課程設計報告書

1、超聲波測距儀課程設計報告書目錄引言2超聲波測距設計方案21.總體方案設計介紹22.硬件電路設計33.系統(tǒng)程序的設計64.設計總結(jié)10附件11控制源程序11引言本課程設計，旨在用所學知識解決生活中的常見問題，真正實現(xiàn)知識的活學活用，為步入社會，進入真實的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)打基礎；超超聲波測距在生活中應用極為廣泛，因其測量誤差小，操作方便而被廣泛使用；然其工作原理較為簡單，運用大學所學的單片機原理及應用的基礎知識便可以實現(xiàn)其基本工程原理，再結(jié)合其他科目的基礎知識便可以完成這一設計。超聲波測距設計方案1.總體方案設計介紹超聲波測距原理源于蝙蝠回聲定位，設超聲波在空氣中的傳播速度為V，在空氣中的傳播時間為T

2、，測距儀與障礙物的距離為S，S=VT/2，這樣可以測出測距儀與障礙物之間的距離，然后在LED顯示屏上顯示出來。本課程設計測量范圍0.504.00m，測量精度1cm.屬于近距測量，采用壓電式超聲波傳感器；程序要求反應靈敏，故采用80C51單片機的匯編程序設計，顯示LED采用4位共陽LED數(shù)碼管。首先由單片機驅(qū)動產(chǎn)生12MHZ晶振，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去，在遇到障礙物反射回來時由超聲波接收探頭檢測到信號，然后經(jīng)過濾波、放大、整形之后送入單片機進行計算，把計算結(jié)果輸出到LED液晶顯示屏上。本設計采用80C51單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成。超

3、聲波測距器系統(tǒng)設計如圖1.1所示。超聲波接收 80C51單片機超聲波發(fā)送LED顯示掃描驅(qū)動 圖1.1 超聲波測距器系統(tǒng)結(jié)構設計框圖2.硬件電路設計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)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用80C51。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端口輸出超聲波傳感器所需的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4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管9012驅(qū)動（74LS06）。超聲波發(fā)出后，單片機自動檢測INT0引腳，當INT0

4、引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。2.1超聲波發(fā)射和接收模組（V2.0）本文采用的超聲波測距模組集發(fā)射和接受為一體，內(nèi)部超聲波傳感器諧振頻率40KHz，模組傳感器工作電壓4.5V9V，模組接口電壓4.5V5.5V。本實驗采用短距（0.504.00m）精度1cm。模組結(jié)構示意圖如圖2.1：J7J6J5J4 圖2.1 超聲波發(fā)射及接收模組設計框圖應用時只需要用J5的第1個口與單片機Vcc連接，最后一個口與單片機GND連接，第4個接口與 單片機的INT0口相連接，J4的第3個接口與單片機1.0口連接

5、，同時將J1跳線設置為短距模式，J2跳線設置為非外部電源供電方式（此時開發(fā)板通過10PIN排線為模組供電，板上J5選擇5V，要把J2跳接到5v的一端）。這就完成了模組硬件的連接。超聲波諧振頻率調(diào)理電路圖如圖2.2：圖2.2 超聲波諧振頻率調(diào)整電路設計框圖由單片機產(chǎn)生40KHz的方波由P1.0口送出，連接模組接口J4到模組的CD4049，而后面的CD4049則對40KHz頻率信號進行調(diào)理，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。圖2.3 超聲波回波接收電路設計框圖超聲波接受處理部分電路前級采用NE5532構成10000倍放大器，對接收信號進行放大；后級采用LM311比較器對接收信號進行調(diào)整，比較電壓為LM31

6、1的3管腳的輸入。接收回路中測得的超聲波信號共有兩個波束，第一個為余波信號，即超聲波接收頭在發(fā)射頭發(fā)射信號（一組40KHz的脈沖）后，馬上就接收到了超聲波信號，并持續(xù)一段時間。另一個波束為有效信號，即經(jīng)過被測物表面反射的回波信號。超聲波測距時，需要測的是開始發(fā)射到接收到信號的時間差，要盡量避免檢測到余波信號，這也是檢測中存在最小測量盲區(qū)的主要原因。單片機控制模組每次發(fā)生若干完整的40KHz的脈沖信號，發(fā)射信號前打開計數(shù)器T0，進行計時，等計時到達一定值后再開啟檢測回波信號，以避免余波信號的干擾。采用外部中斷INT0對回波信號進行檢測，接收到回波信號后馬上讀取計數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為需要測量的

