基于AT89S51單片機的超聲波測距系統(tǒng)

1、畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 設設 計計基于基于 at89s51 單片機的超聲波測距系統(tǒng)單片機的超聲波測距系統(tǒng)摘摘 要要超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優(yōu)點，所以，在利用傳感器技術和自動控制技術相結合的測距方案中，超聲波測距是目前應用最普遍的一種，它廣泛應用于防盜、倒車雷達、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現場。本課題詳細介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 atmel 公司的 at89s51 單片機的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎上，指出了設計測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以 at89s51 單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路

2、和軟件設計方法。該系統(tǒng)電路設計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、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。關鍵詞關鍵詞：超聲波 單片機 測距 at89s51abstractabstractultrasonic 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 co

3、ntrol technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies 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 cha

4、racteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer at89s51 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

5、and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking at89s51 as the core ,this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calcul

6、ating simple , apt to accomplish real-time control ,and can reach industrys practical demand in measuring the precision 。key words: ultrasonic wave; one-chip computer; range finding; at89s51目目 錄錄abstractabstract.1第第 1 1 章章 緒論緒論.31.11.1 課題背景，目的和意義課題背景，目的和意義.31.21.2 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng).31.31.3

7、課題主要內容課題主要內容.4第第 2 2 章章 超聲波測距原理概述超聲波測距原理概述.52.12.1 超聲波傳感器超聲波傳感器.62.1.1 超聲波發(fā)生器.62.1.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理.62.1.3 單片機超聲波測距系統(tǒng)構成.7第第 3 3 章章 設計方案設計方案.83.13.1 at89s51at89s51 單片機單片機.83.23.2 超聲波測距系統(tǒng)構成超聲波測距系統(tǒng)構成..1 超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系統(tǒng)..2 超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射、接收電路..3 顯示電路顯示電路..4 供電電

8、路供電電路..5 報警輸出電路報警輸出電路.15第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計.164.14.1 主程序設計主程序設計.164.34.3 超聲波測距程序流程圖超聲波測距程序流程圖.204.44.4 超聲波測距程子序流程圖超聲波測距程子序流程圖.21第第 5 5 章章 調試及性能分析調試及性能分析.215.15.1 調試步驟調試步驟.215.25.2 性能分析性能分析.22參考文獻參考文獻.22附錄一：基于附錄一：基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)電原理圖單片機超聲波測距系統(tǒng)電原理圖.24附錄二附錄二 基于基于 at89s51at89s51

9、 單片機超聲波測距系統(tǒng)單片機超聲波測距系統(tǒng) pcbpcb 圖圖.25附錄三附錄三 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)焊接組裝圖單片機超聲波測距系統(tǒng)焊接組裝圖.26附錄四附錄四 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)單片機超聲波測距系統(tǒng) c c 語言原程序語言原程序.27附錄五附錄五 元件清單元件清單.41第第 1 1 章章 緒論緒論 1.11.1 課題背景，目的和意義課題背景，目的和意義傳感器技術是現代信息技術的主要內容之一。信息技術包括計算機技術、通信技術和傳感器技術，計算機技術相當于人的大腦，通信相當于人的神經，而傳感器就相當于人的感官。比如

10、溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應用。利用單片機控制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，并且測量精度較高。超聲波測距系統(tǒng)主要應用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現實意義。對本課題的研究與設計，還能進一步提高自己的電路設計水平，深入對單片機的理解和應用。1.21.2 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機編程產生頻率為 40kh

11、z 的方波，經過發(fā)射驅動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經接收電路放大、整形，控制單片機中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖 2-1 所示。圖 1-1 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)框圖這種以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離，結果輸出給 led 顯示。利用單片機準確計時，測距精度高，而且單片機控制方便，計算簡單。許多超聲波測距系統(tǒng)都采

12、用這種設計方法。1.31.3 課題主要內容課題主要內容通過上節(jié)介紹我們知道，以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)設計簡單、方便，而且測精度能達到工業(yè)要求。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，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v，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器，利用定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射

