單片機(jī)超聲波距離傳感器課程設(shè)計(jì)

1、太原科技大學(xué)太原科技大學(xué)TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程設(shè)計(jì)距離傳感器設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)：XXXXXXX班 級(jí)：SXXXXXXXXX姓 名：XXX指導(dǎo)教師：XXXXX日 期：2016.01.04 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書班 級(jí): XXXXXXX姓 名： XXX設(shè)計(jì)周數(shù): 1 學(xué)分: 1指導(dǎo)教師: XXX設(shè)計(jì)題目: 距離傳感器設(shè)計(jì)目的及要求:目的：1. 熟悉手工焊錫的常用工具的使用及其維護(hù)與修理。2. 基本掌握手工電烙鐵的焊接技術(shù)，能夠獨(dú)立的完成簡(jiǎn)單電子產(chǎn)品的安裝與焊接。熟悉電子產(chǎn)品的安裝工藝的生產(chǎn)流程。3. 熟悉印制電路板設(shè)計(jì)的

2、步驟和方法，熟悉手工制作印制電板的工藝流程，能夠根據(jù)電路原理圖，元器件實(shí)物設(shè)計(jì)并制作印制電路板。4. 熟悉常用電子器件的類別、型號(hào)、規(guī)格、性能及其使用范圍，能查閱有關(guān)的電子器件圖書。5. 能夠正確識(shí)別和選用常用的電子器件，并且能夠熟練使用普通萬(wàn)用表和數(shù)字萬(wàn)用表。6. 掌握和運(yùn)用單片機(jī)的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件、接口技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)。7. 各種外圍器件和傳感器的應(yīng)用；8. 了解電子產(chǎn)品的焊接、調(diào)試與維修方法。要求：1. 學(xué)生都掌握、單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件，接口技術(shù)等技能；2. 根據(jù)題目進(jìn)行調(diào)研，確定實(shí)施方案，購(gòu)買元件，并繪制原理圖，焊接電路板，調(diào)試程序；3. 焊接和寫匯編程序及調(diào)試，提交課程設(shè)

3、計(jì)系統(tǒng)（包括硬件和軟件）；. 4. 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法:（根據(jù)自己的具體情況編寫）用STC89C52單片機(jī)和超聲波模塊組成一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，利用超聲波發(fā)出的高頻波萊測(cè)距離，并在數(shù)碼管上顯示。方法：利用Altisium Designer summer09設(shè)計(jì)電路圖，再用電烙鐵將實(shí)物焊接到實(shí)驗(yàn)電路板上，通過(guò)電腦的串口寫入一段程序到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的計(jì)算顯示作用設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求: 應(yīng)先把超聲波模塊的線連接到單片機(jī)的串口上再供電。目錄緒論- 4 -第二章 總體設(shè)計(jì)- 5 -第三章 硬件部分- 9 -第四章 軟件部分- 14 -第五章 總結(jié)- 18 -附錄- 20 - 緒論 超聲波是指頻率在

4、20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。近年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小Ｒ话愕某暡y(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。超聲在空氣中測(cè)距

5、在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。本次課程設(shè)計(jì)是基于STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計(jì)的，包括LED指示燈、復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示電路、超聲波模塊幾個(gè)部分。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，可以使數(shù)碼管顯示物體離超聲波模塊距離的功能。 第二章 總體設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)框圖：圖1 系統(tǒng)

6、框圖2. 在單片機(jī)的選用上，一般需要考慮以下幾點(diǎn)：（1） 單片機(jī)的基本參數(shù)例如速度，程序存儲(chǔ)器容量，I/O引腳數(shù)量 （2） 單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘），EEPROM，擴(kuò)展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。 （3） Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。 （4） 封裝 IP（雙列直插），PLCC（PLCC有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。DIP封裝在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可能方便一點(diǎn)。 （5） 工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)。 （6） 功耗，盡量選用較低功耗的。 （7） 工作電壓范圍。 （8） 供貨渠道暢通

