單片機(jī)課程設(shè)計報告超聲波測距

1、1 緒論 超聲測距是一種利用單片機(jī)控制超聲波的輪流發(fā)射，并且通過單片機(jī)記錄和讀取發(fā)射超聲波和接收回波的時間差，進(jìn)而計算出測量的距離。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物理定位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達(dá)到很高的要求。 目前超聲波測距已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測距原理設(shè)計各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機(jī)為核心的測距儀器可以實現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作

2、穩(wěn)定可靠。本文主要論述了利用5l系列單片機(jī)實現(xiàn)超聲波測距的原理以及實現(xiàn)的方法。該智能距離提示器主要是利用超聲波探測傳感器發(fā)送超聲波來測試相對應(yīng)的距離。工作時，超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機(jī)提供一個短脈沖。超聲波遇障礙物反射回來一個反射波，這個反射波被超聲波接收器收到，也向單片機(jī)提供一個短脈沖。最后由單片機(jī)裝置對接受信號依據(jù)時間差進(jìn)行處理，自動計算出該智能距離提示器離障礙物之間的距離。該超聲波智能距離提示器具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小、方便等特點。因此它不僅可以單單用作距離測量，還可以放在其它檢測系統(tǒng)中。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。這

3、是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。超聲波測距是一種極有潛力的測距方法，近距范圍內(nèi)超聲測距有其不受光線影響，結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特點。超聲波測量的另一個突出優(yōu)點是：環(huán)境介質(zhì)可以為空氣，液體或固體，適用范圍廣泛。更重要的是超聲波檢測降低了勞動強(qiáng)度，避免工人在惡劣工作環(huán)境下（高，低溫，強(qiáng)輻射等）受到傷害，還大大提高了測量精度，可靠性高；另外，超聲波測距還可以應(yīng)用到其他的功能系統(tǒng)中，例如在機(jī)器人避障系統(tǒng)；移動機(jī)器人避障的超聲測距系統(tǒng)，智能機(jī)器人管家和簡易智能電動車自動避障系統(tǒng)；自動剎車系統(tǒng)和倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，液位測量系統(tǒng)中超聲波測距也有其重要的應(yīng)用。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判

4、斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在以后的生活中，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。2 設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)及所需設(shè)備2.1課程設(shè)計主要內(nèi)容 利用所學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)、信號處理、控制等技術(shù)，設(shè)計、制作并調(diào)試完成一個單片機(jī)最小系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，將最小系統(tǒng)與綜合實驗開發(fā)平臺上的超聲波模塊、顯示模塊進(jìn)行正確的連接（如圖2.1所示），使單片機(jī)可接收超聲波模塊與障礙物的距離（單位：mm）。圖2.1 系統(tǒng)連接示意圖具體內(nèi)容如下：設(shè)計最小化單片機(jī)系統(tǒng)；裝焊、調(diào)試最小化單片機(jī)系統(tǒng)；設(shè)計并編程，以構(gòu)成超聲波測距信號發(fā)生回路；設(shè)計并編程，完成超聲波信號處理，以實現(xiàn)測距功能；設(shè)計并編程，以實現(xiàn)超聲波測距

5、結(jié)果顯示；設(shè)計并編程，以實現(xiàn)超聲波測距報警功能；設(shè)計并完成系統(tǒng)啟動/復(fù)位功能。2.2 主要技術(shù)指標(biāo)、要求 實驗開發(fā)平臺上的數(shù)碼管可實時顯示障礙物與超聲波模塊的距離信息，采用四位數(shù)碼管顯示，單位為mm（如顯示0208即表示282mm）。 當(dāng)測距距離小于200mm開始以方式一報警，當(dāng)測距距離繼續(xù)減小到100mm以下時以方式二報警，且以上兩種方式的報警方式自行設(shè)計，但是需有明顯區(qū)別（可采用蜂鳴器的蜂鳴時間長短加以區(qū)別，或在現(xiàn)實模塊上顯示不同的報警信息）。 系統(tǒng)應(yīng)具備測距啟動功能，或當(dāng)系統(tǒng)報警后，可以復(fù)位系統(tǒng)，使其開始重新測距。2.3 所需設(shè)備與器材（1） 最小系統(tǒng)（單片機(jī)stc89c52）（2）超聲

