超聲波測距課設(shè)

1、超聲波測距課設(shè)ZIilJiIgyUlm UJlVelt UfTftJiIWJlyy單片機課程設(shè)計報告課題名稱超聲波測距儀專 業(yè)學(xué)生姓名學(xué) 號指導(dǎo)教師4 / 20目錄摘要 3一、總體方案介紹 3二、硬件設(shè)計 52.1顯示電路 52.2超聲波發(fā)射電路 62.3超聲波接收電路 7三、軟件設(shè)計 73.1主程序設(shè)計 83.2超聲波發(fā)射子程序及接收中斷子程序 93.3關(guān)于超聲波測距中的盲區(qū)問題 10四、系統(tǒng)調(diào)試 10五、心得體會 11六、參考文獻 12七、附件摘要隨著科學(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。 但就目前 技術(shù)水平來說， 人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限， 因此，這是一個正

2、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。 展望未來， 超聲波測距儀作為一種 新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間， 它將朝著更加高定 位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為： 研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需 要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納， 實現(xiàn)超遠程的被動探測 和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納， 特別是解決淺海水中目標(biāo)識別問題； 大力降低潛艇自噪聲， 改善潛艇聲納的工作環(huán)境。 無庸置疑， 未來的超聲波測距 儀將與自動化智能化接軌， 與其他的測距儀集成和融合， 形成多測距儀。 隨著測

3、 距儀的技術(shù)進步， 測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能， 最終發(fā)展 到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。本設(shè)計采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超 聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個電路采用模塊化設(shè)計，由主程序、 中斷程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng) 單片機綜合分析處理， 實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。 在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的 總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。一、 總體方案介紹本文所研究的超聲波測距儀利用超聲波指向性強、 能量消耗緩慢、 傳播距離 較遠等優(yōu)點， 即用超聲波發(fā)射

4、器向某一方向發(fā)送超聲波， 同時在發(fā)射的時候開始計時，在超聲波遇到障礙物的時候反射回來， 超聲波接收器在接收到反射回來的 超聲波時，停止計時。設(shè)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,汽車與障礙物的距離為S, S=VT/2,這樣可以測出汽車與障礙物之間的距 離，然后在LED顯示屏上顯示出來。其工作機理是依據(jù)壓電材料的正逆壓電效應(yīng),利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波, 即逆壓電效應(yīng)是在壓電材料上加上某種特定頻率的交變正弦信號, 材料就會產(chǎn)生 隨所加電壓的變化規(guī)律而變化的機械形變, 這種機械形變推動周圍介質(zhì)振動, 產(chǎn) 生疏密相間的機械波,如果其振動頻率在超聲范圍內(nèi),這種機械波就是超聲波。本文所設(shè)

5、計的超聲波測距儀主要由 AT89C52單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲 波接收放大電路、顯示電路 .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。超聲波發(fā)生器可以 分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波； 另一類是用機械方式。 產(chǎn)生超聲波。 電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液 和氣流旋笛等。它 們所產(chǎn)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 前在近距離測量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。綜上

6、分析決定采用AT89C51單片機作為主控制器，其中超聲波系統(tǒng)設(shè)計如圖1.1 所示超聲波測距課設(shè)圖1.1、硬件設(shè)計硬件電路可分為單片機系統(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。2.1顯示電路本系統(tǒng)單片機通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不 停的檢測INTo引腳，當(dāng)INTo引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)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。超聲波測距的硬件示意圖如圖2.1所示：單片機采用89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，已獲得較穩(wěn)定 的時鐘頻率，減少測量誤差。單片機用P1

7、.0端口輸出超聲波換能器所需的40KHz 的方波信號，利用外中斷0 口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。IIlIIdCIIICLIrrlef a t*com6莒配萱表2.1顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba0C0HA88H1F9HB83H2A4HCC6H3B0HDA1H499HE86H592HF8EH682HP8CH7F8Hy91H880H8.00H990H火FFH2.2超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2.2所示。發(fā)射電路主要有反向器和超聲波發(fā)生 換能器T構(gòu)成，單片機P1.0的端口輸出40KHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送 到超聲波換能器的一