7、。能申請(qǐng)樣片，小批量購(gòu)買有現(xiàn)貨。 （9） 價(jià)格低。 （10）有服務(wù)商。 （11）燒錄器價(jià)格低。 （12）仿真器便宜。 （13）保密性能好。 （14）抗干擾性能好。 （15）和其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。在本次課程設(shè)計(jì)中，對(duì)單片機(jī)的要求較低，綜合考慮后選用STC89C52單片機(jī)。表一是STC89C52單片機(jī)的主要功能：表一主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件

8、設(shè)置睡眠和喚醒功能3.STC89C52單片機(jī)引腳及其功能：圖2 STC89C52單片機(jī)STC89C52單片機(jī)： 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平

9、則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令?？删幊梯斎?輸出引腳（32根）STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.72、超聲波測(cè)距原理：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回

10、來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳

11、播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理如圖如圖所示：圖3 超聲波的測(cè)距原理第三章 硬件部分一、電源輸入電路：對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)而言，首要問題就是解決系統(tǒng)的供電問題。要求電源模塊穩(wěn)定可靠。在本課程設(shè)計(jì)中，電源供電模塊的電源可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。在電源電路中接入了電源指示LED以示是否正常工作。二、時(shí)鐘/晶振電路：每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)都有晶振，晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必需的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)的一切指令

12、的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的。晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的執(zhí)行速度越快。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。（a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 （b）外部方式時(shí)鐘電路圖4 時(shí)鐘電路在本次課程設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部方式時(shí)鐘電路，電路圖如圖5所示。三、復(fù)位電路6復(fù)位電路的作用：在上電或復(fù)位的過(guò)程中，控制CUP的復(fù)位狀態(tài)。這段時(shí)間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就開始工作。防止CPU發(fā)出錯(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。同時(shí)，復(fù)位操作還對(duì)其他一些寄存器有影響。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電

13、平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位相按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖6（a）所示。這佯，只要電源Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖6（b）所示；而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖6（c）所示。（a）上電復(fù)位（b）按鍵電平復(fù)位（c）按鍵脈沖復(fù)位6 復(fù)位電路在本次課程設(shè)計(jì)中，采用按鍵脈沖

14、復(fù)位電路。電路圖如圖7所示：圖7 復(fù)位電路四、數(shù)碼管顯示電路3 5共陰極數(shù)碼管的8個(gè)發(fā)光二極管的陰極（二極管負(fù)端）連接在一起。通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動(dòng)電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為高電平時(shí)，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時(shí)，要求段驅(qū)動(dòng)電路能提供額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來(lái)確定相應(yīng)的限流電阻。數(shù)碼管有二位一體、四位一體等類型，當(dāng)多位一體時(shí)，他們內(nèi)部的公共端是獨(dú)立的，而負(fù)責(zé)顯示什么數(shù)字的段線全部連接在一起，獨(dú)立的公共端可以控制多位一體數(shù)碼管中的哪一位亮，而連接在一起的段線可以可以控制這個(gè)能點(diǎn)亮

15、什么數(shù)字，通常我們把公共端叫做“位選線”，連接在一起的段線叫“段選線”，有了這兩根線后，通過(guò)單片機(jī)及外部驅(qū)動(dòng)電路可以控制任意的數(shù)碼管顯示任意的數(shù)字了。當(dāng)多位數(shù)碼管應(yīng)用與某一系統(tǒng)時(shí)，它們的“位選”是可獨(dú)立控制的，而“段選”是連接在一起的，我們可以通過(guò)位選信號(hào)控制那幾個(gè)數(shù)碼管亮。五、超聲波模塊電路：本系統(tǒng)采用超聲波模塊URF04進(jìn)行測(cè)距，該模塊使用直流5V供電，理想條件下測(cè)距可達(dá)500cm，廣泛應(yīng)用于超聲波測(cè)距領(lǐng)域，模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，盲區(qū)（2cm）超近。超聲波測(cè)距原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)給超聲波傳感器模塊一個(gè)觸發(fā)電平，超聲波傳感器的發(fā)射管自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波，當(dāng)超聲波檢測(cè)到障礙物時(shí)就會(huì)信號(hào)返

