【基于單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計5800字（論文）】

14基于單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計摘要超聲波測量法是集成超聲波技術(shù)，光電技術(shù)為一體的非接觸式測量方法。該設(shè)計是使用單片機(jī)作為主要的控制器件。通過計算發(fā)射出的時間和接收到的時間之差，用于計算從而得出聲波與物體之間的距離大小。如果越過預(yù)設(shè)的距離時，蜂鳴器會發(fā)出警報。最后測量的數(shù)值將由數(shù)碼顯示管展現(xiàn)出來。本測量儀測量范圍一般是由0.2cm到500cm之間，測量精度達(dá)到毫米級別。關(guān)鍵詞：超聲波；測距系統(tǒng)；單片機(jī)；LED目錄緒論 .系統(tǒng)需求分析1.1功能分析在日常生活中，隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，以及計算機(jī)工業(yè)集成方面的快速進(jìn)步，人們比以往更需要智能化的集成設(shè)備，為了滿足人們?nèi)找娑嘣男枨螅援a(chǎn)生了很多傳統(tǒng)與現(xiàn)代化相結(jié)合的設(shè)備，用傳統(tǒng)的設(shè)備和高端的電子技術(shù)相結(jié)合造福人類，使人們生活更簡單，更便捷。其中超聲波測距在生活中具有很強(qiáng)的實(shí)用性，在人們無法實(shí)地到達(dá)的地方，或者在普通日常生活中的倒車安全警告。超聲波測距在日常生活中都起著非常重要的作用，所以本設(shè)計通過STC89C52芯片與超聲波收發(fā)裝置的聯(lián)立打造的超聲波測距系統(tǒng)。1.2電路總體方案如圖1-1所示，是電路總體的框圖[5]， 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路設(shè)計按鍵設(shè)置數(shù)碼管顯示屏蜂鳴器播報器超聲波收發(fā)裝置電源供電STC89C52按鍵設(shè)置數(shù)碼管顯示屏蜂鳴器播報器超聲波收發(fā)裝置電源供電STC89C52圖1-1系統(tǒng)設(shè)計總體框圖

其中的供電系統(tǒng)給芯片的最小系統(tǒng)通電，再之后由超聲波測距模塊發(fā)射機(jī)械超聲波，當(dāng)機(jī)械超聲波遇到阻礙時，該聲波便反彈并且使其反饋給超聲波測距模塊，STC89C52芯片接受來自超聲波測距模塊的信息并經(jīng)過處理后，將障礙與超聲波測距模塊的距離顯示在數(shù)碼管上。通過按鍵設(shè)置來設(shè)定安全距離，如果超聲波測距與障礙物的距離小于按鍵設(shè)置的值，就會觸發(fā)蜂鳴器警報。STC89C52芯片作為本實(shí)驗(yàn)的核心部分，它實(shí)現(xiàn)了對全局的掌控，打開電源后超聲波測距模塊開始工作[6]。在超聲波測距模塊工作的同時，單片機(jī)內(nèi)部啟動了定時器T0，當(dāng)超聲波接收裝置接受到反射回來的超聲波時，接收電路會產(chǎn)生一個負(fù)跳變。導(dǎo)致單片機(jī)收到一個外部中斷請求，單片機(jī)記錄下發(fā)射與接收的時間差，并且換算成距離，此時單片機(jī)自動執(zhí)行數(shù)碼管顯示的主程序，在數(shù)碼管上顯示距離。按鍵設(shè)置是通過對單片機(jī)的預(yù)設(shè)來控制安全距離，如果測量距離小于預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)就會觸蜂鳴器警報。超聲波測距模塊采用的是HY-SRF05超聲波傳感器，電源供電系統(tǒng)是采用5V的直流穩(wěn)壓電源供電。