7、時間差數(shù)據(jù)。2.2數(shù)據(jù)顯示模塊顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，斷碼用74LS244驅(qū)動，位碼用74LS06驅(qū)動。由P0口輸出顯示數(shù)據(jù)，P2.0P2.3用來位選。顯示電路如圖2.4圖2.4 超聲波測距顯示電路設計框圖3.系統(tǒng)程序的設計超聲波測距器的軟件設計主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成，本次設計采用執(zhí)行效率高的匯編語言實現(xiàn)。下面對超聲波測距器的算法，主程序，超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。3.1超聲波測距器的算法設計超聲波測距的原理類似于蝙蝠的回聲定位，既超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，

8、就會被超聲波接收器R接收到。這樣，只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器于反射物體的距離。該距離的計算公式如下：d=s/2=(v×t)/2式3-1 超聲波距離計算其中：d為被測物于測距器的距離（m）；s為聲波的來回路程(m)；v為聲速（m/s）；t為聲波來回所用的時間(s)。3.2 主程序主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器T0工作模式為16位定時/計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對顯示端口P0和P2清0；然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時約2.906ms（最小距離0.50m

9、，機器周期1us）后才可打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1us，所以當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（32）計算，即可得被測物體與測距器之間的距離。設計時取20時的聲速為344m/s，則有d=（v×t）/2=（172T/1000）(cm)式3-2 超聲波距離計算其中：T為計數(shù)器T0的計數(shù)值。測出距離后，結(jié)果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示，重復測量3-5次取加權平均即可得出最終結(jié)果。圖3.1所示為主程序流程圖。開始系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波計算距離顯示結(jié)果0.5s圖3

10、.1 超聲波測距主程序流程圖主程序START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H ;40H43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40H為最高位） MOV R7, #0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ；T1為8位自動重裝模式，T0為16位定時器 MOV TH0, #C7H ;14.5ms初值 MOV TL0, #39H MOV TH1, #0F2H ;40kHz初值 MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P

11、2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超聲波脈沖個數(shù)控制（為賦值的一半） SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ；開啟測試定時器START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信號時標志位為1 CLR EA LCALL WORK SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新開啟測試定時器 MOV R2, #64H ;測量間隙控制（約4ms×100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2,LOOPSJMP START13.3 超聲波發(fā)生子程序

12、和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送兩個左右的超聲波脈沖信號（頻率40KHz的方波），脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器T0打開進行時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行時間準確，所以采用匯編語言編程。ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即

13、進入超聲波接收中斷程序。進入該中斷后，就立即關閉計時器T0，停止計時，并將測距成功標志字賦值1. 中斷程序；T0中斷，14.5ms中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0,#C7H MOV TL0,#39H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;啟動計數(shù)器T0，用以計算超聲來回時間 SETB TR1 ；開啟發(fā)超聲波用定時器T1OUT: RETI；T1中斷，發(fā)超聲波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETOUT CLR TR1 ;超聲波發(fā)完畢，關T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;開啟接收回波中斷RETIOU

14、T: RETI;外中斷0，收到回波時進入PINT0: CLR TR0 ;關計數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H ,TL0 ;將計數(shù)值移入處理單元 MOV 45H ,TH0 SETB 00H ;接收成功標志 RETI如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值2，以表示本次測距不成功。4.設計總結(jié)本次設計中，充分體現(xiàn)了合作共贏的重要性，這個社會是個專業(yè)化日趨加強的社會，人們的專業(yè)知識正變得集中而而有深度，此次設計，廣泛整合了各方面的資源，充分證明了合作的重要性，以及專業(yè)知識的必要性，作為作為