16、回，接收管接收到信號(hào)返回之后，單片機(jī)處理從單片機(jī)發(fā)送信號(hào)到接收到返回信號(hào)這段時(shí)間里超聲波傳感器模塊輸出高電平。這段高電平持續(xù)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回的傳播時(shí)間。測(cè)量距離=（高電平持續(xù)時(shí)間*波速）/2。模塊構(gòu)成原理圖第四章 軟件部分1、 主流程圖： 主程序流程圖2、 程序設(shè)計(jì)：軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制。外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出、數(shù)碼管顯示等工作。主程序首先是對(duì)超聲波模塊初始化，通過(guò)延時(shí)函數(shù)產(chǎn)生10us的高電平，再將計(jì)數(shù)器初始化，判斷超聲波接收端是否收到回波，進(jìn)而執(zhí)行外部中斷程序。中斷程序首先關(guān)閉外

17、部中斷，關(guān)閉計(jì)數(shù)器，然后讀出計(jì)數(shù)值，根據(jù)公式計(jì)算距離，然后將結(jié)果送往數(shù)碼管顯示。3、 程序1 4：#include <reg52.h>#include <intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ulong unsigned longuint time=0;uint timer=0;uchar posit=0;ulong S=0;uint qian;uint bai;uint ge;sbit RX=P20;/接線：TRIG接 P2.1 ECH0 接P2.0 sbit TX=

18、P21;sbit dula=P26;sbit wela=P27;bit flag =0;uchar code table = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x08;void delay(uint x)/延時(shí) uchar i,j;for(i=x;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-); void display( qian, bai, ge) /掃描數(shù)碼管 dula=1; P0=tablebai; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfd; wela=0; delay (1);

19、dula=1; P0=tablege; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfb; wela=0; delay (1); dula=1; P0=tableqian; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfe; wela=0; delay (1);void Conut(void) time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; S=(time*1.7)/100; /算出來(lái)是CM if(S>=450)|flag=1) /超出測(cè)量范圍顯示“-” flag=0; qian=10; /“-” bai=10; /“-” ge=10; /

20、“-” else qian=S%1000/100; bai=S%1000%100/10; ge=S%1000%10 %10; void zd0() interrupt 1 /T0中斷用來(lái)計(jì)數(shù)器溢出,超過(guò)測(cè)距范圍flag=1; /中斷溢出/*/ void zd3() interrupt 3 /T1中斷用來(lái)掃描數(shù)碼管和計(jì)800MS啟動(dòng) TH1=0xf8; TL1=0x30; display(qian,bai,ge); timer+; if(timer>=400) timer=0; TX=1; /800MS 啟動(dòng)一次 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _n

21、op_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TX=0; /*/void main( void ) TMOD=0x11; /設(shè)T0為方式1，GATE=1；TH0=0;TL0=0;TH1=0xf8; /2MS定時(shí)TL1=0x30;ET0=1; /允許T0中斷ET1=1; /允許T1中斷TR1=1; /開啟定時(shí)器EA=1; /開啟總中斷while(1) while(!RX);/當(dāng)RX為零時(shí)等待 TR0=1; /開啟計(jì)數(shù) while(RX);/當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待 TR0=0;/關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut();/計(jì)算 第五章 總結(jié)一、問題在連接電路的過(guò)程中出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，總結(jié)如下：（1） 數(shù)碼管不能正常顯示經(jīng)檢查后，發(fā)現(xiàn)程序中的“display（）”子程序放的位置不對(duì)。（2） 上電后，