13、的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，單片機檢測到這個負跳變信號后，停止內部計時器記時，讀取時間，計算距離,測量結果輸出給 led 顯示。利用本測距系統(tǒng)測量范圍應在 40cm699cm，其誤差 1cm。第第 2 2 章章 超聲波測距原理概述超聲波測距原理概述超聲波是由機械振動產生的,可在不同介質中以不同的速度傳播。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于

14、被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高;而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。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。超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限; 聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本測距

15、系統(tǒng)采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為: 檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時單片機開始計時，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。再由單機計算出距離，送 led 數 碼管顯示測量結果。超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對應值如表 2-1 ，根據計時器記錄的時間 t (見圖 2-1)，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離( s ) ，即: s = v t / 2 。表 2-1 聲速與溫度的關系溫度()30201

16、00102030100聲速(m/s)313319325323338344349386圖 2-1 超聲波測距時序圖2.12.1 超聲波傳感器超聲波傳感器.1 超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類: 一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等; 機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生

17、器原理壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應的原理，壓電效應有逆效應和順效應，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應的原理。所謂壓電逆效應如圖 2-2 所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應變。若在圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b 所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖 c 所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。圖 2-2 壓電逆效應圖.3 單片機超聲波測距系統(tǒng)構成單片機超聲波測距系

18、統(tǒng)構成單片機 at89s51 發(fā)出短暫的 40khz 信號，經放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產生鎖定信號啟動單片機中斷程序，讀出時間 t，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結果被送至 led 數碼管進行顯示。限制超聲波系統(tǒng)的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測距離。開始測量超聲波信號開定時器關定時器數據運算顯示器接收檢測電聲換能器電聲換能器驅動電路圖 2-3 超聲波測距系統(tǒng)框圖第第 3 3 章章 設計方案設計方

19、案按照系統(tǒng)設計的功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。單片機主控芯片使用 51 系列 at89s51 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計中經常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調試工作小較小。圖 3-1：系統(tǒng)設計框圖硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路、報警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機采用 at89s51，系統(tǒng)晶振采用 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 p2.7 端口

20、輸出超聲波換能器所需的 40khz 的方波信號，p3.5 端口監(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 數碼管，段碼輸出端口為單片機的 p2 口，位碼輸出端口分別為單片機的 p3.4、p3.2、p3.3 口,數碼管位驅運用 pnp 三極管 s9012 三極管驅動。3.13.1 at89s51at89s51 單片機單片機at89s51是美國atmel公司生產的低功耗，高性能cmos8位單片機，片內含4k bytes的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲器,器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊單片機控制系統(tǒng)（at89s51）顯

21、示模塊鍵盤模塊供電單元術生產，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲器既可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，atmel公司的功能強大，低價位at89s51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。主要性能參數：主要性能參數：與mcs-51產品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（isp）flash閃速存儲器1000次擦寫周期4.05.5v的工作電壓范圍全靜態(tài)工作模式：0hz33mhz三級程序加密鎖1288字節(jié)內部ram32個可編程io口線2個16位定時計數器6個中斷源全雙工串行uart通道低功耗空閑和掉電模式中斷可從空

22、閑模喚醒系統(tǒng)看門狗（wdt）及雙數據指針掉電標識和快速編程特性靈活的在系統(tǒng)編程（isp字節(jié)或頁寫模式）功能特性概述：功能特性概述：at89s51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)flash 閃速存儲器，128字節(jié)內部ram，32個io 口線，看門狗（wdt） ，兩個數據指針，兩個16 位定時計數器，一個5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，at89s51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，但允許ram，定時計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直

23、到下一個硬件復位。引腳功能說明vcc：電源電壓gnd：地p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i0口，也即地址數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動8個ttl邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在f1ash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。p1口：pl 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向io口，pl的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“l(fā)” ，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。

24、作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil） 。flash編程和程序校驗期間，pl接收低8位地址。端口引腳端口引腳 第二功能：第二功能：p1.5 mosi（用于isp編程）p1.6 miso（用于isp編程）p1.7 sck （用于isp編程）p2 口：p2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向io 口，p2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個ttl邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil） 。在訪問外部程序存儲器或16位