15、一項實際需要的產(chǎn)品，都綜合了各方面的知識，只有強強聯(lián)手，才能打造更加優(yōu)異的產(chǎn)品。本次設計的環(huán)節(jié)不多，單片機及程序、超聲波發(fā)送及接收電路，數(shù)碼顯示管等幾大塊，對于我來說，專業(yè)在于單片機及數(shù)碼顯示管的連接及程序設計，而超聲波發(fā)射及接收電路則是由另外的合作伙伴完成，然后實現(xiàn)兩者的連接便完成了此次設計。當然，設計總是沒有完美的，我們由于閱歷尚欠，經(jīng)驗不足，又缺乏實踐，故產(chǎn)品設計原型可能存在諸多問題，需要在實踐中不斷發(fā)現(xiàn)，修補完善，不斷創(chuàng)新。不滿足于已有的設計，不斷尋求新的突破才是我們需要做的。附件控制源程序 超聲波測距器 采用80C51、12MHz晶振、采用共陽LED顯示器測試范圍為0.505.00m

16、，堆棧在4FH以上，20H用于標志顯示緩沖單元在40H43H,內(nèi)存44H46H用于計算距離VOUT EQU P1.0 ;脈沖輸出端口 中斷入口程序 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI 主程序START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H ;40H43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40H為最高位） MOV R7, #0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H

17、 INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ；T1為8位自動重裝模式，T0為16位定時器 MOV TH0, #C7H ;14.5ms初值 MOV TL0, #39H MOV TH1, #0F2H ;40kHz初值 MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ;超聲波脈沖個數(shù)控制（為賦值的一半） SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ；開啟測試定時器START1: LCALL

18、 DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信號時標志位為1 CLR EA LCALL WORK SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新開啟測試定時器 MOV R2, #64H ;測量間隙控制（約4ms×100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2,LOOPSJMP START1中斷程序；T0中斷，1.45ms中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0,#C7H MOV TL0,#39H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;啟動計數(shù)器T0，用以計算超聲來回時間 SETB TR1

19、；開啟發(fā)超聲波用定時器T1OUT: RETI；T1中斷，發(fā)超聲波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETOUT CLR TR1 ;超聲波發(fā)完畢，關T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;開啟接收回波中斷RETIOUT: RETI;外中斷0，收到回波時進入PINT0: CLR TR0 ;關計數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H,TL0 ;將計數(shù)值移入處理單元 MOV 45H,TH0 SETB 00H ;接收成功標志 RETI顯示程序；40H為最高位，43H為最低位，先掃描高位DISPLAY: MOV R1,#

20、40H;GMOV R5,#0E7H;GPLAY: MOV A,R5 MOV P0,#0FEH MOV P2,A MOV R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DL1MS INC R1 MOV A,R5 JNB ACC.0,ENDOUT;G RR A MOV R5,A AJMP PLAYENDOUT: MOV P2,#0FEH MOV P0,#0FEH RETTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FEH,88H,0BFH;共陽段碼表 “0”，“1”，“2”，“3”，“4”，

21、“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“不亮”，“A”，“-”延時程序DL1MS： MOV R6, #0BHDL1: MOV R7, #5AHDL2: DJNZ R7, DL2 DJNZ R6, DL1 RET 距離計算程序Work: PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18h MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #17D LCALL MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4Y2 MOV 400H, R4 MOV A, 40H

22、JNZ JJ0 MOV 40H,#0AH ;最高位為0，不點亮JJ0: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A, 41H JNZ JJ1 MOV A, 40H ;次高位為0，先看最高位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ1 MOV 41H, #0AH ;最高位不亮，次高位也不亮JJ1: M0V A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCAL

23、L DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A, 42H JNZ JJ2 MOV A, 41H ;次次高位為0，先看次高位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ2 MOV 42H, #0AH ;次高位不亮，次次高位也不亮JJ2: MOV 43H, R0 POP B POP PSW POP ACC RET2字節(jié)無符號數(shù)乘法程序R7R6R5R4R3R2×R1R0MUL2BY2: CLR A MOV R7,A MOV R6,A MOV R5,A MOV R4,A MOV 46H,#10HMULLOOP1: CLR C MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV A,R5 RLC A