8、個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個 電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā) 射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R10, R11一方面可以提高反向器74lS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲 波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時間。2.3超聲波接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外 遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHZ與測距的超聲波頻率40KHZ 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路（如圖3-5）。實驗證明用CX20106A接受超聲波（無信號時

9、輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強的抗干 擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。三、軟件設(shè)計超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng) 這個超聲波信號遇到被測物體后反射回來， 就被超聲波接收器R所接收到。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， 就可以計算出超聲 波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式:d=s/2=（c*t）/2其中 d 為被測物與測距器的距離， s 為聲波的來回路程， c 為聲波， t 為聲 波來回所用的時間。其中聲速 c 與溫度有關(guān)。C=331.5+0.607*T如果要提高測距精確度， 則必須考

10、慮溫度的影響， 也可取室溫簡化電路設(shè)計， 將溫度傳 感器作為擴展電路，在力所能及的情況下完成。3.1 主程序設(shè)計主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時器 To工作模式為6位定時計數(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) 生子程序送出一個超聲波脈沖， 為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起 的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms （這也就是超聲波測距器會有一個最小測距離 的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHZ勺晶 振，計算器每計一個數(shù)就是1us,當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計 數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）

11、按式（1-2 ）計算，即可得被測物體 與測距器之間的距離，設(shè)計時取 20C時的聲速為344m/s。20 / 201發(fā)射超聲波脈沖1等待反射超聲波計算距離顯示結(jié)果0.5s主程序流程圖3.2超聲波發(fā)射子程序及接收中斷子程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.0端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻 率約為40kHz的方波），脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器To打開進行計時。 超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行時間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。 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）立即進入中斷程序。進入該中斷程序后立 即

12、關(guān)閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計時器溢出是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(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示本次測距不成功。3.3 關(guān)于超聲波測距中的盲區(qū)問題 超聲波測距是根據(jù)超聲波發(fā)射到接收經(jīng)過的時間來測量介質(zhì)之間的距離， 但 超聲波的發(fā)射端和接收端之間可能不經(jīng)過物體的反射，直接接收到發(fā)射的超聲 波，這時測量的距離就不是物體間的距離，而是超聲波發(fā)射端與接收端的距離， 這段距離就是盲區(qū)。超聲波盲區(qū)是一定要避免的， 通常用軟件控制， 方法如下， 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 TO,

13、進行計時， 等計時到一定值后再開啟檢測回波信號， 這個計時時間要大于超聲波從發(fā)射端傳 到接收端時間， 這樣就可避免干擾， 而測距的最小距離要大于發(fā)射端到接收端的 距離。四、系統(tǒng)調(diào)試 超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單， 安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平 行并相距48cm其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽 起來，則可提高抗干擾能力。 根據(jù)測量范圍要求不同， 可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器 并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。制作完成并調(diào)試好后， 便可將程序編譯好下載到單片機試運行。 根據(jù)實際情 況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，

14、以適 應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.075.5m,測距儀最大誤差不超過ICm系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一 致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。調(diào)試注意事項 :一、超聲波探頭表面嚴(yán)禁用手及其它物體觸摸以免產(chǎn)生信號滯后性及損壞二、所有 IC 器件最好拔下烙鐵插頭再焊接 ,以免損壞 .三、按圖安裝完畢后接上12V電源,測距部分只要安裝正確不必進行調(diào)試即可正常工作 , 同時接收電路應(yīng)用鐵皮屏蔽以增加抗干擾的性能 . 以上所有芯片采 用 DIP 封裝如要縮小體積所有器件可用貼片封裝 .四、使用注意事項 : 在測距中應(yīng)保證測距儀與被測