25、地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時，p2口送出高8位地址數據。在訪問8 位地址的外部數據存儲器（如執(zhí)行movxri 指令）時，p2 口線上的內容（也即特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中p2寄存器的內容） ，在整個訪問期間不改變。flash編程或校驗時，p2亦接收高位地址和其它控制信號。p3 口：p3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向i0 口。p3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個ttl邏輯門電路。對p3口寫入“l(fā)”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流（iil） 。p3口除了作為一般的i0口線外，更重要的用途是

26、它的第二功能，如下表所示：p3口還接收一些用于flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。at89s51 中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1 和xtal2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖5。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容cl、c2 接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路。對外接電容cl、c2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，推薦電容使用30pf10pf，而如使用陶瓷諧振器選擇40

27、pf10f。用戶也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖5右圖所示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到xtal1端，即內部時鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產品技術條件的要求。圖3-2為晶體接線圖和外接時鐘線路圖。石英晶體時：c1，c230pf10pf 外部時鐘驅動電路外部時鐘驅動電路陶瓷濾波器：c1，c240pf10pf圖3-2 內部振蕩電路 3.23.2 超聲波超聲波測距系統(tǒng)構成測距系統(tǒng)構成本系統(tǒng)由單片機 at89s51 控制，包括單片機系統(tǒng)、

28、發(fā)射電路與接收放大電路和顯示電路幾部分組成，如圖 3-1 所示。硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機采用 at89s51。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 p2.7 端口輸出超聲波換能器所需的 40khz 的方波信號，p3.5 端口監(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 數碼管，段碼輸出端口為單片機的 p2 口，位碼輸出端口分別為單片機的 p3.4、p3.2、p3.3 口,數碼管位驅運用 pnp 三極管 s9012 三極管驅動。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經

29、過接收電路處理后，向單片機 p3.5 輸入一個低電平脈沖。單片機控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內部計時器 t0 計時，當檢測到 p3.5 由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅⒓赐Ｖ箖炔坑嫊r器計時。單片機將測得的時間與聲速相乘再除以 2 即可得到測量值，最后經 3 位數碼管將測得的結果顯示出來。.1 超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系統(tǒng)主要由：at89s51 單片機、晶振、復位電路、電源濾波部份構成。由 k1，k2 組成測距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設定超聲波測距報警值。如圖3-3。圖 3-3：超聲波測距單片機系統(tǒng).2 超聲波發(fā)射、接收電路超

30、聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射如圖 3-4，接收電路如圖 3-5。超聲波發(fā)射電路由電阻 r1、三極管bg1、超聲波脈沖變壓器 b 及超聲波發(fā)送頭 t40 構成，超聲波脈沖變壓器，在這里的作用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩產端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測量距離。接收電路由 bg1、bg2 組成的兩組三級管放大電路構成；超聲波的檢波電路、比較整形電路由 c7、d1、d2 及 bg3 組成。40khz 的方波由 at89s51 單片機的 p2.7 輸出，經 bg1 推動超聲波脈沖變壓器，在脈沖變壓器次級形成 60vpp 的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上，驅動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。發(fā)送出的超聲波

31、，遇到障礙物后，產生回波，反射回來的回波由超聲波接收頭接收到。由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形幅值較低，經接收電路放大，整形，最后輸出一負跳變，輸入單片機的 p3 腳。圖 3-4：超聲波測距發(fā)送單元該測距電路的 40khz 方波信號由單片機 at89s51 的 p2.7 發(fā)出。方波的周期為1/40ms，即 25s，半周期為 12.5s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產生 40khz 方波。由于單片機系統(tǒng)的晶振為 12m 晶振，因而單片機的時間分辨率是1s，所以只能產生半周期為 12s 或 13s 的方波信號，頻率分別為 41.67khz 和38.46khz。本系統(tǒng)在編