6、波模塊（3）顯示模塊（4）連接線3 硬件設(shè)計方案3.1設(shè)計系統(tǒng)原理框圖及介紹圖3.1 超聲波測距儀原理框圖 上圖3.1所示，stc89c52rc單片機(jī)與顯示模塊相連，發(fā)送脈沖信號，通過超聲波發(fā)射模塊發(fā)送信號，遇到障礙物后返回，超聲波接受器收到返回信號,根據(jù)計時器記錄的時間，計算出距離在數(shù)碼顯示中顯示出來具體的數(shù)字。3.2超聲波測距的電路設(shè)計 如下圖3.2所示，超聲波測速的最小系統(tǒng)圖表明了，顯示模塊的位碼分別連接stc89c52rc的p0端（p2.4p2.7)，段碼則分別連stc89c52rc的p2端（p0.0p0.7）。超聲波模塊中的輸入信號端口連接單片機(jī)的p3.3管腳，其輸出信號端口連接單片

7、機(jī)的p3.2管腳。報警電路連接單片機(jī)的p1.4和p1.5管腳。圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.3單片機(jī)stc89c52rc的引腳功能 下圖3.3為單片機(jī)stc89c52的引腳圖：圖3.3 stc89c52引腳圖1.電源引腳vcc 40腳 正電源腳，工作電壓為5v。gnd 20腳 接地端。2.時鐘電路引腳xtal1和xtal2。為了產(chǎn)生時鐘信號，在8052內(nèi)部設(shè)置了一個反向放大器，xtal1是片內(nèi)振蕩器反向放大器的輸入端，xtal2是片內(nèi)振蕩器反向放大器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。當(dāng)使用自激震蕩方式時，xtal1和xtal2外接石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩，就產(chǎn)生時鐘信號

8、。產(chǎn)生時鐘信號的電路圖如圖3.4所示，本系統(tǒng)使用的石英晶振為11.0592mhz。 圖3.4 時鐘信號電路3.復(fù)位 rst 9腳。在振蕩器運行時，有兩個機(jī)器周期（24振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個腳保持高電平，52芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后p0p3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器sfr全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為rom的0000h處開始運行程序。4.輸入輸出（i/o）引腳 pin39pin32為p0.0p0.7輸入輸出腳，稱為p0口，是一個8位漏極開路型雙向i/o口。內(nèi)部不帶上拉電阻，當(dāng)外接上拉電阻，p0口能以吸收電流的方式驅(qū)動

9、八個lsttl負(fù)載電路。通常在使用時外接上拉電阻，用來驅(qū)動多個數(shù)碼管。在訪問外部程序和外部電路存儲器時，p0口是分時轉(zhuǎn)換的地址（低8位）、數(shù)據(jù)總線，不需要外接上拉電阻。pin1pin8為p1.0p1.7輸入輸出腳，稱為p1口，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口。p1口能驅(qū)動4個lsttl負(fù)載。通常在使用時外不需要外接上拉電阻，就可以直接驅(qū)動發(fā)光二極管。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對于輸出功能，在單片機(jī)工作時，我們可以通過用指令控制單片機(jī)的引腳輸出高電平或者低電平。如，指令clr，清零的意思。 clr p1.0 ；讓單片機(jī)從第一腳輸出低電平。指令 setb，置1 的意

10、思。 setb p1.0 ；讓單片機(jī)從第一個腳輸出高電平。 pin21pin28 為p2.0p2.7 輸入輸出腳，稱為p2 口，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 口能驅(qū)動4 個lsttl 負(fù)載。端口置1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內(nèi)部flash 程序存儲器編程時，接收高8 位地址和控制信息。在訪問外部程序和16 位外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2 口送出高8 位地址。而在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。 pin10pin17 為p3.0p3.7 輸入輸出腳，稱為p3 口，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 口能驅(qū)動4 個l

11、sttl 負(fù)載，這8 個引腳還用于專門的第二功能。端口置1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內(nèi)部flash 程序存儲器編程時，接控制信息。 p13 端口在做輸入使用時，因內(nèi)部有上接電阻，被外部拉低的引腳會輸出一定的電流。除此之外p3 端口還用于一些專門功能，如下表3.1所示。表3.1 p3口專門功能p3 引腳兼用功能p3.0串行通訊輸入（rxd)p3.1串行通訊輸出（txd）p3.2外部中斷0（ int0）p3.3外部中斷1（int1）p3.4定時器0 輸入(t0)p3.5定時器1 輸入(t1)p3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通wrp3.7外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通rd5.其它的控制或復(fù)用引

12、腳(1) ale/prog 30 訪問外部存儲器時，ale（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(此頻率是振蕩器頻率的1/6)。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，出現(xiàn)一個ale 脈沖。對flash 存儲器編程時，這個引腳用于輸入編程脈沖prog。(2) psen 29 該引是外部程序存儲器的選通信號輸出端。當(dāng)at89c51 由外部程序存儲器取指令或常數(shù)時，每個機(jī)器周期輸出2 個脈沖即兩次有效。但訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不會有脈沖輸出。(3) ea/vpp 31 外部訪問允許端。當(dāng)該引腳訪問外部程序存儲器時，應(yīng)輸入低電平。要使at89s51

