基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)

1、綜合性課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于proteus仿真軟件的超聲波測(cè)距報(bào)警控制器設(shè)計(jì)院 系： 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012/6/27 綜合課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)專(zhuān)業(yè)：電子信息工程 班級(jí)：4091603 姓名： 設(shè)計(jì)題目：基于proteus仿真軟件的超聲波測(cè)距報(bào)警控制器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件keil C和proteus仿真軟件二、設(shè)計(jì)任務(wù)1) 總體功能設(shè)計(jì)2) 硬件電路設(shè)計(jì)3) 軟件設(shè)計(jì)4) 工作總結(jié)三、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容1 設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)）2 前言（緒論）(設(shè)計(jì)的目的、意義等)3 主體設(shè)計(jì)部分（各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容、總結(jié)分析、結(jié)論等）4 結(jié)

2、束語(yǔ)5 參考文獻(xiàn)（答辯時(shí)間18周星期日晚7：30，地點(diǎn)：綜合樓1313室）四、設(shè)計(jì)時(shí)間與設(shè)計(jì)時(shí)間安排1、設(shè)計(jì)時(shí)間： 2周2、設(shè)計(jì)時(shí)間安排： 熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)、收集資料： 2 天設(shè)計(jì)計(jì)算、繪制技術(shù)圖紙： 5 天編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)： 2 天答辯： 1 天目錄一、設(shè)計(jì)題目3二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求3三、設(shè)計(jì)內(nèi)容31.緒論32.總體方案42.1 總體設(shè)計(jì)方案42.2超聲波測(cè)距框圖43.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1 硬件設(shè)計(jì)方案53.2 各主要模塊的硬件設(shè)計(jì)64.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)104.1 程序設(shè)計(jì)104.2 程序流程圖10四、結(jié)束語(yǔ)13五、參考文獻(xiàn)13附錄A 系統(tǒng)仿真圖14附錄B 程序代碼15一、設(shè)計(jì)題目基于prot

3、eus仿真軟件的超聲波測(cè)距報(bào)警控制器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求利用所學(xué)數(shù)字電子技術(shù)、信號(hào)處理、控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)、制作并調(diào)試完成一個(gè)單片機(jī)最小化系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，將最小系統(tǒng)與綜合實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的超聲波模塊、顯示模塊進(jìn)行正確的連接（如圖1.1所示），使單片機(jī)可接收超聲波模塊輸出的測(cè)量信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行合理的處理后，在顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示超聲波模塊與障礙物的距離。圖1.1 系統(tǒng)連接示意圖具體要求：1、實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的數(shù)碼管可實(shí)時(shí)顯示障礙物與超聲波的距離信息，單位為mm；2、當(dāng)測(cè)試距離大于0.5m時(shí)報(bào)警。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1.緒論利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無(wú)目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是

4、由生物體發(fā)射不被人們聽(tīng)到的超聲波 (20kHz以上的機(jī)械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播，由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來(lái)的時(shí)間間隔長(zhǎng)短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生，可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。而且超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)。并且超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過(guò)程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式的位置距離檢測(cè)。2.總體方案2.1 總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本次設(shè)計(jì)AT89C52單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器。由單片機(jī)AT89C

5、52編程產(chǎn)生125kHz的方波，經(jīng)P3.0口連接到開(kāi)發(fā)平臺(tái)的超聲波模塊發(fā)送超聲波，再經(jīng)過(guò)放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出的超聲波經(jīng)障礙物反射回來(lái)后，經(jīng)過(guò)P3.2口由超聲波接收頭接收到信號(hào)。通過(guò)接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理，送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制在開(kāi)發(fā)平臺(tái)的顯示模塊中顯示出來(lái)。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(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)化的使用要求。2.2超聲波測(cè)距框圖單

6、片機(jī)發(fā)出125kHZ的方波信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t；再通過(guò)軟件編程進(jìn)行判別、計(jì)算，得出所測(cè)距離數(shù)并經(jīng)由LED數(shù)碼管顯示，其原理框圖如圖2.1。圖2.1 超聲波測(cè)距儀原理框圖發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t。由公式：測(cè)出的距離=常溫下的聲速340感應(yīng)時(shí)間，算出被測(cè)物體的距離。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)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的，本次設(shè)計(jì)將聲速設(shè)定為344m/s。3.系統(tǒng)硬件設(shè)

7、計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)方案3.1.1 超聲波測(cè)距原理單片機(jī)在時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變沿信號(hào)到單片機(jī)的外部中端口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間，由此便可計(jì)算出距離。其時(shí)序圖如圖3.1所示。圖3.1 超聲波時(shí)序圖3.1.2 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路，報(bào)警模塊四部分。單片機(jī)采用AT89C52，使用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P3.0端口輸出超聲波換能器所需的125kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接