2硬件系統(tǒng)電路設(shè)計2.1單片機(jī)的最小系統(tǒng)單片機(jī)主要由52型微芯片、復(fù)位電路、晶振電路構(gòu)成。如圖2-1所示。圖2-1最小系統(tǒng)該設(shè)計用的是52型微芯片，本身存在數(shù)字節(jié)的可擦除可編程只讀-閃存存儲器，是弱壓、耐用的微處理，其管腳多，運(yùn)轉(zhuǎn)速率快，經(jīng)濟(jì)，程序燒制快，存在串口即可燒制，可在線編輯，利用特殊的制造工藝，與51型的管腳與指令集是相似且優(yōu)于。如圖2-2所示。圖2-2STC89C52芯片2.2數(shù)碼管顯示電路及蜂鳴電路本設(shè)計不僅具有超聲波測距的功能還有警報功能，如果測得距離小于預(yù)設(shè)的安全距離，則會觸發(fā)蜂鳴警報器，而且還有按鍵模塊用于設(shè)置安全距離。2.2.數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路的顯示模塊是由4位一體的8段LED數(shù)碼管構(gòu)成，電壓值通過這該數(shù)碼管顯示出來。選用的是共陽極的數(shù)碼管，每個數(shù)碼管分別由a到g端構(gòu)成 ，用于顯示接收到ST89S52芯片的P1口所產(chǎn)生的段碼。S1，S2，S3，S4引腳端相連到相應(yīng)的選位端，用于接收單片機(jī)的P2口產(chǎn)生的位選碼。本系統(tǒng)以動態(tài)掃描為主要掃描方式。這個方式是根據(jù)是否用其接口電路，把各個數(shù)碼管相同端連接到一起，每一個公共端都與其的I/O輸出端相互對應(yīng)。字段端作為字型碼的輸出口作為輸出端，數(shù)碼管與相應(yīng)的字形碼一一對應(yīng)，COM端決定著哪個數(shù)碼管亮。COM端與單片機(jī)的I/O接口是相連接，由單片機(jī)的輸出連接到I/O端口上，控制什么時候點(diǎn)亮哪個數(shù)碼管。在點(diǎn)亮輪流數(shù)碼管時，由于人的視覺停留效應(yīng)，所以即使很短的顯示在人眼觀測起來也是一組連續(xù)穩(wěn)定的顯示。所以會選擇動態(tài)掃描，因?yàn)閯討B(tài)掃描即省電又在不管什么情況下只有一個數(shù)碼管在工作狀態(tài)，具體原理圖如圖2-3所示。圖2-3顯示電路2.2.2蜂鳴器警報裝置蜂鳴器是一種常見的電子結(jié)構(gòu)一體化的警報裝置，供電以直流電為主，主要運(yùn)用在生活中以及軍事用途，如手機(jī)，音響等都有蜂鳴器。蜂鳴器主要有壓電式和電磁式兩種基礎(chǔ)的形式。壓電式蜂鳴器：主要由多調(diào)振蕩器、阻抗適配器、和諧振蕩器構(gòu)成，多調(diào)振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。，在接通電源后，多諧振蕩器會起振，阻抗匹配器便推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。振蕩器通電后便開始起振，蜂鳴器從而開始發(fā)出警報。電磁式蜂鳴器：主要由電磁項圈，振蕩器，震動片等構(gòu)成。在給電磁式蜂鳴器通電后，其內(nèi)部有音頻信號通過，在其周圍形成磁場，從而穩(wěn)定且持續(xù)的發(fā)出警報。根據(jù)比較得出，電磁式的蜂鳴器警報更加穩(wěn)定和持久，且不易受到環(huán)境干擾，所以本設(shè)計采用的是電磁蜂鳴器來作為警報器。但是由于電磁式蜂鳴器所需的驅(qū)動電流過大，而本設(shè)計的芯片所輸出的電流不足以支撐其發(fā)聲，所以要給蜂鳴器上再加上一個PNP型的三極管，用來擴(kuò)大電流用來驅(qū)動蜂鳴器工作。原理圖如圖2.4所示。圖2-4蜂鳴器驅(qū)動電路2.3HC-RS04超聲波測距原理由于超聲波在真空中的傳播速度是恒定的，所以我們可以用超聲波收發(fā)的時間差來確定發(fā)射裝置與障礙物的距離，假設(shè)超聲波從發(fā)射到接收反彈回來的信號時間為t，同時超聲波的在室溫空氣中的傳播速度為c，從發(fā)射端到障礙物之間的距離為L，可用以下式子求出：L=CT/2[8]。其系統(tǒng)框圖如圖2-5所示?？刂贫〞r器障礙物體40K振蕩40K振蕩增益放大40K振蕩調(diào)制計時傳輸計算控制定時器障礙物體40K振蕩40K振蕩增益放大40K振蕩調(diào)制計時傳輸計算圖2-5超聲波測距模塊系統(tǒng)框圖基超聲波測距的基本過程：在啟動計時器t0的同時，超聲波發(fā)射裝置開始發(fā)射超聲波，經(jīng)過調(diào)制將超聲波調(diào)制為40k的振蕩波，振蕩波遇到障礙物便會反彈回來，反彈回來的過程中可能因?yàn)槠渌蛩厝鐪囟龋瑐鞑p耗的影響，需要在接收信號之前經(jīng)過增益放大的調(diào)節(jié)接收。