超聲波回聲測距系統(tǒng)-單片機課程設(shè)計

等級:等級:湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計課程名稱單片機原理及應(yīng)用課題名稱超聲波測距系統(tǒng)專業(yè)電氣工程及其自動化班級電氣工程班學(xué)號姓名指導(dǎo)老師年月日湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱超聲波測距系統(tǒng)姓名專業(yè)電氣工程及其自動化班級電氣工程班學(xué)號指導(dǎo)老師課程設(shè)計時間年月日-年月日教研室意見意見：審核人：一、任務(wù)及要求（1）確定系統(tǒng)設(shè)計方案；（2）進行系統(tǒng)的硬件設(shè)計；（3）完成應(yīng)用程序設(shè)計；(4)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件的調(diào)試。二、進度安排第一周：周一：集中布置課程設(shè)計任務(wù)和相關(guān)事宜，查資料確定系統(tǒng)總體方案。周二～周三：完成硬件設(shè)計和電路連接周四～周日：完成軟件設(shè)計第二周：周一～周三：程序調(diào)試周四～周五：設(shè)計報告撰寫。周五進行答辯和設(shè)計結(jié)果檢查。三、參考資料1、王迎旭等.單片機原理及及應(yīng)用.2版.機械工業(yè)出版社，20122、胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù).3版.清華大學(xué)出版社，2010.3、戴燦金.51單片機及其C語言程序設(shè)計開發(fā)實例.清華大學(xué)出版社，2010目錄第1章 設(shè)計任務(wù)及要求 11. 設(shè)計要求 12. 超聲波測距原理 13. 整體設(shè)計 1第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計 2第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 31. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 32. 系統(tǒng)電路圖 31) 單片機 32) 接受電路 43) 發(fā)射電路 44) 數(shù)碼管顯示 43. 系統(tǒng)硬件實物圖 5第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 61. 系統(tǒng)軟件介紹 62. 軟件使用 61) 新建工程 62) 編輯工程和編譯 93) 燒錄程序 9第5章 系統(tǒng)調(diào)試與仿真 101. 硬件調(diào)試 102. 軟件調(diào)試 103. 整體調(diào)試 10總結(jié) 11附錄A52/AVR原理圖 12附錄B程序清單 13設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計要求運用超聲波的測距功能，利用單片機實現(xiàn)測距，要求測量的距離顯示在數(shù)碼管上，并將數(shù)據(jù)傳回串口。超聲波測距原理通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與雷達測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。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時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波本時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：①取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓(其幅值基本固定)與距離成正比，測量電壓即可測得距離；②測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，故被測距離為S=1／2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責(zé)計時，單片機使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。整體設(shè)計本設(shè)計采用以8052單片機為核心的低成本，高精度，微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個電路采用模塊化設(shè)計，由主程序，預(yù)置子程序，發(fā)射子程序，接受子程序和顯示子程序組成，各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)樂各個功能模塊。