8、收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用P0口控制，位碼用P2口控制。3.2 各主要模塊的硬件設(shè)計(jì)3.2.1 AT89C52芯片簡(jiǎn)介圖3.2 AT89C52芯片管腳圖AT89C52是51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可為您

9、提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線(xiàn)，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線(xiàn)編程(S系列的才支持在線(xiàn)編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每引腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位

10、。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。

11、P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 /I

12、NT0(外部中斷0)P3.3 /INT1(外部中斷1)P3.4 T0(記時(shí)器0外部輸入)P3.5 T1(記時(shí)器1外部輸入)P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。3.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)本文單片機(jī)型號(hào)為AT89C52，采用頻率為12MHz晶振和兩個(gè)電容組成的晶振電路，為單片機(jī)提供工作時(shí)序。復(fù)位電路是按鍵電平復(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)。最小系統(tǒng)電路圖如圖3.2所示。圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng) 3.2.3 超聲波發(fā)

13、射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3.4所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P3.0端口輸出的125kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。圖3.4 超聲波發(fā)射電路原理圖 3.2.4 超聲波檢測(cè)接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線(xiàn)檢波接收

14、的專(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。圖3.5超聲波檢測(cè)接收電路3.2.5 顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用P0口控制，位碼用P2口控制。接P2.0，P2.1，P2.2，P2.3引腳的分別為千位，百位，十位，個(gè)位顯示數(shù)碼管。圖3.6顯示電路3.2.6 報(bào)警模塊本系統(tǒng)選用單片機(jī)P1.1連接報(bào)警電路。通過(guò)軟件編程來(lái)控制蜂鳴器報(bào)警時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)表示所測(cè)距離是否超限。當(dāng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲時(shí)，說(shuō)明測(cè)得距離大于50cm。報(bào)警電路如圖3.7所示圖3.7報(bào)警電路4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 程序

15、設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、超聲波發(fā)射子程序、LED顯示子程序設(shè)計(jì)等。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置計(jì)數(shù)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約5ms，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。4.2 程序流程圖4.2.1 主程序流程圖4.2.2 超聲波發(fā)射模塊流程圖4.2.3 顯示模塊流程圖四、結(jié)束語(yǔ)在本次設(shè)計(jì)中，我們廣泛借鑒了各種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，討

16、論并研究各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，包括如何產(chǎn)生125KHz方波，如何在接收電路中對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、整形等問(wèn)題。但由于條件和技術(shù)有限，對(duì)于在發(fā)射和接收過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差沒(méi)有考慮并矯正，如溫度誤差、硬件電路誤差等。在為期兩周的設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用之前所學(xué)的知識(shí)，如單片機(jī)、C語(yǔ)言等。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析和設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所涉及的開(kāi)發(fā)方法和工具。動(dòng)手能力與自學(xué)能力得到了鍛煉和提高?？梢哉f(shuō)為今后的工作、學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本次的設(shè)計(jì)也讓我們認(rèn)識(shí)到仿真軟件不是萬(wàn)能的，有些東西是沒(méi)法進(jìn)行仿真的，比如本設(shè)計(jì)中需要有一個(gè)擋板就是仿真不出來(lái)的，在實(shí)物設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)。所以，我們不能過(guò)

17、于依賴(lài)仿真，要把仿真與實(shí)踐相結(jié)合才能有更好地研究成果。五、參考文獻(xiàn)1 沙占友集成化智能傳感器原理與應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，20042 吳研超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) J北京：北京理工大學(xué)，20053 肖景和，趙健紅外線(xiàn)熱釋電與超聲波遙控電路M北京：人民郵電出版社，20034 史諺賓基于A(yíng)T89C2051的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)J北京：航空航天出版社，20065 路錦正,王建勤.超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)M成都：成都理工大學(xué)，19996 基于單片機(jī)智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M北京：人民郵電出版社，20057 賴(lài)壽宏微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20028 王兆安，黃俊電力電子技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，

18、20039 邱關(guān)源電路M北京：高等教育出版社，199910 尤一鳴.單片機(jī)總線(xiàn)擴(kuò)展技術(shù)第一版M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993.附錄A 系統(tǒng)仿真圖附錄B 程序代碼#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit Tsonic=P30;sbit Rsonic=P32;sbit buz=P11;uint distance=0;float n=0.172; /超聲波速度為344m/suchar a,e,c,d;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,

19、0xf8,0x80,0x90,0xbf;void close() P0=0xff; P2=0xff; buz=0;void delay4us();void delayms(uint k)uint m,n;for(n=k;n0;n-)for(m=110;m0;m-);void sonic() uchar i; for(i=10;i0;i-) Tsonic=1; delay4us(); Tsonic=0; delay4us(); void Data(uchar a,uchar e,uchar c,uchar d) if(a=0&e=0&c=0&d=0) a=10;e=10;c=10;d=10; P2=0x01; /a 千位 P0=t