13、 只訪問外部程序存儲器（地址為0000h-ffffh）,這時該引腳必須保持低電平。對flash 存儲器編程時，用于施加vpp 編程電壓。3.4超聲波模塊 超聲波模塊包括發(fā)射模塊和接收模塊。從in 腳輸入40kh 的方波信號，可從單片機(jī)的io 口連續(xù)發(fā)出高低電平，產(chǎn)生方波，方波的個數(shù)一般為10 個左右，發(fā)出后用戶啟動定時器，開始計時，此時，超聲波發(fā)射頭開始發(fā)出超聲波，當(dāng)發(fā)出的超聲波被前方的障礙物返射回來，返射回來的超聲波被接收探頭接收到，此時，模塊的out 引腳會產(chǎn)生一個從高電平到低電平的跳變，此時要停止計時，通過計時的時間，根據(jù)以下公式計算測量距離： 測量距離 = ( 時間 * 聲速 ( 34

14、0m/s ) ) / 2 （3.1） 超聲波模塊測得的是被測物體與探頭之間的垂直距離，測量時要保持探頭正對被測物體。 超聲波測量會受環(huán)境風(fēng)速、溫度等的影響。由于超聲波有測量盲區(qū)的固有特性，當(dāng)測量位置發(fā)生變化而接收到的數(shù)據(jù)不變時，說明進(jìn)入了測量盲區(qū)。3.4.1發(fā)射模塊超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器tct4016t能向外界發(fā)出40 khz左右的方波脈沖信號.編程由單片機(jī)p1.2端口輸出40 khz左右的方波脈沖信號，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 khz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74hc04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器

15、tct4016t以聲波形式發(fā)射到空氣中。圖3.6 超聲波發(fā)射電路3.4.2接收模塊上述tct4016t發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器tct4016r進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，得到一個負(fù)脈沖送給單片機(jī)的p3.2(int0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。圖3.7 超聲波接收電路3.5 顯示模塊 顯示模塊采用了8位led數(shù)碼管，設(shè)計采用共陽極數(shù)碼管來實現(xiàn)數(shù)碼管的0-9的顯示，接口電路是把所有顯示模塊的8個筆畫段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共及是各自獨立的受io線控制。向字段輸出口送出字形碼

16、時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于位碼段。圖3.8 數(shù)碼顯示管模塊 圖3.8所示為四位數(shù)碼管顯示模塊，其中a,b,c,d,e,f,g,dp分別與單片機(jī)的p0.0-p0.7管腳相連。1，2，3，4 這四個管腳分別與單片機(jī)的p2.4p2.7相連。4 軟件設(shè)計方案 軟件主要分為主程序和外部中斷程序。主程序完成初始化工作，超聲波發(fā)射和接收控制。外部中斷程序進(jìn)行時間值的讀取，距離的計算，當(dāng)距離大于200mm時，報警燈不亮；當(dāng)距離小于200mm大于100mm時進(jìn)行報警，一盞燈亮；當(dāng)距離小于100mm時，另一盞燈亮進(jìn)行報警，同時在顯示模塊中顯示相應(yīng)的距離數(shù)據(jù)。下圖5.1所示為超

17、聲波測速報警系統(tǒng)的程序流程圖：圖4.1 系統(tǒng)流程圖5 系統(tǒng)的調(diào)試及心得體會5.1系統(tǒng)的調(diào)試過程 最小系統(tǒng)與超聲波發(fā)射模塊與顯示模塊的連接以及數(shù)據(jù)測量過程的報警燈閃亮情況，如下圖所示：圖5.1最小系統(tǒng)與模塊的連接 圖5.2 距離超過200mm的結(jié)果圖5.3 距離介于100mm與200mm之間的結(jié)果圖5.4 距離小于100mm的結(jié)果 如圖5.1所示，無測量值時，顯示模塊初始值為1111；如上圖5.2測量距離的值為232mm，燈不亮，因為當(dāng)距離大于200mm時，報警燈不亮；如圖5.3所示，測量距離為120mm，亮一盞報警燈，因為當(dāng)距離小于200mm大于100mm時進(jìn)行報警，一盞燈亮；如圖5.4所示，