系統(tǒng)方案設(shè)計1．系統(tǒng)設(shè)計對于超聲波測距的系統(tǒng)，如下框圖2-1，包括主程序，預(yù)置子程序，發(fā)射子程序，接受子程序和顯示子程序組成，功能實現(xiàn)如圖所示。開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波發(fā)送超聲波定時器計時定時器計時超出范圍超出范圍 是 否接受超聲波接受超聲波計算計算結(jié)束結(jié)束圖2-1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計采用單片機8052為控制核心，實現(xiàn)超聲波測距儀的基本測量功能。超聲波硬件框圖如圖3-1所示單單片機接受電路接受電路數(shù)碼管顯數(shù)碼管顯示發(fā)射電路發(fā)射電路電電源按鍵控制按鍵控制圖3-1系統(tǒng)電路圖單片機圖3-2接受電路圖3-3發(fā)射電路圖3-4數(shù)碼管顯示圖3-5系統(tǒng)硬件實物圖STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。如圖3-6所示，為89c52硬件開發(fā)板事物電路圖，其中包括單片機芯片、LED指示燈、數(shù)碼顯示管、蜂鳴器、按鍵、輸入輸出接口、串行接口等。圖3-6系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件介紹keilKeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。軟件使用新建工程如圖4-1所示，先打開keilKeilC51軟件，點擊“project”新建一個工程。圖4-1新建工程后，需要建一個文件夾保存文件，如圖4-2所示。圖4-2新建文件夾保存文件后，選擇使用的單片機89c52，如圖4-3所示。圖4-3然后新建一個文件，保存后，將文件添加到“SourceGroup1”,如圖4-4所示。圖4-4接下來就可以編輯程序，如圖4-5所示。圖4-5編輯工程和編譯在進行前期的準(zhǔn)備工作后，就可以進行編輯工程，敲入代碼，完成對工程的編輯。按照模塊進行編輯，方便省事。在編輯主函數(shù)時，要申明子函數(shù)的調(diào)用，對各個子程序進行合理調(diào)用。工程編輯完成后，就可以對文件編譯運行，按照軟件提醒，對工程進行修改，逐一查找問題所在并進行修改，直至程序無警告如圖4-6所示。還要對程序進行反復(fù)查找，分別對主函數(shù)調(diào)用子程序以及函數(shù)間的邏輯進行核查。完成工程。圖4-6燒錄程序編輯完成程序后，就可以將程序經(jīng)STC燒錄到單片機中，如圖4-7所示。圖4-8系統(tǒng)調(diào)試與仿真在系統(tǒng)的調(diào)試過程中更應(yīng)該重視調(diào)試方法，這一點對于一個漏洞很多或者錯誤很隱蔽的系統(tǒng)尤其重要。不重視調(diào)試方法很有可能導(dǎo)致在出現(xiàn)問題的時候不知道從何處下手。調(diào)試過程最能考驗一個人對于整個系統(tǒng)的了解程度、知識的廣度、分析問題的能力與耐性。軟件的調(diào)試步驟與硬件的調(diào)試步驟是不同的，但所遵循的原則是一樣的，都是從整體到局部再到整體。具體說來，首先是從整體上把握這個系統(tǒng)，弄清楚系統(tǒng)各個模塊的實現(xiàn)細節(jié)以及模塊之間的聯(lián)系，找出容易出錯的地方和相應(yīng)測試點；然后對各個模塊進行獨立測試，觀察其工作情況，盡早排除模塊內(nèi)部的問題。最后將模塊連接起來進行整機調(diào)試，這時出現(xiàn)的問題大多是模塊之間的接口（如硬件中的負載效應(yīng)，軟件中的參數(shù)傳遞）不匹配或者是由于模塊的獨立性不高資源沖突造成的。硬件調(diào)試對于軟硬件互相結(jié)合的系統(tǒng)來說，要想實現(xiàn)系統(tǒng)功能，首先就要建立一個無錯的硬件系統(tǒng)。（1）在電氣部分設(shè)計過程中，盡可能將設(shè)計好的每一個電路模塊在面包板上進行電模擬，觀察其功能實現(xiàn)情況，測量關(guān)鍵點的電壓值，然后根據(jù)試驗結(jié)果適當(dāng)修改電路參數(shù)，使其達到期望的結(jié)果輸出。（2）調(diào)試超聲波發(fā)射傳感器有無信號輸出。先用示波器觀察單片機P1.0口是否輸出40KHz的方波信號，再觀察超聲波發(fā)射傳感器兩端的信號是否是40KHz的方波信號，并且觀察是否有失真。如果信號正常則表示發(fā)射電路良好。（3）接收電路的檢測。首先把接收傳感器和發(fā)射傳感器對接，用示波器觀察超聲波接收器兩端是否有方波，然后使它們之間有一定的距離，如果仍然可以接收到信號，則把超聲波接收傳感器安放在電路板上。