15、物體距離為定值 , 要和被測物 體成一條直線 , 使測得距離讀數(shù)的準(zhǔn)確性 .五、心得體會為期一周的單片機課程設(shè)計結(jié)束了, 最大的收獲是系統(tǒng)的了解的利用單片機 制作一個產(chǎn)品的過程, 同時鞏固了以前所學(xué)過的知識, 而且學(xué)到了很多在書本上 所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合的重要 性,只有理論知識是遠遠不夠的, 只有把所學(xué)到理論知識與實踐相結(jié)合起來, 從 理論中得出結(jié)論才能真正的服務(wù)于工作。這次實設(shè)計中遇到很多實際性的問題, 在實際設(shè)計中才發(fā)現(xiàn), 書本上理論性 的東西在實際運用中還是有一定出入的, 所以有些問題不但要深入理解, 而且要 不斷更正自己的錯誤思維。 很多子程序

16、是可以借鑒別人的, 但是程序之間的銜接 才是關(guān)鍵, 因此可以說系統(tǒng)的設(shè)計是軟件與硬件的結(jié)合, 二者是密不可分的。 這 次的課設(shè)也激發(fā)了我對單片機的學(xué)習(xí)興趣， 我想這將對我今后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的 影響。其次， 這次的課設(shè)讓我充分的認(rèn)識到團隊合作的重要性， 只有分工合作才 能保證工作的有條不紊。六、參考文獻【1】史彥斌，段哲民，高憲軍，基于 AT89C2051的超聲波測距儀設(shè)計，新技術(shù) 新儀器， 2007【 2】周凱，趙望達，趙迪，劉靜，高精度超聲波測距系統(tǒng)，測試技術(shù)卷，2007【 3】常靜，賀煥林，減少超聲波測距儀盲區(qū)的研究，中國棉花加工，2005附件一: 程序 #include#include

17、unsigned char intt0;unsigned int x ; unsigned int temper ;/ 計算時候溫度兩位溫小數(shù)/ 發(fā)射超聲波float n;float s;float tt;sbit sent=P20; sbit receive=P32; sbit led1=P11;sbit led2=P15;sbit led3=P16;sbit led4=P17;/ 成功標(biāo)志/ 報警標(biāo)志/ 停止/ 失敗標(biāo)志Sbit begi n=P33k1開始按鈕Sbit StOP=P36k2停止按鈕Sbit Wen du=P37;/k3 溫度 /Sbit H4052B=P12;Sbit H

18、4052A=P13;unSigned char Set_S=20;unSigned char fail;/* 超聲波40khz發(fā)射10個,大約200us*/ vOid cSb_40k() unSigned char i=30;/8.6cmWhile(i-)_nOP_(); _nOP_();_nOP_();_nOP_(); Sent=Sent;/*T0 溢出中斷 */ vOid timer0() interruPt 1TR0=0; /T0 停止計數(shù)EX0=0;OutSeg0=Seg20;/ 顯示緩沖區(qū)是 FAIL OutSeg1=Seg21;OutSeg2=Seg22;OutSeg3=Seg23

19、;vOid timer1() interruPt 3TF1=0; TH1=0; TL1=100; led4=led4;/*- 外部中斷0， -*/void intr0() interrupt 01TR0=0;/T0停止計數(shù)EX0=0;/關(guān)外部中斷l(xiāng)ed1=0;/測距成功標(biāo)志led3=1;led4=1;/滅測距失敗標(biāo)志n=TH0;/n=n*256+TL0;/n存放計數(shù)intt0=1;/ 主函數(shù)void main()TMOD=0x11; /定時器 0 計數(shù)TH1=0;TL1=100;ET1=1;EA=1; / 開總中斷H4052B=0;H4052A=1;x=ReadTemperature();wh

20、ile(1) / 循環(huán)b: display(); / 顯示 if(begin=0)&(stop=1)&(wendu=1) delay_18B20(1000);/ 去抖動 if(begin=0)&(stop=1)&(wendu=1)/ 開始 H4052B=0;H4052A=1;fail=1;delay_18B20(1000);while(begin=0);/ 按鍵松開之后動作TH0=0x00; / 計數(shù)清零TL0=0x00; /ET0=1; / 定時器 0 中斷允許TR0=1; /T0 計數(shù)計時csb_40k(); / 發(fā)射 6delay_18B20(20); /14.7 避開盲區(qū) 20cm E