18、測量距離的值為75mm，原來那盞報警燈熄滅，另一盞報警燈亮，因為當(dāng)距離小于100mm時，另一盞燈亮進(jìn)行報警。5.2調(diào)試過程中的心得體會我們組三個人在調(diào)試過程中也遇到了許多錯誤，比如燒程序進(jìn)芯片時也遇到問題，導(dǎo)致我們調(diào)試時顯示模塊不顯示，最終排除萬難找出了原因，調(diào)試出了程序。參考文獻(xiàn)1 樊昌元 丁義元 著. 高精度測距雷達(dá)研究j. 電子測量與儀器學(xué)報, 2000.102 胡萍 著. 超聲波測距儀的研制m. 中國電子出版社，2003年：p56713 蘇長贊 著. 紅外線與超聲波遙控m. 人民郵電出版社,1993年：p33414 恒清 張靖 著. 加強(qiáng)單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力的方法j. 通化師范學(xué)院學(xué)報

19、，2004 .105 華兵 著. mcs-51單片機(jī)原理應(yīng)用m. 武漢華中科技大學(xué)出版社，2002年： p52686 張謙琳 著. 超聲波檢測原理和方法m. 中國科技大學(xué)出版社，1993年：p87987 九州 著. 放大電路實用設(shè)計手冊m. 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002年：p33528 陳光東 著. 單片機(jī)微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版)m. 華中理工大學(xué)出版社，1999年：p45579 徐淑華 程退安 姚萬生 著. 單片機(jī)微型機(jī)原理及應(yīng)用m. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999年：p163110 繼興 劉霞 著. 單片機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾措施分析m. 北京科技大學(xué)出版社，2003年：p5572附錄

20、源程序：/超聲波模塊顯示程序#include <reg52.h> /包括一個52標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的頭文件#define uchar unsigned char /定義一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit tx = p33; /產(chǎn)生脈沖引腳sbit rx = p32; /回波引腳sbit warning_led=p14;sbit warning_buff=p15 ;uchar code seg710=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/數(shù)碼

21、管0-9uint distance4; /測距接收緩沖區(qū)uchar ge,shi,bai,qian,temp,flag,outcomeh,outcomel,i; /自定義寄存器bit succeed_flag; /測量成功標(biāo)志/延時程序void delay_20us() uchar bt ; for(bt=0;bt<60;bt+);/*/顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序void conversion(uint temp_data) uchar ge_data,shi_data,bai_data ,qian_data,panduan; qian_data=temp_data/1000; temp_data

22、=temp_data%1000; bai_data=temp_data/100 ; temp_data=temp_data%100; /取余運算 shi_data=temp_data/10 ; temp_data=temp_data%10; /取余運算 ge_data=temp_data;panduan=bai_data;panduan為百位值 if(panduan>=2) panduan=2;/如果百位大于2算case2的情況 switch(panduan) case 0: warning_buff=0;warning_led=1;break; case 1: warning_buff

23、=1;warning_led=0;break; case 2: warning_buff=1;warning_led=1;break; qian_data=seg7qian_data; bai_data=seg7bai_data; shi_data=seg7shi_data; ge_data =seg7ge_data; ea=0; bai = bai_data; shi = shi_data; ge = ge_data ; qian=qian_data; ea=1; /*void pai_xu()/排序 uint t; if (distance0>distance1) t=distanc

24、e0;distance0=distance1;distance1=t; if(distance0>distance2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; if(distance1>distance2) t=distance1;distance1=distance2;distance2=t; /*void main(void) / 主程序 uint distance_data,a,b; uchar cont_1; i=0; flag=0; tx=0; /首先拉低脈沖輸入引腳 tmod=0x11; /定時器0，定時器1，16位工作

25、方式 ,timer0用顯示 tr0=1; /啟動定時器0 it0=0; /由負(fù)沿觸發(fā)外部中斷 et0=1; /打開定時器0中斷 ex0=0; /關(guān)閉外部中斷 ea=1; /打開總中斷0 while(1) /程序循環(huán) ea=0; tx=1; delay_20us(); tx=0; /產(chǎn)生一個20us的脈沖，在tx引腳 while(rx=0); /等待rx回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標(biāo)志 ex0=1; /打開外部中斷 th1=0; /定時器1清零 tl1=0; /定時器1清零 tf1=0; / tr1=1; /啟動定時器1 ea=1;while(th1 < 30);/等待測量的結(jié)果，周期65.535毫秒（可用中斷實現(xiàn)） tr1=0; /關(guān)閉定時器1 ex0=0; /關(guān)閉外部中斷if(succeed_flag=1) distance_data=outcomeh; /測量結(jié)果的高8位 distance_data<<=8; /放入16位的高8位 distance_data=distance_data|outcomel;/