;S18B20是否存在，存在就跳轉(zhuǎn)到TSR3DJNZR0,TSR2;不存在等待TSR3:SETBFLAG1;置標(biāo)志位，說明DS18B20存在；CLRP2.0;二極管指示AJMPTSR5TSR4:CLRFLAG1LJMPTSR7TSR5:MOVR0,*06BHTSR6:DJNZR0,TSR6;延時TSR7:SETBDQ;說明不存在RET********讀轉(zhuǎn)換后的溫度值*********GET_TEMPER:SETBDQLCALLTEMPFLAG1,TSS2RET;假設(shè)不存在則返回TSS2:MOVA,*0CCH;跳過ROMLCALLWRITE_18B20MOVA,*44H;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令LCALLWRITE_18B20LCALLTEMPMOVA,*0CCH;跳過ROMLCALLWRITE_18B20MOVA,*0BEH;發(fā)出讀溫度換命令LCALLWRITE_18B20LCALLREAD2_18B20;讀兩個字節(jié)的溫度RET;*******寫ds18b20匯編程序*******WRITE_18B20:MOVR2,*8CLRCWR1:CLRDQMOVR3,*6DJNZR3,$RRCAMOVDQ,CMOVR3,*23DJNZR3,$SETBDQNOPDJNZR2,WR1SETBDQRET;**讀18B20程序，讀出兩個字節(jié)的溫度**READ2_18B20:MOVR4,*2;低位存在29H,高位存在28HMOVR1,*29HRE00:MOVR2,*8RE01:CLRCSETBCNOPNOP CLRDQNOPNOPNOPSETBDQMOVR3,*7DJNZR3,$MOVC,DQMOVR3,*23DJNZR3,$RRCADJNZR2,RE01MOVR1,ADECR1DJNZR4,RE00RET;****讀出的溫度進(jìn)展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換********CHANGE:MOVA,29H;MOVC,28H.0;將28H中的最低位移入CRRCAMOVC,28H.1RRCAMOVC,28H.2RRCAMOVC,28H.3RRCAMOV29H,ALCALLCONVERSERET;*************DISPLAY******CONVERSE:MOVA,29H;將29H中的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制MOVDPTR,*TABLEMOVCA,A+DPTRMOVTEMP1,ATABLE:DB165D,165D,165D,166D,166D,166D,167D,167D,167D,167DDB168D,168D,168D,169D,169D,169D,170D,170D,170D,171DDB171D,171D,172D,172D,172D,173D,173D,173D,174D,174DDB174D,174D,175D,175D,175DRET;*******計算子程序*********WORK:;MOVPSW,*18h;選擇3區(qū)R系列存放器MOVR3,31HMOVR2,30HMOVR1,*00DMOVR0,TEMP1LCALLMUL2BY2MOVR3,*27HMOVR2,*10HLCALLDIV4BY2LCALLHBCDRET*兩字節(jié)無符號數(shù)乘法程序*;R7R6R5R4<=R3R2*R1R0速度*時間/2MUL2BY2:CLRAMOVR7,AMOVR6,AMOVR5,AMOVR4,AMOV46H,*10HMULLOOP1:CLRCMOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVR7,AMOVA,R0RLCAMOVR0,AMOVA,R1RLCAMOVR1,AJNCMULLOOP2MOVA,R4ADDA,R2MOVR4,AMOVA,R5ADDCA,R3MOVR5,AMOVA,R6ADDCA,*00HMOVR6,AMOVA,R7ADDCA,*00HMOVR7,AMULLOOP2:DJNZ46H,MULLOOP1RET*四字節(jié)/兩字節(jié)無符號數(shù)除法程序*;R7R6R5R4/R3R2=R7R6R5R4(商)...R1R0(余數(shù))/10000DIV4BY2:MOV46H,*20HMOVR0,*00HMOVR1,*00HDIVLOOP1:MOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVR7,AMOVA,R0RLCAMOVR0,AMOVA,R1RLCAMOVR1,ACLRCMOVA,R0SUBBA,R2MOVB,AMOVA,R1SUBBA,R3JCDIVLOOP2MOVR0,BMOVR1,ADIVLOOP2:CPLCDJNZ46H,DIVLOOP1MOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVR7,ARET;*****************************;;十六進(jìn)制雙字節(jié)轉(zhuǎn)三字節(jié)十進(jìn)制;;*****************************;HBCD:MOVA,R5MOVR6,AMOVA,R4MOVR7,A