32、程時選用了后者，讓單片機產生約 38.46khz 的方波。圖圖 3-53-5：超聲波測距接收單元：超聲波測距接收單元由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收電路需要將其進行放大。接收電路如圖 3-5 所示。接收到的信號加到 bg1、bg2 組成的兩級放大器上進行放大。每級放大器的放大倍數為 70 倍。放大的信號通過檢波電路得到解調后的信號，即把多個脈沖波解調成多個大脈沖波。這里使用的是 i n 4148 檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結構簡單，性能較好，制作難度小。.3 顯示電路顯示電路本系統(tǒng)采用三位一體 l e d 數碼管顯示所測距離值，如圖

33、3-6。數碼管采用動態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機的 p2 口，位碼輸出端口分別為單片機的p3.4、p3.2、p3.3 口,數碼管位驅運用 pnp 三極管 s9012 三極管驅動。圖圖3-63-6：顯示單元圖：顯示單元圖.4 供電電路供電電路本測距系統(tǒng)由于采用的是 led 數碼管用為顯示方式，正常工作時，系統(tǒng)工作電流約為 30-45ma，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計的可靠正常工作，系統(tǒng)的供電方式主要交流 ac6-9 伏，同時為調試系統(tǒng)方便，供電方式考慮了第二種方式，即由 usb 口供電，調試時直接由電腦 usb 口供電。6 伏交流是經過整流二極管 d1-d4 整流成脈動直流后，經慮波電容c

34、1 慮波后形成直流電，為保證單片機系統(tǒng)的可電，供電路中由 5 伏的三端稱壓集成電路進行穩(wěn)壓后輸出 5 伏的真流電供整個系統(tǒng)用電，為進一步提高電源質量，5 伏的直流電再次經過 c3、c4 濾波。圖圖3-73-7：供電單元電路圖：供電單元電路圖.5 報警輸出電路報警輸出電路為提高測測距系統(tǒng)的實用性，本測距系統(tǒng)的報警輸出提供開關量信號及聲響信號兩種方式。方式一：報警信號由單片機 p3.1 端口輸出，繼電器輸出，可驅動較大的負載，電路由電阻 r6、三極管 bg9、繼電器 jdq 組成，當測量值低于事先設定的報警值時，繼電器吸合，測量值高于設定的報警值時，繼電器斷開。方式二：報警信號由單

35、片機 p0.2 口輸出，提供聲響報警信號，電路由電阻 r7、三極管 bg8、蜂鳴器 by 組成，當測量值低于事先設定的報警值時，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴.”報警聲響信號，測量值高于設定的報警值時，停止發(fā)出報警聲響。報警輸出電路如圖 3-8。圖3-8 報警輸出電路第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計4.14.1 主程序設計主程序設計超聲波測距的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波測距的程序既有較復雜的計算（計算距離時） ，又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時） ，所以控制程序可采用 c 語言編程。 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設定時器 0 為

36、計數，設定時器 1 定時。置位總中斷允許位 ea。進行程序主程序后，進行定時測距判斷，當測距標志位 ec=1 時，測量一次，程序設計中，超聲波測距頻度是 4-5 次/秒。測距間隔中，整個程序主要進行循環(huán)顯示測量結果。當調用超聲波測距子程序后，首先由單片機產生 4 個頻率為38.46khz 超聲波脈沖，加載的超聲波發(fā)送頭上。超聲波頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟動內部計時器 t0 進行計時，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時，單片機需要延時約 1.5 -2ms 時間（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因，稱之為盲區(qū)值）后，才啟動對單片機 p3.5 腳的電平判斷程序。

37、當檢測到 p3.5 腳的電平由高轉為低電平時，立即停止 t0 計時。由于采用單片機采用的是12 mhz 的晶振，計時器每計一個數就是 1s，當超聲波測距子程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器 t0 中的數（即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離。設計時取 15時的聲速為 340 m/s 則有： d=(ct)/2=172t0/10000cm 其中，t0 為計數器 t0 的計算值。 測出距離后結果將以十進制 bcd 碼方式送往 led 顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。 4.2 超聲波測距子程序 void wdzh()tr0=0;th1=0 x00