21、X0=1;else if(stop=0)&(begin=1)&(wendu=1)停止 delay_18B20(1000);/ 去抖動 if(stop=0)&(begin=1)&(wendu=1)/ while(stop=0);while(1)if(begin=0)set_s+;while(begin=0);else if(wendu=0)set_s-;while(wendu=0);else if(stop=0)while(stop=0);goto b;buf2=(unsigned char)(set_s/10%10);buf3=(unsigned char)(set_s%10); outseg

22、0=0;outseg1=0;outseg2=seg0buf2;outseg3=seg0buf3;display();else if(wendu=0)&(begin=1)&(stop=1) / 單獨測溫度 delay_18B20(2000);/ 去抖動if(wendu=0)&(begin=1)&(stop=1) while(wendu=0);H4052B=1;H4052A=0;fail=2;delay_18B20(1000);delay_18B20(1000); while(begin=0);/ 按鍵松開之后動作TH0=0x00; / 計數(shù)清零TL0=0x00; /ET0=1; /定時器 0 中

23、斷允許TR0=1; /T0 計數(shù)計時csb_40k(); /發(fā)射 6delay_18B20(20); /14.7 避開盲區(qū) 20cm EX0=1;if(intt0=1)s=336*n/20000; / 計算距離if(fail=1)s-=5;if(s51)s=0;if(fail=2)s+=18;fail=0;if(sset_s) TR1=1; /s 大于設(shè)置值報警，響， led4 亮 else led4=1;TR1=0;if(s100)/小于 100 顯示 * 。 *x=(unsigned int)(s*100); / 取前四位放入 x buf0=(unsigned char)(x/1000);

24、 / 距離前四位放入 buf 中buf1=(unsigned char)(x/100%10);buf2=(unsigned char)(x/10%10);buf3=(unsigned char)(x%10); outseg0=seg0buf0; outseg1=seg1buf1; outseg2=seg0buf2; outseg3=seg0buf3;else / 大于 100 顯示 * 。* x=(unsigned int)(s*10); / 取前四位放入 x buf0=(unsigned char)(x/1000); / 距離前四位放入 buf 中buf1=(unsigned char)(x

25、/100%10);buf2=(unsigned char)(x/10%10); buf3=(unsigned char)(x%10);outseg0=seg0buf0; outseg1=seg0buf1; outseg2=seg1buf2; outseg3=seg0buf3;intt0=0; display(); / 顯示 #include #define out P0 unsigned char seg310=0xeb,0x0a,0x67,0x6e,0x8e, 0xec,0xed,0x2a,0xef,0xee, /0-9 0xfb,0x1a,0x77,0x7e,0x9e,0xfc,0xfd,

26、0x3a,0xff,0xfe, /0-9 帶小 數(shù)點0xa5,0xaf,0x0a,0xc1; /FAILunsigned char buf4=2,0,0,9; unsigned char outseg4= 0x67,0xeb,0xeb,0xee;unsigned char stopp4=0x04,0x04,0x04,0x04;sbit P25=P23;sbit P26=P24;sbit P23=P25;sbit P24=P26;void delay(unsigned int i) /25us+(i-1)*9while(i-);/* 顯示 */void display(void) unsigne

27、d char i;for(i=0;i4;i+)if(i=0)P25=0; P26=1; P23=1; P24=1;if(i=1)P25=1; P26=0; P23=1; P24=1;if(i=2)P25=1; P26=1; P23=0; P24=1;if(i=3)P25=1; P26=1; P23=1; P24=0;out=outsegi;delay(200);#includesbit DQ = P34; /定義 1820 通信端口void delay_18B20(unsigned int i) /25us+(i-1)*9 while(i-);/*DS18B20 測溫度 */ 初始化函數(shù)Init_DS18B20