在接收裝置接收到回波后，t0計時器立馬停止計時，并且將時間通過計算換算成距離傳輸給數(shù)碼顯示管顯示。02.4按鍵設(shè)置電路該裝置的作用是用來設(shè)置安全距離，如果測量距離小于安全距離則警報器就會發(fā)出警報。單片機(jī)上的鍵盤主要有兩種方式，獨(dú)立式和矩陣式[9]：獨(dú)立式的所以I/O口都會有一個與之獨(dú)立對應(yīng)的按鍵，按鍵的一端接VCC或GND（一般GND），所以這種方法簡單且穩(wěn)定，但是不適合用于太復(fù)雜的單片機(jī)按鍵需求，且完成一個按鍵電路往往需要占用的按鍵太多，使得使用過于復(fù)雜；而矩陣式接法程序相較復(fù)雜，但其I/O口與按鍵的配合更加靈活?？梢源蟠蟮暮喕僮靼存I的設(shè)置。本設(shè)計因?yàn)殡娐泛唵嗡圆捎酶菀撞僮鞯莫?dú)立式按鍵。獨(dú)立式按鍵是通過判定I/O口的高低電平來判定按鍵是否按下。常將按鍵的一端接GND，另一端接在輸出口上，為了保護(hù)電路在平時不使用時，I/O口常處于高電平的狀態(tài)，所以在開始狀態(tài)時候I/O口是高電平狀態(tài)。當(dāng)按壓下按鍵狀態(tài)的時候，與按鍵對應(yīng)的I/O口立馬跳變?yōu)榈碗娖剑渌腎/O口則保持原狀。按鍵被釋放后，電阻會使I/O口重新保持高電平。通過判斷I/O口的狀態(tài)我們可以判定按鍵的狀態(tài)。我們采用SW-PB這種常見的按鍵作為本設(shè)計的按鍵元件。 硬件電路如圖2-6所示：圖2-6按鍵電路圖2.5語音芯片電路語音芯片是對具體市場而推出的有PWM輸出的OTP語音芯片。其共有3個IO口，外圍端口只需一個104電容就能穩(wěn)定的工作，產(chǎn)品成本低。該語音芯片中內(nèi)置有電阻，無外圍元件，外圍電路只需一個104電容即可。通過單片機(jī)IO口來控制多段聲音，可任意調(diào)用和組合語音芯片。常用的控制方式是用3個IO。如圖2-7所示：語音語音芯片VREGPWM-2

PWM-1VCCBUSYGNDRSTDATA圖2-7語音芯片電路2.6系統(tǒng)原理圖主控電路系統(tǒng)是設(shè)備單片機(jī)STC89S52，它實(shí)現(xiàn)了對全局的掌控，打開開關(guān)后，將超聲波測距模塊插入相應(yīng)的槽位，系統(tǒng)將開始工作。超聲波測距模塊將收到的信息轉(zhuǎn)化為電信號發(fā)送到單片機(jī)中。按鍵裝置將設(shè)置的安全值發(fā)送到單片機(jī)中。單片機(jī)將收到的電信號發(fā)送到顯示屏上顯示數(shù)值，如果測量值小于按鍵的預(yù)設(shè)值，則蜂鳴器開始工作[10]。如圖2-8所示圖2-8系統(tǒng)原理圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計與測試 超聲波測距系統(tǒng)主要由超聲波測距程序，顯示程序，蜂鳴器警報程序等構(gòu)成3.1主程序 主程序的主要功能是超聲波測距，它是整個測距儀的核心，它將測距模塊與與顯示模塊，警報模塊聯(lián)立起來，達(dá)成一個整體。 主程序流程圖如圖3.1所示。開始初始化開始初始化延時中斷子程序定時中斷入口有、無回波？定時初始化發(fā)射超聲波是否發(fā)射完畢？停止發(fā)射關(guān)外部中斷讀取時間計算距離顯示距離是否超過設(shè)置值？報警是是是否否圖3-1主流程圖

3.2顯示數(shù)據(jù)子程序 顯示數(shù)據(jù)子程序的主要功能是把測到的值，經(jīng)單片機(jī)處理后顯示在數(shù)碼管上。 顯示數(shù)據(jù)子程序流程圖如圖3-2所示。賦碼型和位賦碼型和位開始結(jié)束3-2顯示數(shù)據(jù)子程序3.3按鍵子程序如圖3-3所示。按鍵子程序的主要功能是可以改變檢量的上下距離值，再次按功能鍵退出。開始按下按鍵設(shè)置按鍵開始按下按鍵設(shè)置按鍵按下按鍵結(jié)束NYYN3-3按鍵子程序系統(tǒng)程序的設(shè)計系統(tǒng)程序的設(shè)計3.4設(shè)計實(shí)驗(yàn)的方案本系統(tǒng)使用了KeilC51用于編譯C源代碼。