測試線路連接正常后，再用示波器觀察接收傳感器兩端是否有信號。軟件調(diào)試編寫程序，進行語法檢查和邏輯檢查使其能夠通過編譯。在這個過程中，建議不要放過任何一個警告信息。找到一個切入點。對于本系統(tǒng)來說，為了能夠看到程序的運行情況，最好的方法就是首先加載顯示程序，這就是軟件加載的切入點。因為，做好顯示程序之后，我們就可以通過顯示器對程序運行情況進行監(jiān)控。然后將各個功能模塊按照邏輯關(guān)系順序逐個加載，加載一個測試一次?？梢酝ㄟ^添加賦值和顯示語句來觀察程序執(zhí)行情況。實驗證明，在一個簡單的人機接口程序的基礎(chǔ)上擴展的方法是一種很好的方法，尤其對于復(fù)雜的程序，這一點尤為重要。整體調(diào)試當(dāng)把靜態(tài)顯示程序的軟硬件調(diào)好之后，加入40KHz的方波信號定時中斷程序，編譯連接生成.hex文件后，用示波器測P1.0口的輸出波形，是否為所需要頻率的波形。直至P1.0有所需要的波形為止。接著把速度和距離計算程序以及其他子程序逐個調(diào)好之后，再把所有的程序與硬件電路進行聯(lián)調(diào)，直至沒問題為止。到此，整體調(diào)試完畢。總結(jié)超聲波方法作為非接觸測量，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。實驗證明，系統(tǒng)在空氣中測量范圍為超聲波能夠被反射回來，0-4米左右，測量時要求被測表面比較光滑平坦，確保并被探頭接收。在實驗中，對4-40cm范圍進行測量，經(jīng)誤差補償后最大誤差達2cm。線性度，穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較好。另外本系統(tǒng)采用了新型振動模式超聲波探頭、抗干擾電路、單片機系統(tǒng)以及合理軟件算法，使得本系統(tǒng)與其他儀器比較，具有一系列突出優(yōu)點：1.采用了國產(chǎn)的超聲波空氣傳感器作探頭，體積小，靈敏度高，安裝簡單，使用方便，轉(zhuǎn)換效率也比較高。2.發(fā)射探頭的頻率信號來自單片機系統(tǒng)，準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠，而且可以隨時通過軟件編程改變頻率，以驅(qū)動相應(yīng)發(fā)射探頭。3.接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后，通過放大和濾波電路，噪音干擾得到抑制，防止誤動作，提高了可靠性。4.采用了單片機，使系統(tǒng)體積小，重量輕，加強了靈活性和可靠性，修改調(diào)試定標(biāo)都方便。5.系統(tǒng)軟件中采用合理算法，提高了精度，可同時實現(xiàn)系統(tǒng)誤差修正。6.采用非接觸式測量方式，不影響被測表面，對比較光滑表面均可測量，應(yīng)用范圍廣。經(jīng)過在這幾個月畢業(yè)設(shè)計的學(xué)習(xí)和工作中，遇到了很多困難，導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和培養(yǎng)使我在各個方面都受益非淺，在分析問題、解決問題及獨立工作的能力有了很大的提高。在此期間，老師提出了很多有益的建議并給予我很大幫助。在本文的課題研究及寫作過程中，也給予了大力支持。附錄A52/AVR原理圖圖附-1圖附-2附錄B程序清單#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint sbitTx=P2^7; sbitEx=P3^2; uintflag; uchartimeH,timeL;voiddelay_ms(ucharz)//延時函數(shù){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=120;y>0;y--);}voiddigital(uintx)//顯示函數(shù){ uinta,b,c; ucharnum[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef}; a=x%10; b=(x/10)%10; c=x/100; { P0=num[a]; P1=0x01; delay_ms(3); P0=num[b]; P1=0x02; delay_ms(3); P0=num[c]; P1=0x04; delay_ms(3); }}voidmain()//主函數(shù){uintdistance,time;Tx=0;EA=1;TMOD=0x10;while(1){EA=0;Tx=1;delay_ms(1);Tx=0;while(Ex==0);flag=0;EA=1;EX0=1;TH1=0;TL1=0;TF1=0;TR1=1;delay_ms(20);TR1=0;EX0=0;if(flag==1)//距離計算{time=timeH*256