38、;tl1=0 x00;csbint=1;sx=0;delay(1700);csbfs();csbout=1;tr1=1;i=yzsj;while(i-)i=0;while(csbint)/判斷接收回路是否收到超聲波的回波i+;if(i=3300)csbint=0;tr1=0;s=th1;s=s*256+tl1;tr0=1;csbint=1;jsz=s*csbc;/計算測量結果jsz=jsz/2; 產生超聲波的子程序：為了方便程序移置及準確產生超聲波信號，本測距的超聲波產生程序是用匯編語言編寫的進退聲波產生程序。產生的超聲波個數為ucsbfs segment coderseg ucsbfspub

39、lic csbfscsbfs:mov r6,#8h ;超聲波發(fā)射的完整波形個數：共計四個 here:cpl p2.7 ;輸出 40khz 方波 nop nop nop nop nop nop nop nop nop djnz r6,here retend4.34.3 超聲波測距程序流程圖超聲波測距程序流程圖 yyn=n0=0=1開始初始化測量標志啟動定時器超聲波測距距離上限值距離盲區(qū)值=顯示值= c c c顯示值= - - -測量段碼轉換顯示設定段碼轉換距離報警值=報警輸出=n4.44.4 超聲波測距程子序流程圖超聲波測距程子序流程圖第第 5 5 章章 調試及性能分析調試及性能分析5.15.1

40、 調試步驟調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，再進行模塊的單獨測試，以確保在整個系統(tǒng)焊接完能正常的工作，原件安裝完畢后，將寫好程序的at89s51y標志=1?發(fā)送超聲波延時避開盲區(qū)收到回波否？預設時間？啟動計時器 t0停止計時計算測量值超聲波測距結束nnyyn機裝到測距板上，通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復移動，看數碼管的顯示結果會不會變化，在測量范圍內能否正常顯示。如果一直顯示“- - -” ，則需將下限值增大。本測距板 1s 測量 4-5 次，超聲波發(fā)送功率較大時，測量距離遠，則相應的下限值（盲區(qū)）應設置為高值。試驗板中的聲速沒有進行溫度補償，聲速值為 340m/s

41、，該值為 15時的超聲波值。5.25.2 性能分析性能分析從實物測試的總體來說本測距板基本上達到了要求，理想上超聲波測距能達到 500到 700 厘左右，而我們所能實現的最大距離只有 699 厘，測量結果受環(huán)境溫度影響。分析原因如下：1. 超聲波發(fā)射部份由電阻 r1、三極管 bg1、超聲波脈沖變壓器 b 及超聲波發(fā)送頭t40 構成，以提高超聲波的發(fā)射功率，從面提高測量距離。這種方式，加大的超聲波了送頭的余振時間，造成超聲波測距盲區(qū)值較大（本系統(tǒng)盲區(qū)值為 40 厘米） 。2.本測距板沒有設計溫度補償對測量結果進行修正。但在硬件的 pcb 上預留的位置。參考文獻參考文獻1趙建領 薛園園 51單片機

42、開發(fā)與應用技術詳解 北京:電子工業(yè)出版社,20092 沈紅衛(wèi). 基于單片機智能系統(tǒng)設計與實現. 北京:電子工業(yè)出版社,20053 楊國田 白 焰 董 玲 51單片機實用c語言程序設計 中國電力出版社 20094 李群芳,黃建. 單片機微型計算機與接口技術. 北京:電子工業(yè)出版社,20015 樓然苗、李光飛. 51系列單片機設計實例. 北京:北京航空航天大學出版社,20036 王守中 51單片機開發(fā)入門與典型實例. 北京：人民郵電出版社，2009首先感謝我的導師老師，老師淵博的專業(yè)知識、嚴謹的治學態(tài)度、精益求精的工作作風、平易近人的人格魅力對我影響深遠；在老師的耐心指導、幫助下，我才能順利完成畢