KeilC51是由Kille軟件公司開發(fā)生產(chǎn)的。它結(jié)合了源程序編輯、編譯、仿真和調(diào)試，以支持匯編、C和其他語言。接下來，使用STCISP寫入系統(tǒng)軟件寫入程序。燒錄時，可以減少波特率，致力于數(shù)據(jù)燒錄的穩(wěn)定性和可靠性。程序在單芯片微計算機(jī)前燒錄[9]，使用模擬分析軟件proteus進(jìn)行程序的設(shè)計和模擬。由于加速度傳感器模塊不在軟件中，所以脈沖信號發(fā)生器用于模擬由該設(shè)計的傳感器傳送的數(shù)據(jù)，以檢查整個硬件電路在理論上是否正常工作。當(dāng)上述處理正確時，可以將代碼寫入單片機(jī)中，將連接線與計算機(jī)斷開，交換電源適配器，進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為了確保實(shí)驗(yàn)算法的正確性，先在實(shí)物上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)儀器置于光滑平面上固定，并且在可測范圍內(nèi)設(shè)置了障礙物。通過實(shí)驗(yàn)儀器的顯示與障礙物距離與實(shí)際測量的結(jié)果進(jìn)行了比對，實(shí)驗(yàn)了多次，得到了多組數(shù)據(jù)。如表3-1。表3-1次數(shù)實(shí)際距離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置安全距離是否警報誤差128cm27cm30cm是-1cm229cm29cm30cm是0cm330cm30cm30cm否0cm431cm31cm30cm否0cm532cm31cm30cm否-1cm633cm33cm30cm否0cm734cm34cm30cm否0cm通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際距離與測量距離之間存在著較小的誤差，實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了七組。其中第1和第5兩組中存在著小誤差。可以推斷出此次實(shí)驗(yàn)還是較為成功的，但是還存在著一些誤差，可能是因?yàn)槌暡ㄔ趥鞑ミ^程中會受到溫度等方面因素干擾?？梢圆扇囟妊a(bǔ)償?shù)确绞竭M(jìn)行改進(jìn)。結(jié)論24宿州學(xué)院緒論結(jié)論本設(shè)計是基于單片機(jī)ST89S52芯片設(shè)計的超聲波測距儀，通過測距模塊，數(shù)碼管顯示模塊，蜂鳴報警模塊的聯(lián)立組成了的主題程序，實(shí)現(xiàn)了超聲波測距功能以及安全距離警報功能。本設(shè)計的應(yīng)用范圍廣泛，且原理簡單成本較低。所以適用與各種日常生活與軍事需求，實(shí)現(xiàn)了智能化非接觸式的測距警報儀，是對傳感器與電子集成技術(shù)的一次完美的結(jié)合，這其中需要設(shè)計者掌握一定的數(shù)電知識和單片機(jī)與超聲波的聯(lián)立知識。本設(shè)計采用的是T0計時器，超聲波發(fā)射裝置開始發(fā)射超聲波時，T0計時器開始工作。當(dāng)超聲波遇到障礙物返回時，超聲波接收器接收到返回波的同時，會給T0計時器一個外部中斷，從而得到發(fā)射與接收超聲波的時間差。使用公式L=T/2(對超聲波的傳播速度V，本設(shè)計設(shè)置為340米/秒)，從而得到的L值，再將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)管線傳輸給數(shù)碼管，從而達(dá)到數(shù)碼管顯示的目的。還有按鍵來設(shè)置安全距離，如果測量值小于按鍵值，則蜂鳴器發(fā)出警報，從而達(dá)到預(yù)警的效果。但是實(shí)驗(yàn)也是存在著不完美的，有很多因素影響著測距結(jié)果，礙于能力有限，并未想到很好的解決方法，例如，不同的溫度下的超聲波在空氣的傳播速度不一定，還有環(huán)境噪音等都是影響超聲波測距的因素，所以本設(shè)計還是存在一定的誤差的。參考文獻(xiàn)附錄（B）