43、業(yè)設計。老師指導了我的設計的結構、思路、同時提供了一些專業(yè)知識的幫助,從電路的設計到調試整個過程中，我都從老師那里學會了很多專業(yè)方面的知識。還要感謝老師，在我的畢業(yè)設計中給單片機燒錄程序，為我提供單片機編程器以及對我的細心指導，衷心感謝他們。感謝在畢設中幫助過我的所有同學和師兄師姐們。最后感謝我的家人、朋友對我的支持。附錄一：基于附錄一：基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)電原理圖單片機超聲波測距系統(tǒng)電原理圖 附錄二附錄二 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)單片機超聲波測距系統(tǒng) pcbpcb 圖圖附錄三附錄三 基于基于 at89s51at89s51

44、 單片機超聲波測距系統(tǒng)焊接組裝圖單片機超聲波測距系統(tǒng)焊接組裝圖附錄四附錄四 基于基于 at89s51at89s51 單片機超聲波測距系統(tǒng)單片機超聲波測距系統(tǒng) c c 語言原程序語言原程序/ at89s51超聲波測距系統(tǒng) / 賈 源 / 2011年4月 / qq：1211716 / http:/ / / 晶振：12m / 系統(tǒng)盲區(qū)值：40厘米 / 測量上限：699厘米 /#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define k1 p3_7 /k1功能鍵#define k2 p3_6 /k2數值調

45、整鍵#define bjh p3_1 /定值輸出#define sx p0_2 /報警值輸出（聲音）#define csbout p2_7 /超聲波發(fā)送#define csbint p3_5 /超聲波接收uchar ec,cls;cs;xl,mq,xm0,xm1,xm2,sec20,sec,sec1,buffer3,bitcounter,temp,number8=1,2,3,4,5,6,7,8; uchar temp1,convert10=0 x81,0 xed,0 xa2,0 xa8,0 xcc,0 x98,0 x90,0 xad,0 x80,0 x88;/09段碼uint zzz,dz,z

46、zbl,i,jsz,yzsj,kk,s,ss;static uchar bdata ke,kw; /可位尋址的狀態(tài)寄存器float csbc,wdz;sbit led1 = p34;/數碼管位驅動sbit led2 = p32;/數碼管位驅動sbit led3 = p33;/數碼管位驅動sbit k11=ke0;sbit k12=ke1;sbit k22=ke2;sbit k21=ke3;sbit b=ke4;sbit c=ke5;sbit d=ke6;sbit e=ke7;sbit w=kw0;sbit zj1=kw1;sbit zj2=kw2;void delay(i);/延時函數void

47、 scanled();/顯示函數void timetobuffer();/顯示轉換函數void time();void jpcl();void jy();void wdzh();void bgcl();void jpzcx();void mqjs();void csbfs();void csbsc();void clcs();void offmsd();void main()ea=1; /開中斷 tmod=0 x11; /設定時器0為計數，設定時器1定時et0=1; /定時器0中斷允許 th0=0 xd8;tl0=0 xf0;/設定時值為20000us（20ms）tr0=1;csbout=1;

48、d=0;tr1=0; temp1=15;zzz=699;mq=40; dz=100;cls=5;xl=temp1; csbsc();mqjs(); /盲區(qū)設定k12=1;k1=1;k2=1;k22=1;bjh=1;d=1;sx=0;clcs(); /測量次數while(1)if (ec=1) ec=0;wdzh(); /調用超聲波測量bgcl(); /調用報警處理程序timetobuffer();/調用轉換段碼功能模塊offmsd(); /調用顯示轉換程序 scanled(); /調用顯示函數if(jszzzz)buffer0=0 x93;buffer1=0 x93;buffer2=0 x93

49、;else if (jsz=cs) / 50 * 10 ms = 0.5 s sec20=0;ec+;e=e; if (ec3) ec=0; sec1+;if (sec1100) sec1=0; sec+; /秒計時 if (sec=3) sec=0; void jpcl() /按鍵處理程序k11=k1;if (!k12&k11) b=1;k12=k11;k11=k1;k21=k2;if (b=1) sx=0;while(b)buffer0=0 x84;buffer1=0 x84;buffer2=0 x84;sec=0;c=0;while(!c)if (sec=2)c=1;scanled();c=0;zzbl=jsz;jsz=dz;timetobuffer();jp